CN217649627U - 一种全电钳式刹车系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全电钳式刹车系统，包括左全电刹车机轮、右全电刹车机轮和刹车控制盒；刹车控制盒接收并识别飞控计算机指令，与飞控计算机通过CAN总线和RS‑485总线连接进行双余度通讯，根据飞控计算机指令控制左、右全电刹车机轮的组合电机运动，输出相应的刹车推力，达到要求的刹车力矩，实现飞机的静刹车、动刹车，同时能够实现系统BIT并向飞控计算机反馈刹车推力、机轮速度及系统状态。

Description

一种全电钳式刹车系统

技术领域

本实用新型属于刹车系统领域，尤其涉及一种全电钳式刹车系统。

背景技术

飞机刹车系统经历了从机械惯性防滑刹车系统、电子防滑刹车系统、数字防滑刹车系统直至数字式电传防滑刹车的技术发展，系统性能及功能取得了长足的进步，但是，刹车系统的作动形式没有发生本质的变化，一直采用了机械或液压作动形式，必须由发动机驱动的集中式液压泵提供高压液压动力。面对进一步提高系统的安全性、可靠性及可维护性的要求，特别是小型飞机大量装备的液压作动刹车系统存在着难于逾越的技术障碍和问题，具体如下：

(1)液压刹车系统工作介质采用的是液压油，总重量较重，且存在潜在的燃烧危险及液压泄漏问题；

(2)机械液压部分难以实现故障实时自检测，系统的测试性及维护性不佳，不利于系统维护保障；

(3)机械液压部分难以实现冗余设计，系统安全性低；

(4)刹车装置上任何一个液压活塞作动筒发生渗漏，刹车装置必须更换、拆卸甚至彻底大修，系统维护成本高。

实用新型内容

实用新型目的

为解决目前无人机液压刹车系统存在的问题，提出了无人机全电刹车系统技术。全电刹车系统将刹车作动形式由液压作动改为电力作动，工作介质由液压油改为电力场，使用机电作动机构取代液压刹车活塞，导线取代液压管路，电机驱动器取代液压伺服阀，从而实现了功率电传刹车，取得了较大的技术进步，具体如下：

实用新型技术解决方案

一种全电钳式刹车系统，包括左全电刹车机轮、右全电刹车机轮和刹车控制盒；刹车控制盒接收并识别飞控计算机指令，与飞控计算机进行双余度通讯，根据飞控计算机指令控制左、右全电刹车机轮的组合电机运动，输出相应的刹车推力，达到要求的刹车力矩，实现飞机的静刹车、动刹车，同时能够实现系统BIT并向飞控计算机反馈刹车推力、机轮速度及刹车系统状态。

优选的，左全电刹车机轮、右全电刹车机轮均包括机轮和电作动器；机轮包括轮毂，轮缘固定在轮毂外圆周面，导轨固定在轮毂上，刹车盘安装在导轨上，刹车盘能够随轮毂一起转动；齿轮盘固定在轮毂的端面；

电作动器包括集成在电作动器的壳体上的速度传感器、力传感器、变送器电路、霍尔传感器、滚珠丝杠、组合电机；组合电机正转，电作动器进行刹车，通过大齿轮、小齿轮啮合驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠将旋转运动转换成直线运动，推动刹车片压紧刹车盘，同时压紧力传感器，检测滚珠丝杠作用在刹车片的推力，当达到要求的推力值时，组合电机停止工作，力传感器输出为电压信号，经变送器电路转换成电流信号并进行放大再进行反馈；组合电机反转，电作动器进行松刹车，当滚珠丝杠运动至初始位置，霍尔传感器输出低电平信号，组合电机停止工作，速度传感器输出高、低电平反馈机轮的运动速度；

刹车控制盒为左全电刹车机轮、右全电刹车机轮的力传感器、速度传感器、组合电机、霍尔传感器进行供电，并对力传感器、速度传感器、组合电机、霍尔传感器过载保护，全电钳式刹车机轮输出信号反馈给刹车控制盒，反馈信号经刹车控制盒计算后，再反馈给飞控计算机，通过飞控计算机显示全电钳式刹车系统的工作状态。

优选的，刹车控制盒包括刹车控制盒包括刹车控制盒壳体、电源板组件、控制板组件、驱动板组件、连接底板组件、刹车控制盒软件；连接底板组件固定在刹车控制盒壳体内，电源板组件、控制板组件、驱动板组件通过矩形连接器插在连接底板组件上并紧固；刹车控制盒软件包括CAN通讯模块、RS-485通讯模块、指令识别模块、推力采集模块、PID模块、电机控制模块、零位控制模块、速度采集模块、电流采集模块、周期BIT模块；其中，CAN通讯模块和 RS-485通讯模块为双余度通讯；指令识别模块主要用于识别飞控计算机发来的指令，包括刹车和自检指令两种，刹车指令包含刹车量；推力采集模块用于采集力传感器输出的电压信号并转换为对应的推力；PID模块根据刹车量和采集到的推力进行计算；电机控制根据PID模块计算的结果输出对应的PWM信号和高低电平信号，控制电机正转、反转或停转；零位控制模块用于识别霍尔传感器输出的低电平信号，当读到低电平信号时，则认为电机已经到达零点位置，此时控制电机停转；速度采集模块通过DSP的CAP口识别速度传感器输出信号的频率，并经过转换后得到机轮速度；电流采集模块实时采集电机工作过程的电流，并对电流值进行判断，防止电机过载；周期BIT模块在该系统工作过程中，对系统进行实时周期自检，将刹车指令与实际推力进行实时比较，若差值达到设定值且持续一定时间则认为系统故障，并将检查结果上报给飞控系统。

优选的，刹车片、速度传感器固定在壳体上，组合电机、霍尔传感器固定在壳体内，小齿轮固定在组合电机的轴上，大齿轮连接在滚珠丝杠上，小齿轮与大齿轮互相啮合；护盖固定在壳体上，变送器电路、承力座固定在护盖上，力传感器设置于护盖和承力座之间；霍尔传感器的感应部位与滚珠丝杠的磁钢之间具有一定间隙。

优选的，轮缘通过两半卡环固定在轮毂上，且轮缘通过半卡环限位。

优选的，主要电路模块包含为敏感元件供电、信号放大、VI转换等。根据半导体材料本身的特点，力传感器本身的满量程输出信号只有几到几十毫伏，结合产品装机的实际情况，毫伏级电压在传输过程中极易受干扰，系统工作不可靠，为了保证力传感器的输出信号正常传输，需对毫伏级电压进行放大处理，并转换为电流信号输出。同时力传感器采用闭环控，同时力传感器采用闭环控制，实现连续可调，便于差动刹车、防滑功能的实现。变送器电路见图18。变送器电路包括可调电阻RF1、RF2、电阻R1～R12、运算放大器U1、三极管Q1，可调电阻RF2、电阻R1一端连接运算放大器U1A的反相输入端，电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的另一端连接电阻R11一端、运算放大器U1C的同相输入端、电阻R9一端，运算放大器U1A 的输出端连接O+，可调电阻RF2另一端连接可调电阻RF1一端，可调电阻RF1 另一端、电阻R2一端连接运算放大器U1B的反相输入端，运算放大器U1B的同相输入端连接O-，电阻R2的另一端、电阻R4的一端连接运算放大器U1B的输出端，电阻R4的另一端连接运算放大器U1C的反相输入端、电阻R12一端、电阻R8一端，电阻R9另一端连接运算放大器U1D的反相输入端和输出端，运算放大器U1C的输出端连接Q1的基极，Q1的发射极连接电阻R8的另一端、电阻 R5～R8一端，电阻R5～R8另一端连接运算放大器U1D的同相输入端，电阻R11 另一端连接Z+。

优选的，组合电机由直流无刷电机和减速器组成，组合电机上装配防水盖，并采用密封圈3密封。

优选的，电源板组件、控制板组件、驱动板组件通过安装耳锁紧件紧固在连接底板组件上，并通过刹车控制盒壳体上的卡槽以及挡板固定限位。

优选的，采用钢丝挡圈对大齿轮进行轴向限位。

优选的，电源板组件主要对输入电压进行滤波，并将输入电压转换为各模块工作所需的电压；控制板组件用于识别飞控计算机发来的刹车指令，根据刹车量的大小控制电作动器输出对应的推力，对系统进行检查，并将系统状态、当前刹车推力以及机轮速度进行反馈；驱动板组件用于控制电机的正转、反转和停转，从而控制滚珠丝杠运动。

本实用新型的优点：

(1)取消液压管路和相关附件，无人机刹车系统的重量相对减轻，同时可减少潜在的燃烧危险，不存在液压泄漏问题，无污染，可提高安全性。

(2)实现故障自诊断，系统任务可靠性得到提高。同时还可以提高系统测试性，降低维护成本。

(3)全电刹车系统的响应速度高于液压刹车系统，动态性能更好，采用了推力、速度、零位反馈控制，便于使用更智能、更有效的刹车控制理论和方法，获得的恒定刹车力矩，提高飞机刹车效率和安全性能。

(4)全电刹车系统的电作动机构可以单独更换，不必拆卸机轮组件，不仅更易于维修而且更耐用，还有利于减少航材备件降低维护成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种全电钳式刹车系统的结构的示意图。

图2为控制盒的硬件结构示意图。

图3为左、右全电刹车机轮的结构图。

图4为本实用新型的一种全电钳式刹车系统的硬件结构框图。

图5为刹车控制盒软件的功能框图。

图6为刹车控制盒软件内部接口示意图。

图7为本实用新型的一种全电钳式刹车系统的工作原理图。

图8为防反接保护电路的电路图。

图9为电源转换电路的电路图。

图10为JTAG接口电路的电路图。

图11为CAN总线通信通讯接口电路的电路图。

图12为RS-485总线通信通讯接口电路的电路图。

图13为(4～20)mA的电流转换电路的电路图。

图14为霍尔传感器的接口电路图。

图15为速度传感器的接口电路图。

图16为CMDSPLF2407控制电路的电路图。

图17为电机驱动电路的电路图。

图18为变送器电路的电路图。

具体实施方式

本实用新型是通过如下技术方案予以实现的。

如图1，一种全电钳式刹车系统，是无人机起落架子系统中的组成单元，由1套左全电刹车机轮34、1套右全电刹车机轮35、和1套刹车控制盒33组成。

刹车控制盒33与飞控计算机及左、右全电刹钳式车机轮采用电缆进行指令的传送和信号的反馈。刹车控制盒接收并识别飞控计算机指令，与飞控计算机通过CAN总线和RS-485总线连接进行双余度通讯，根据飞控计算机指令控制左、右全电刹钳式车机轮的组合电机运动，输出相应的刹车推力，达到要求的刹车力矩，实现飞机的静刹车(起飞线刹车)、动刹车，同时可实现系统BIT并向飞控计算机反馈刹车推力、机轮速度及系统状态。

如图3，左全电刹车机轮34、右全电刹车机轮35均由机轮和电作动器两部分组成。结构图见附图2，具体结构如下：

机轮由轮缘1、密封圈一2、圆锥滚子轴承3、轮毂4、气门咀5、挡油环6、半卡环7、刹车盘8、导轨9、挡块10、齿轮盘11等组成。

轮毂4、轮缘1通过两半卡环7连接，半卡环7对轮缘进行限位，轮缘1 与轮毂4间采用密封圈一2进行固定密封，圆锥滚子轴承3压入轮毂4中，挡油环6对圆锥滚子轴承3涂抹的润滑脂进行密封，防止润滑脂的流失，6个导轨9压入轮毂4里，并用沉头螺钉进行固定，用于刹车盘8的安装，使刹车盘 8随机轮一起转动，实现产品的刹车功能，并用挡块10对刹车盘8进行限位，防止刹车盘8在工作过程中脱离导轨9而影响刹车性能，将齿轮盘11采用螺钉固定在轮毂4的端面上，使齿轮盘11随机轮一起转动，与速度传感器12配套使用，实时检测机轮的速度。

电作动器由速度传感器12、密封圈二13、滚珠丝杠14、大齿轮15、护盖 16、承力座17、力传感器18、钢丝挡圈19、变送器电路20、紧定螺钉21、小齿轮22、插座23、防水盖24、密封圈三25、组合电机26(由直流无刷电机和减速器组成)、螺钉27、壳体28、刹车片(由骨架和摩擦材料组成)29、推力滚针和保持架组件30、霍尔传感器件31(未示出)、磁钢(未示出)等组成。

为提高电作动器的集成性，将速度传感器12、力传感器18、变送器电路 20、霍尔传感器31、滚珠丝杠14、组合电机26都集成在电作动器的壳体28 上，组合电机26正转，电作动器进行刹车，通过大齿轮15、小齿轮22啮合驱动滚珠丝杠14，滚珠丝杠14将旋转运动转换成直线运动，推动刹车片29压紧刹车盘8，同时压紧力传感器18，根据作用和反作用力的原理，检测滚珠丝杠 14作用在刹车片29的推力，当达到要求的推力值时，组合电机26停止工作，力传感器18输出为电压信号，经变送器电路20转换成电流信号并进行放大再进行反馈；组合电机26反转，电作动器进行松刹车，当滚珠丝杠14运动至初始位置，霍尔传感器31输出低电平信号，电机停止工作，速度传感器12实时检测机轮的运动速度，通过护盖16、承力座17对速度传感器12、力传感器18、变送器电路20、霍尔传感器31、滚珠丝杠14、组合电机26进行防护，其线束最终集成插座23上，护盖16、承力座17、壳体28采用螺钉连接成整体。

为确保通讯功能的可靠性，刹车控制盒与飞控计算机通过CAN和RS-485 总线进行双余度通讯，刹车控制盒为全电钳式刹车机轮的力传感器、速度传感器、组合电机、霍尔传感器进行供电，并对力传感器、速度传感器、组合电机、霍尔传感器过载保护，刹车控制盒与全电钳式刹车机轮采用电缆连接进行供电及信号反馈，反馈信号经刹车控制盒计算后，再反馈给飞控计算机，通过飞控计算机显示全电钳式刹车系统的工作状态。

轮毂4、轮缘1是机轮的主要承力件，选用成熟度高、工艺性好、力学性能相对较好的锻铝材料，广泛运用于国内、外航空机轮上，经济可靠；外形尺寸按轮辋协调图尺寸要求进行协调设计；表面防护采用表面阳极化后喷漆；轮毂尾部圆柱体延伸，并均布适当数量的导轨槽，用于刹车盘的安装，使刹车盘随机轮一起转动，实现产品的刹车功能；轮毂设计有密封圈槽，用于轮毂、轮缘的配合密封。

半卡环7是对轮缘1进行限位，为了便于装配、降低加工难度，将半卡环设计成整个环形，待加工完成后，再切断。

圆锥滚子轴承3主要承受以径向为主的径-侧向联合载荷，根据协议书要求最高转速及额定动、静载荷合理选择圆锥滚子轴承的型号，考虑起落架轮轴强度，在保证与轮轴连接尺寸的前提下，选用较大的轴承，从而保证起落架的轮轴强度。

气门咀5主要是机轮充气、放气及防止轮胎漏气部件，根据航空标准选用标准件，为了提高螺纹连接间的密封性能，螺纹连接间涂螺纹密封胶加强密封性能。

挡油环6是为了防止轴承润滑脂外泄，以及使用过程中外来异物进入轴承，导致滚动部件的异常磨损，使轴承过早损坏。

导轨9主要是为保证轮毂在传递刹车力矩过程中，不会出现损坏情况，在轮毂的导轨槽里设计有导轨，导轨为槽式导轨，采用沉淀硬化不绣钢材料制成。安装在轮毂导轨凸台上，采用过盈配合方式装配，并用沉头螺钉连接在轮毂的导轨槽里，与刹车盘的键配合，用于传递刹车力矩和轴向导向，螺钉端面通过冲点进行防松。

挡块10是选用不锈钢钢材料，并进行钝化进行防腐。

齿轮盘11是选用永磁体材料,在圆周方向分布合理的齿数，用3个螺钉固定在轮毂上。为了保证防腐性能，表面进行化学镀镍处理。与速度传感器12 配套使用，实时检测机轮的速度。

壳体28、护盖16、承力座17采用一体式结构设计，选用锻铝材料，在配合面涂抹防水胶进行防水，安装接口需满足主机接口要求；强度方面进过强度仿真分析计算，按照一定的安全系数计算，强度需满足使用要求。

刹车盘8、刹车片29作为全电刹车机轮制动和吸收动能的主要载体，在滚珠丝杠14产生推力的作用下，刹车盘8、刹车片29通过摩擦接触产生摩擦力，摩擦力形成制动力矩并吸收摩擦产生的热量。制动载体不仅要求其具有较为合适的动、静摩擦系数，还要求其具有较好的耐热性和热容性。合理选择刹车盘 8、刹车片29的材料。

组合电机26由直流无刷电机和减速器组成，为确保防水性能，在组合电机 26尾部装配防水盖24，并采用密封圈三25间隙密封。其根据输入的信号进行正转、反转和停转，通过减速器增大电机的转矩及降低转速，以产生或取消刹车推力，实现全电刹车机轮的刹车和松刹车。通过计算得出当电机输出转矩、输出转速和功率，选用直流无刷电机及减速器，需满足要求。

滚珠丝杠14的功用是将旋转运动转化为直线运动，并结合本系统的工况，采用内循环滚珠丝杠副。根据动、静载荷，选用滚珠丝杠副，额定动载荷、额定静载荷、能承受扭矩需满足设计要求。为了反馈松刹车信号，根据滚珠丝杠副起始位置，在其相应的位置装配1个磁钢与霍尔传感器31配套使用，根据霍尔传感器31输出的高低电平进行判断滚珠丝杠组件的位置。滚珠丝杠14与壳体28采用密封圈2进行密封，防止水和粉尘进入工作腔。

推力滚针和保持架组件30为了避免大齿轮在旋转过程中端面磨损，并能承收较大的轴向力，同时结合本电作动器的安装空间及滚珠丝杠副额定静载荷。选用推力滚针和保持架组能承受的载荷，并且占用空间小。

大齿轮15、小齿轮22材料选用不锈钢，并进行钝化，同时为了提高硬度，进行淬火HRC(45～50)。根据本系统的特点及使用工况，并结合齿轮传动的特点(效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长)，采用直齿圆柱齿轮传动。为了保证齿轮正确啮合、磨损均匀及传动平稳，两齿轮的模数及压力角分别相等，并且两齿轮的齿数互质。

速度传感器12与齿轮盘(永磁体)配套使用，其配合间隙为(1～1.5)mm。当旋转的齿轮盘转动或平移分别经过速度传感器一个感应点时，感应点的磁通密度发生变化，速度传感器在给定工作电压下感应磁场变化而被触发，输出脉冲信号，以检测齿轮的转速。

力传感器18通过计算，需滚珠丝杠副在工作过程中产生需求的轴向力，并考虑2倍的结构强度。

如图18，变送器电路20主要电路模块包含为敏感元件供电、信号放大、VI转换等。根据半导体材料本身的特点，力传感器本身的满量程输出信号只有几到几十毫伏，结合产品装机的实际情况，毫伏级电压在传输过程中极易受干扰，系统工作不可靠，为了保证力传感器的输出信号正常传输，需对毫伏级电压进行放大处理，并转换为电流信号输出。

霍尔传感器31与装配在滚珠丝杠14磁钢配套使用，其配合间隙为(1～1.5) mm。当磁钢经过霍尔传感器的感应点时，感应点的磁通密度发生变化，霍尔传感器在给定工作电压下感应磁场变化而被触发，输出电压信号，以检测滚珠丝杠组件14的初始位置。

刹车控制盒结构如下：

如图2，刹车控制盒的硬件主要由刹车控制盒壳体36、电源板组件37、控制板组件38、驱动板组件39、连接底板组件40、挡板41、插座42、盖板(未示出)、插头(未示出)、电缆组件(未示出)等组成。

连接底板组件40使用圆柱头螺钉固定在刹车控制盒壳体36底部，螺钉连接处使用垫圈及弹簧垫圈防松。电源板组件37、控制板组件38、驱动板组件 39通过矩形连接器插在连接底板上，用安装耳锁紧件锁死，并通过刹车控制盒壳体36上的卡槽以及挡板固定限位。刹车控制盒软件用于识别飞控系统发来的刹车、自检指令，并根据指令控制电机正转、反转和停转，以达到对机轮进行刹车的目的；在通电过程中，实时反馈全电钳式刹车系统的状态，并根据自检、周期自检的结果输出全电钳式刹车系统正常/故障信息。

本实用新型的一种全电式刹车系统的硬件结构框图如图4所示，电源给DSP 供电；DSP的A/D口对力传感器输出经推力采集电路处理的电流信号进行采集；图中零位霍尔传感器用于指示电机零点位置，I/O口检查零位霍尔传感器的输出信号，当霍尔传感器输出低电平时，表明电机到达零点位置，此时电机必须停止运动；通过CAP口采集速度传感器的信号，通过计算得到当前机轮速度；通过CAN总线和RS-485总线识别飞控系统发来的刹车指令、自检指令，当收到刹车指令时，根据刹车量的大小控制电作动器输出对应的推力，当收到自检指令时，对系统进行检查，并将系统状态、当前刹车推力以及机轮速度进行反馈； DSP的PWM口和I/O口分别输出PWM信号和高低电平信号，控制电机的正转、反转和停转；通过A/D口采集电机实时的工作电流，防止出现过载的情况。

电源板组件主要功能为对输入电源进行滤波，并将输入的电压转换为产品内部工作所需的电压，其电路模块包含防反接电路，滤波器以及二次电源转换等。

为了保证产品在电源极性接反的情况下，产品不会损坏，在产品电源输入端设计了防反接保护电路(如图8)。利用N-MOS管的开关特性，控制电路的导通和断开来设计防反接保护电路，当电源正常连接时，电源电压通过电阻两电阻分压后，提供给MOS管基极，MOS管饱和导通；电源极性反接时，分压两电阻上没有电压，MOS管基极无电压，因此MOS管不能导通，从而起到保护作用。

如图9，电源转换电路包括两个部分：电源滤波及内部电源转换。滤波器选用EMI直流滤波器，可提高系统电磁兼容性，具有体积小，滤波性能优异，插入损耗高等特点，并且在一定范围内滤波效果优异，连接时靠近电源的入口处，以屏蔽外界干扰对电源的影响，提高线路板的抗外界干扰能力；在刹车控制盒中，对电源进行了二次稳压设计，将机载电源提供的电压转换为刹车控制盒内部所需的电压，供刹车控制盒内部DSP、电机驱动等模块工作，并给力传感器、霍尔传感器供电，使用一个电源模块实现电压转换，确保供电波动时，不影响电路正常工作。

控制板组件主要电路模块包含DSP电路、CAN总线通讯模块、RS-485总线通讯模块、推力采集、零位霍尔采集电路、轮速采集电路及电机驱动模块。

DSP选择一款高性能低功耗的16位定点数字信号处理器，主时钟工作频率 40MHz，高性能静态CMOS工艺，单周期指令执行时间25ns，40MIPS性能，低功耗3.3V设计。基于TMS320C2xx的DSP CPU核心，内置32K字×16位的Flash EEPROM，具有片上Flash/ROM代码安全模块，指令集和外设模块兼容C24X；片上存储器高达2.5K字×16位的数据/程序RAM；2个16位通用定时器，8 个16位精度的脉冲宽度调制(PWM)通道：三相逆变器控制、PWM中心或边缘对齐、外部PDPINTx引脚可紧急关断PWM通道；同步A/D转换电路；专为交流感应电机，无刷直流电，步进电机控制设计，适用于多电机或转换器控制；具有CAN 2.0B模块，外部存储器接口包含192K字×16位的存储器寻址空间，具有看门狗定时器模块，双10位模数转换模块，多达40个可单独编程、多路复用的GPIO引脚，基于锁相环的时钟模块和基于JTAG的仿真等。数字信号处理器由CPU、内部存储器、及外围设备三个主要功能单元组成。此外，还提供若干系统特性，如存储器映射、全局复位、中断、通用数字输入/输出、定时器及低功耗模式。数字信号处理器最小系统电路图如图7所示。

DSP的外围电路JTAG仿真接口提供对DSP的内部FLASH的烧写和仿真通讯。 JTAG接口电路如图10所示。

CAN总线通信通讯接口电路如图11所示。CAN总线通信接口芯片选择网络控制CAN收发器，其符合ISO 11898标准，CAN收发器以高达1Mbps的速度向发送数据和向控制器发送差分接收数据，在恶劣的环境中运行，器件具有交叉保护，接地和过电保护、超温保护功能及宽共模范围特点，其共模输入电压范围-2V～7V，可承受±25V的共模瞬变。在电路设计中为确保CAN收发器在所有数据速率和电源电压下可靠运行，通过陶瓷电容C1对CAN收发器的VCC电源和GND引脚进行去耦；在CANRX端接电容C2去耦；Rs引脚与地之间连接电阻 R1，起到限流保护的作用；总线两端采用120Ω电阻R2进行端接，由于总线两端的最大共模电压7V，故电阻两端使用两个双向二极管D1、D2，对总线进行放电保护，并在CANH与CANL之间加一个去耦电容C3进行滤波。

RS-485总线通信通讯接口电路如图12所示。RS-485总线通信选择ER3485S 型RS-485总线信号收发器，ER3485S是3.3V低功耗收发器，由一个驱动器和一个接收器组成，可以实现最高10Mbps的传输速率，驱动器具有短路电流限制、过热保护功能，接收器输入具有失效保护功能。在电路设计中，RE使能端低电平有效，与DE并用实现接收功能，当A-B＞0.2V时RO＝1，接收来自控制器的信号RE＝1；DI端接DSP处理器作为发送端；通过陶瓷电容C4对CAN收发器的VCC电源和GND引脚进行去耦；A、B两端采用电阻R6进行端接，电阻R6 两端分别接一个上拉电阻R7和一个下拉电阻R5分压，接两个电阻限流电阻R8、 R9，保持电路输入的匹配性。

测力传感器为应变片桥式压力传感器，输出信号为毫伏级的电压信号，满量程输出约为10mV，必须对其放大后才能用于DSP采样计算，其配套的放大器将其处理为(4～20)mA的电流信号，刹车控制盒需对(4～20)mA的电流信号转换为电压信号才能使用。(4～20)mA的电流转换电路如图13所示。图11中，力传感器输出信号经放大器转换后的输出为R_I，经并联电阻转换为(0～3.3) V的电压信号，然后经由LM158构成的电压跟随器处理后输出给DSP的A/D口进行处理。

为了保证在刹车指令为零时，滚珠丝杠产生的推力完全为零，防止力传感器输出信号与实际推力不一致，出现带刹车着陆的情况，在滚珠丝杠螺母上设计有磁钢，在电作动器的壳体上设置霍尔传感器，并在刹车控制盒中设计霍尔传感器检测电路，DSP通过识别霍尔传感器输出信号来判断电机是否到达零点，此时电机与刹车片完全脱离，刹车推力为0。当刹车控制盒收到飞控系统零刹车指令后，DSP控制电机后退，当磁钢到达霍尔传感器位置时，霍尔传感器输出低电平信号，DSP识别该低电平信号并控制电机停转。霍尔传组件的接口电路如图14所示。

速度传感器输出的信号为(0-5)V的方波信号，通过DSP的CAP口捕捉方波信号，从而得出频率，并根据频率计算出当前机轮速度值。由于DSP的CAP 口最大承受电压为3.3V，而速度传感器的输出信号为(0-5)V的方波，因此为了保证不损坏DSP，需对输入的(0-5)V的方波信号进行处理，输入的方波信号经电阻R22、R23分压，分压后电压值最大为3.1V，给DSP的CAP口使用。速度传感器的接口电路图如图15所示。

驱动板组件主要电路模块为直流无刷电机驱动电路，将芯片、片式电阻、瓷介电容、钽电容、MOSFET管、运算放大器和矩形连接器集成在印制电路板上。为了保证直流无刷电机工作安全、可靠，选择了直流无刷电机专用驱动电路来控制电机的正转、反转和停转，从而控制滚珠丝杠副运动，输出满足要求的推力。

选择功能比较全面的芯片，其的工作电压为(20～40)V，芯片采用了7mm SQFP封装，可以简化驱动电路并减小电路尺寸，降低成本；直流无刷电动机内部集成的霍尔位置传感器，具有三路霍尔信号输出，芯片根据这些霍尔信号产生基本的电动机换向逻辑，实现无刷电动机的无接触换向，三相无刷电动机的每一相由一对N沟道的MOSFET驱动。芯片内部电路可以监测VDD和高电平的电压幅值，保证其输出可以有效地驱动MOSFET电路，提供欠压保护，MOSFET对在进行开关状态切换时会使芯片VDD端产生电压波动，故电路需要在VDD与GND之间串接1uF的电容，以防止MOSFET低端导通时不发生欠压情况。电机驱动电路如图17所示。

刹车控制盒软件为嵌入式软件，刹车控制盒软件主要包含6大部分，包括： CAN通讯模块、RS-485通讯模块、指令识别模块、推力采集模块、PID模块、电机控制模块、零位控制模块、速度采集模块、电流采集模块、周期BIT模块等。其中，CAN通讯和RS-485通讯为双余度通讯，以CAN通讯为主；指令识别模块主要用于识别飞控系统发来的指令，包括刹车和自检指令两种，刹车指令包含刹车量；推力采集模块用于采集力传感器输出的电压信号，并转换为对应的推力；PID模块计算根据刹车量和采集到的推力进行计算；电机控制根据PID 模块计算的结果，输出对应的PWM信号和高低电平信号，控制电机正转、反转或停转；零位控制用于识别零位霍尔传感器输出的低电平信号，当读到低电平信号时，则认为电机已经到达零点位置，此时控制电机停转；速度采集通过DSP 的CAP口识别速度传感器输出信号的频率，并经过转换后得到机轮速度；电流采集实时采集电机工作过程的电流，并对电流值进行判断，防止电机过载；周期BIT模块在产品工作过程中，对系统进行实时周期自检，将刹车指令与实际推力进行实时比较，若差值达到设定值且持续一定时间则认为系统故障，并将检查结果上报给飞控系统。刹车控制盒软件接口示意图如图6所示

本实用新型的全电钳式刹车机轮的工作原理：

全电钳式刹车机轮与轮胎配套，供飞机起飞、着陆、滑行、转弯和支撑飞机用。轴承外环与轮毂为过盈配合，轴承内环与起落架轴为间隙配合。飞机起飞或着陆时，飞机向起落架轮轴施加垂直向下的载荷，通过机轮与轮胎传递给地面，最终在发动机推力作用下，使地面与轮胎之间产生反向摩擦力，从而实现轮胎带动机轮通过圆锥滚子轴承绕起落架轮轴旋转，带动飞机滑跑和滑行。

刹车控制盒与飞控计算机通过CAN总线和RS-485总线进行双余度通讯，收到飞控计算机“进入自检”指令后，自动输出100％和0％的刹车信号给左、右机轮，判断机轮的工作状态并将状态反馈给飞控计算机；刹车控制盒收到飞控计算机“刹车”指令后，根据刹车指令给定的刹车量，控制电机正转经减速器增大转矩，驱动滚珠丝杠副运动，推动刹车片至压紧刹车盘，以输出与飞控指令对应的刹车推力并向飞控计算机反馈刹车系统状态及当前推力；刹车控制盒收到飞控计算机0刹车指令后，控制电机反转驱动滚珠丝杠副运动至初始位置实现松刹车；刹车控制盒实时向飞控计算机反馈左、右机轮的速度信号。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此来限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神本质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖本实用新型的保护范围内。本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种全电钳式刹车系统，其特征在于，包括左全电刹车机轮(34)、右全电刹车机轮(35)和刹车控制盒(33)；刹车控制盒(33)接收并识别飞控计算机指令，与飞控计算机进行双余度通讯，根据飞控计算机指令控制左、右全电刹车机轮的组合电机运动，输出相应的刹车推力，达到要求的刹车力矩，实现飞机的静刹车、动刹车，同时能够实现系统BIT并向飞控计算机反馈刹车推力、机轮速度及刹车系统状态。

2.如权利要求1所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，左全电刹车机轮、右全电刹车机轮均包括机轮和电作动器；机轮包括轮毂(4)，轮缘(1)固定在轮毂(4)外圆周面，导轨(9)固定在轮毂(4)上，刹车盘(8)安装在导轨(9)上，刹车盘(8)能够随轮毂(4)一起转动；齿轮盘(11)固定在轮毂(4)的端面；

电作动器包括集成在电作动器的壳体(28)上的速度传感器(12)、力传感器(18)、变送器电路(20)、霍尔传感器、滚珠丝杠(14)、组合电机(26)；组合电机(26)正转，电作动器进行刹车，通过大齿轮(15)、小齿轮(22)啮合驱动滚珠丝杠(14)，滚珠丝杠(14)将旋转运动转换成直线运动，推动刹车片(29)压紧刹车盘(8)，同时压紧力传感器(18)，检测滚珠丝杠(14)作用在刹车片(29)的推力，当达到要求的推力值时，组合电机(26)停止工作，力传感器(18)输出为电压信号，经变送器电路(20)转换成电流信号并进行放大再进行反馈；组合电机(26)反转，电作动器进行松刹车，当滚珠丝杠(14)运动至初始位置，霍尔传感器(31)输出低电平信号，组合电机(26)停止工作，速度传感器(12)输出高、低电平反馈机轮的运动速度；

刹车控制盒(33为左全电刹车机轮、右全电刹车机轮的力传感器、速度传感器、组合电机、霍尔传感器进行供电，并对力传感器、速度传感器、组合电机、霍尔传感器过载保护，全电钳式刹车机轮输出信号反馈给刹车控制盒，反馈信号经刹车控制盒计算后，再反馈给飞控计算机，通过飞控计算机显示全电钳式刹车系统的工作状态。

3.如权利要求2所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，刹车控制盒(33)包括刹车控制盒包括刹车控制盒壳体(36)、电源板组件(37)、控制板组件(38)、驱动板组件(39)、连接底板组件(40)、刹车控制盒软件；连接底板组件(40)固定在刹车控制盒壳体(36)内，电源板组件(37)、控制板组件(38)、驱动板组件(39)通过矩形连接器插在连接底板组件(40)上并紧固；刹车控制盒软件包括CAN通讯模块、RS-485通讯模块、指令识别模块、推力采集模块、PID模块、电机控制模块、零位控制模块、速度采集模块、电流采集模块、周期BIT模块；其中，CAN通讯模块和RS-485通讯模块为双余度通讯；指令识别模块主要用于识别飞控计算机发来的指令，包括刹车和自检指令两种，刹车指令包含刹车量；推力采集模块用于采集力传感器输出的电压信号并转换为对应的推力；PID模块根据刹车量和采集到的推力进行计算；电机控制根据PID模块计算的结果输出对应的PWM信号和高低电平信号，控制电机正转、反转或停转；零位控制模块用于识别霍尔传感器输出的低电平信号，当读到低电平信号时，则认为电机已经到达零点位置，此时控制电机停转；速度采集模块通过DSP的CAP口识别速度传感器输出信号的频率，并经过转换后得到机轮速度；电流采集模块实时采集电机工作过程的电流，并对电流值进行判断，防止电机过载；周期BIT模块在该系统工作过程中，对系统进行实时周期自检，将刹车指令与实际推力进行实时比较，若差值达到设定值且持续一定时间则认为系统故障，并将检查结果上报给飞控系统。

4.如权利要求2所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，刹车片(29)、速度传感器(12)固定在壳体(28)上，组合电机(26)、霍尔传感器(31)固定在壳体(28)内，小齿轮(22)固定在组合电机的轴上，大齿轮(15)连接在滚珠丝杠(14)上，小齿轮(22)与大齿轮(15)互相啮合；护盖(16)固定在壳体(28)上，变送器电路(20)、承力座(17)固定在护盖(16)上，力传感器(18)设置于护盖(16)和承力座(17)之间；霍尔传感器(31)的感应部位与滚珠丝杠(14)的磁钢之间具有一定间隙。

5.如权利要求2所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，轮缘(1)通过两半卡环(7)固定在轮毂(4)上，且轮缘(1)通过半卡环(7)限位。

6.如权利要求2所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，变送器电路(20)包括可调电阻RF1、RF2、电阻R1～R12、运算放大器U1、三极管Q1，可调电阻RF2、电阻R1一端连接运算放大器U1A的反相输入端，电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的另一端连接电阻R11一端、运算放大器U1C的同相输入端、电阻R9一端，运算放大器U1A的输出端连接O+，可调电阻RF2另一端连接可调电阻RF1一端，可调电阻RF1另一端、电阻R2一端连接运算放大器U1B的反相输入端，运算放大器U1B的同相输入端连接O-，电阻R2的另一端、电阻R4的一端连接运算放大器U1B的输出端，电阻R4的另一端连接运算放大器U1C的反相输入端、电阻R12一端、电阻R8一端，电阻R9另一端连接运算放大器U1D的反相输入端和输出端，运算放大器U1C的输出端连接Q1的基极，Q1的发射极连接电阻R8的另一端、电阻R5～R8一端，电阻R5～R8另一端连接运算放大器U1D的同相输入端，电阻R11另一端连接Z+。

7.如权利要求2所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，组合电机(26)由直流无刷电机和减速器组成，组合电机(26)上装配防水盖(24)，并采用密封圈密封。

8.如权利要求3所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，电源板组件(37)、控制板组件(38)、驱动板组件(39)通过安装耳锁紧件紧固在连接底板组件上，并通过刹车控制盒壳体(36)上的卡槽以及挡板固定限位。

9.如权利要求2所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，采用钢丝挡圈(19)对大齿轮(15)进行轴向限位。

10.如权利要求3所述的一种全电钳式刹车系统，其特征在于，电源板组件主要对输入电压进行滤波，并将输入电压转换为各模块工作所需的电压；控制板组件(38)用于识别飞控计算机发来的刹车指令，根据刹车量的大小控制电作动器输出对应的推力，对系统进行检查，并将系统状态、当前刹车推力以及机轮速度进行反馈；驱动板组件(39)用于控制电机的正转、反转和停转，从而控制滚珠丝杠运动。

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