大型民航客機油門裝置驅動控制設計*

楊家興，陳永琴，蘇三買，李 儀

（1.西安電子科技大學機電工程學院，陜西 西安 710071；2.西北工業大學動力與能源學院，陜西西安 710072）

引 言

現代大型民航客機上，油門裝置是油門控制系統的重要操縱裝置，用于發動機推力控制。油門裝置是一套可同時實現手動操作和自動操作（在油門伺服電機驅動下使油門桿轉動）的機械電子裝置。

飛機自動飛行時，飛行控制系統將飛機所需的推力轉換為油門桿角度指令并產生一個油門驅動信號以驅動油門裝置的伺服電機，從而使油門裝置帶動油門桿轉動相應的角度。

為了將油門桿轉動時的物理角度變化轉換為發動機電子控制器（Electronic Engine Control,EEC）可接收的電信號，在油門裝置中設置有油門角度解算器。該解算器通常為與油門桿通過連桿連接的旋轉可變差動變壓器（Rotary Variable Differential Transformer,RVDT）型角度傳感器，其將油門桿物理角度轉換為一個表征角位移的解算器角度電信號，并通過硬件接口直接傳送到EEC用于發動機推力控制。

隨著技術的發展，先進大型民航客機實現的自動飛行功能也越來越多，例如飛行過程中的姿態保持、高度保持、高度層改變、垂直導航、水平導航、航向/航跡保持等，而對油門的良好控制是這些的基礎[1]。

飛行控制系統發出油門角度控制指令后，油門裝置是否實現實際油門旋轉角度與指令角度的一致性，直接影響飛機飛行控制品質。在油門控制系統設計中，非常重要的技術要求是保證油門桿角度的快速與準確控制[2]。

油門控制系統在大型民航客機上應用廣泛，國內外相關理論研究文獻較多，主要為基于油門的飛行控制研究。文獻[3]對某噴氣式商用飛機的油門裝置進行了系統化建模和仿真分析。文獻[4]設計了一種自動油門控制系統的模糊比例積分微分（Proportional Integral Derivative, PID）控制器。文獻[5]分析了飛機自動油門的工作模式以及控制律算法。文獻[6]介紹了某型民用飛機的自動油門控制系統的組成、原理和工作模式。文獻[7]應用雙冗余技術和故障檢測算法設計了油門控制系統。文獻[8]針對民用飛機控制律優化設計，提出了一種適用于控制律設計和飛行員在環評估飛行品質的試驗方案。文獻[9]研究了飛機自動推力系統的基本原理、與其他系統之間的關聯以及自動油門工作基本原理和邏輯設計。文獻[10]進行了油門臺設計。

在飛行控制系統中，油門控制類似于飛行姿態控制的升降舵與方向舵控制，屬于發動機控制的執行機構。從自動控制原理的角度來看，飛機對發動機推力的控制屬于控制外環，而作為發動機推力控制中介的油門角度控制屬于控制內環?，F有研究文獻多為基于自動油門的推力控制，也即上述的外環控制，而對油門裝置中油門角度本身的驅動控制研究較少。

近年來，我國設計的大型客機的油門裝置采用國外成套產品，關于油門裝置的驅動控制設計及理論研究開展得不多，制約了設計能力及自主知識產權的提升?；谏鲜霰尘?，本文開展了油門裝置的結構分析，并進行了油門裝置驅動控制設計與仿真研究。

1 油門裝置結構分析

油門裝置是飛機自動油門系統與發動機控制系統的中介裝置，位于飛機駕駛艙的中央操作臺。以B737飛機為例，油門裝置在駕駛艙的位置如圖1所示，其中的油門桿（包括正推力桿和反推力桿）實物如圖2所示。整個油門裝置實物如圖3所示。

圖1 油門裝置在駕駛艙操縱臺上的位置

圖3 油門裝置實物

現代大型客機通常安裝兩臺或以上的發動機，為了實現雙發同步控制并同時實現駕駛員手動推動油門桿和自動飛行時對油門驅動，圖3所示的油門裝置在結構上包含兩套相同的傳動裝置，主要包括推力連桿、油門伺服電機、摩擦離合器和油門角度解算器，其工作原理如圖4所示。

圖4 油門裝置工作原理圖

伺服電機與減速器連接，減速器的輸出連接油門角度解算器和摩擦離合器，然后通過位于離合器外殼的耳柄以鉸鏈方式與推力連桿連接，實現與油門桿（正、反推力桿）聯動。

在自動飛行模式下，飛行控制系統根據飛機推力需求產生油門桿角度指令并發送給伺服電機，驅動油門桿轉動到目標角度。在手動模式下，摩擦離合器切斷油門伺服電機的控制輸入，油門桿在手動推動下帶動油門角度解算器旋轉。

2 油門裝置驅動控制設計

油門伺服電機是油門裝置的動力源，決定了油門桿的旋轉速度和角度。對油門裝置的驅動控制的核心是飛機自動飛行模式下對該伺服電機的控制。

大型客機油門裝置伺服電機通常使用三相直流無刷（Brushless Direct Current, BLDC）電機[11]，結構上主要包括定子、轉子和位置傳感器。BLDC電機通過位置傳感器實時檢測轉子的位置，再根據此位置給定子繞組的不同相輸入對應的電流，使定子產生方向均勻變化的旋轉磁場。該旋轉磁場與轉子上永磁體的磁場相互作用產生與定子旋轉磁場相同的電磁轉矩輸出，從而驅動電機旋轉。

BLDC電機最常用的控制方法是矢量控制技術，其基本思想是：通過坐標變換和轉子磁場定向，將電機定子電流矢量分解成直軸勵磁電流分量id和交軸轉矩電流分量iq兩個分量，二者相互垂直正交，互不影響，以此實現BLDC電機的解耦控制。BLDC電機通過控制id來控制勵磁大小，通過控制iq來控制轉矩大小，從而獲得與直流電機類似的控制性能[12]。針對油門裝置高精度、低負載的要求，采用id為0的控制方法來控制電機。通過霍爾裝置檢測相電流，進行電機內部的電流閉環控制；通過磁編碼器檢測電機角速度，進行電機速度閉環控制；通過RVDT檢測油門桿角度，進行電機位置閉環控制?；谠摲椒ǖ挠烷T裝置驅動控制回路原理如圖5所示。驅動及控制硬件的核心采用TMS320系列數字信號處理器，硬件原理框圖如圖6所示。

圖5 油門裝置驅動控制回路原理圖

圖6 油門裝置驅動及控制硬件原理框圖

3 油門裝置的數學模型

油門裝置在結構上包括BLDC電機和傳動機構，建立油門裝置的數學模型是進行油門角度閉環控制設計的基礎。

3.1 BLDC電機數學模型

為便于分析，做如下假設：不考慮定子齒槽的影響，不考慮摩擦，定子三相繞組分布均勻且完全對稱。則BLDC電機三相電壓方程為：

式中：下標A,B,C表示三相；u為相電壓；R為相電阻；i為相電流；L為繞組自感；M為繞組互感；t為時間；e為相感應電動勢；UN為三相繞組中心點電壓。

電機的電磁轉矩可以表示為：

式中：p為電機極對數；ω為電機電氣角速度。電機的拖動方程為：

式中：TL為負載轉矩；J為轉子轉動慣量。

BLDC電機的相感應電動勢波形為梯形時，采用三相對稱、互差120°的方波供電，穩態下電機的電磁轉矩可以表示為：

式中：E為相感應電動勢幅值；I為相電流幅值；Ψm為最大磁鏈。選定電機型號，則Ψm為常數，電機的輸出電磁轉矩與I成正比。

3.2 油門角度解算器及傳動機構數學模型

油門裝置需將油門桿旋轉的物理角度轉換為EEC可接收的電信號，通常采用RVDT型角度傳感器來實現，也稱為油門角度解算器，其工作原理如圖7所示，內部含有兩個次級線圈和一個可旋轉的初級線圈。EEC為初級線圈提供勵磁電壓，當初級線圈在油門桿帶動下轉動時，兩個次級線圈因磁場的變化產生不同的感應電壓V1和V2并輸入到EEC，每組電壓值都對應不同的旋轉角度，從而實現油門桿物理角度向解算器角度電信號的轉換。

圖7 油門角度解算器工作原理

在油門裝置中，為了提高油門伺服電機的角度控制精度，伺服電機與解算器之間設置有齒輪及蝸輪蝸桿傳動系統，其傳動原理如圖8所示。結合圖4可知，油門角度解算器輸出的角度與油門桿轉動的角度并不相同，但傳動機構確定，因此油門桿角度或油門伺服電機旋轉角度與解算器輸出角度滿足確定的代數關系。

圖8 油門電機到角度解算器的傳動關系

根據機械傳動關系（圖4與圖8），經推導可得油門桿角度θ1與解算器輸出角度θ2近似為線性關系：

式中，k1為傳動機構傳動比。伺服電機旋轉角度θ3與θ2的關系為：

式中：i1為直齒輪減速比；i2為蝸輪蝸桿減速比。

4 油門裝置角度閉環系統設計與仿真

考慮油門桿到伺服電機的傳動關系，綜合式（3）到式（6），得到油門桿的速度響應傳遞函數：

式中，s為拉普拉斯算子。

在圖5所示的油門裝置驅動控制回路中，采用油門角度解算器和磁編碼器的輸出分別作為電機閉環控制的反饋位移和速度信號，由電機內部的電流環和外部的速度環、位置環構成三閉環控制系統，按照式（7）模型，采用PID控制方法在Simulink下設計控制器，如圖9所示。

圖9 油門裝置驅動控制Simulink模型

在圖9所示模型中，參考波音737手冊[13]，以圖10曲線所示的角度信號作為油門裝置位置的期望變化曲線，并以此作為輸入進行油門裝置驅動控制仿真。

圖10 油門桿目標角度

設置仿真時間為2 s，在0.5 s時開始對該系統施加3 N·m負載，位置環和速度環的目標值與反饋值對比曲線見圖11和圖12。

圖11 位置環對比曲線

圖12 速度環對比曲線

由圖11和圖12可知，位置環和速度環的跟蹤性能良好，實現了油門桿位置的準確控制。在0.5 s時受到3 N·m負載，速度環中速度信號出現了略微波動，但隨后很快就回復到正常值，說明該系統有較好的魯棒性。

為了分析該控制系統的響應速度，以階躍信號為輸入對系統進行仿真分析，將仿真時間改為1 s，油門桿角度響應如圖13所示。該控制系統的響應時間為0.01 s，響應快速。

圖13 油門桿階躍信號角度響應

5 結束語

通過對油門裝置的分析，開展油門裝置驅動控制設計。以油門桿目標角度為閉環控制的期望輸入，進行油門角度控制仿真，得到以下結論：

1）油門裝置在結構上包括油門伺服電機、傳動機構和油門角度解算器。

2）采用三閉環控制方法設計的油門角度控制器具有良好的控制性能，能夠較好地對位置和速度信號進行跟蹤，且響應速度快。

本文對油門裝置驅動控制系統的分析與設計方法可為大型客機自動油門系統設計提供參考。