CAE飞行全动模拟机电动运动系统特点及技术探讨

lausiu · 发表于 2011-4-10 23:57:27

CAE飞行全动模拟机电动运动系统特点及技术探讨
一、引言
加拿大CAE公司（简称CAE）是一家在全球具有领先地位的飞行模拟机制造厂商，除加拿大总部外，在全球20多个国家建立有100多个站点和培训基地，为全球24个飞行培训机构提供了超过140台全动飞行模拟机，其中在我国，包括国航、南航、东航、海航在内的多家航空公司和飞行培训单位，均有使用CAE制造的飞行全动模拟机。
CAE飞行全动模拟机电动运动系统（简称EMM系统：The Electromechanical Motion）是CAE公司与控制系统制造权威公司MOOG公司共同研发的目前最先进的全电气作动模拟机运动系统。此系统适用于民用航空和军用航空的多种飞行模拟机。
二、电动运动系统的优势
EMM系统是目前CAE新型模拟机制造上普遍采用的运动系统。其相比CAE以往的液压作动运动系统，EMM系统的优势主要体现在以下几个方面：
(一) EMM系统为飞行训练提供了更为准确、更加专业的飞行全动模拟机运动要求。
(二) EMM系统的优势还包括通过减少能源消耗来降低整体的飞行模拟机运行成本，并且其需要更少的定期维护。
(三) EMM系统相对液压运动系统还降低了设备的复杂性，体现在免除了液压间的建造、消除了污染的风险、并且减少了对危险废弃物的处置费用。
(四) 在安全方面，EMM系统具有CAE公司和MOOG公司共同设计的安全保护系统，其能满足最严格的国际安全标准。
总之，EMM系统相对液压运动系统或者电液复合型运动系统，更为专业精准、更加经济实用、更加环保科学、并且更具有安全保证。
三、电动运动系统的特征
 达到D级合格水平；
 在运动保真性和最大相应度方面表现相当准确和敏锐；
 年度能源消耗较低（电动运动平均12KW，液压运动平均48KW）；
 拥有自动防故障装置（RTH），在电源缺失后有独立的电瓶供电；
 经过可靠的周期训练测试验证的轴承具有20年寿命；
 没有液压能源组件和与液压相关的组件；
 免于维护的减震（相对液压减震）；
 可承受大型全动飞行模拟机（32000磅）；
 实际中无声操作降低了模拟机大厅的环境噪音。
四、系统描述
电动飞行模拟机作动系统和控制系统包括有以下几大部分：
 六个电动作动器；
 MOOG运动控制机柜；
 系统安全组件；
 相关线缆。
这些组件是电动6自由度（6DOF）运动系统的组成部分。电动作动器使用MOOG无刷伺服马达来驱动高准确、高功效的滚动接触螺杆，以达到线形运动要求。运动控制机柜的作用是在正常运行和发生故障情况下，控制作动器马达在安全范围及特性要求内来管理运动系统。电动运动系统的操作类似于传统的液压运动系统中大多数模式，但使用更具安全性的电气系统取而代之。
(一) 运动基础性能
1. 速率
电动运动系统作动器的速率在电脑软件的控制下达到24 in/sec（英寸/秒），在马达控制器的控制下达到30 in/sec。24 in/sec的作动器速率可以满足当故障情况下最小动能消耗时的所有轴向速率要求。
2. 加速度
运动平台的加速性能依赖于系统的有效载荷重量、重心和惯性，所有这些关联在决定加速性能时同等重要。举起是运动基础轴向加速性能的主要限制。电动运动系统的峰值电流控制器设置马达峰值扭矩满足最低举起加速度，又有软件设置余下的自由度附加的加速性能。
(二) 电动作动器的设计
电动作动器（简称EMA：Electromechanical Actuator）包含一个直流无刷伺服马达，直接集成一个精密研磨的滚珠丝杠，其使得旋转运动转换成线形运动。
电机是根据飞行模拟训练器的需要而专门优化的，其设计特点是低速平滑、高功率密度和低惯性。
此种作动器的其他关键优势还包括：
 改进了动态响应；
 升级了可靠性；
 降低了可听到的噪音；
 降低共振；
 优化长度。
(三) 运动控制机柜的设计
运动控制机柜（简称MOOG机柜）是结合了超过10年电动运动领域经验而制的最新一代产品，其优势主要表现在以下几个方面：
 MOOG选择控制技术的设都能满足作动器和系统的性能要求，其算法能根据作动器的加速度、速率、位置而提供给系统适当的参数。
 MOOG安全系统的设计也能有效地预防人员受伤和设备损坏，其中主要自动防故装置是RTH（return to the home position），RTH能在模拟机运动系统故障或外电缺失的时候发挥作用，其不仅能在外电缺失的情况下完成模拟机的突然中止、动态制动等功能，还能利用MOOG电瓶提供给作动器归位时的减速效果。
 MOOG还具备所有与系统电气配电和控制相关的必要组件。其包括一系列调节保险丝、直流电线路滤波器、接触器和电源控制的断路器，以及系统故障和安全管理器等等。MOOG电源提逻辑电压，其UPS（Uninterruptible Power Supply）维持着控制元件的电源供应，并且其设计也能虑及故障的自动恢复和记录。MOOG还具备一个48V电瓶来保证RTH的稳定工作。
 MOOG利用SERCOS（serial real time communication specification）网络来保证实时操作系统工作，其主要在驱动器和电脑组件间传输命令信号、控制信号和状态信息。另外还有一个PLC（Programmable Logic Controller）和一个IFB（Interface Board）来执行附加的系统功能以监控和确保系统的正常。
以下将分别探讨一下MOOG主要元件的特性：
1. DS2110驱动器
DS2110驱动器是为了保证飞行模拟机的性能和输出电压的要求，而由MOOG公司发展出的新一代高效马达驱动器。这种驱动器包含一个以DSP（Digital Signal Processor）为基础的马达电流环路控制器，以驱动一个以高性能IGBT（Insulated Gate Bipolar Translator）为基础的放大器。
这种设计在运动模拟的应用中体现在：
 低速平滑；
 较高分辨率的位置反馈；
 较高的控制接口频宽；
 较高的峰值功率性能；
 较高的系统频宽；
 较低的系统延迟。
2. 计算机组件/PLC/IFB
MOOG装有一个带有PCI总线、电源、可读写光驱、软驱、和硬盘的单板计算机。硬盘中储存着Windows操作系统、Moog运动控制软件、记录文件、历史信息文件和其他实用软件。MOOG计算机从模拟机主机接收作动器位置指令信息，并将指令信息传给相应的驱动器。
PLC被用于给驱动器提供控制高压，并控制RTH发达器，还利用于系统的控制和监控。
IFB被用于给作动器、马达控制器、计算机组件和PLC之间提供信息传输分配。
计算机组件、PLC和IFB都提供并监控WATCHDOG输出或接收到其他组件的输出信息，以保证其都能安全地中止模拟机运动，用这种方法，任何一部分的故障被监控到，模拟机都能安全地中止运动、关闭系统。
3. RTH
飞行模拟机的运动复杂性导致其有可能在任何姿态下出现故障卡死，如果没有一个安全的归位系统，模拟机可能卡在一个很不方便人员疏散或者排故的姿态。因此MOOG机柜装有防故障归位装置RTH，其通过相对各个轴向独立的传感放大器，驱动运动平台回到原始位置。这些放大器利用48V电瓶供电，提供足够的力来克服最大拉力负荷，以保证模拟机在外电缺失的情况下也能平缓地回到原始位置。
4. 供电系统
MOOG机柜是从一个外电源变压器（220VAC to 480VAC）接收三相交流电，并由一个断路器CB1控制开关。
当MOOG机柜正常加电时，其供电系统如下：
i. 电源PS1（480VAC to 24VDC）接收到三相交流电后，变压成24V直流电并供给到驱动设备冷却风扇和IFB；
ii. IFB接收到24VDC后，将其再进行分配到各个Control Head、RTH控制器、作动器原始位开关、作动器缓冲/制动压力开关、PLC I/O接口。
iii. 另一个变压器T1（480VAC to 230VAC）接收到三相交流电后，变压成230VAC并供给到UPS，用于在外电缺失时，UPS备用电源能保证计算机和PLC正常关机。此外T1还供电到电瓶充电器BC1、BC2，以及10个MOOG机柜冷却风扇。
iv. 另外一路480V交流电通过电流接触器CR2A、CR2B后直接供电到驱动器组件，驱动放大器将这些交流电整流滤波后供应到直流汇流条（一般670VDC）用以驱动各个作动器。
v. 此外MOOG机柜还配备一组电瓶，4个12VDC电瓶被串联起来用以给MOOG机柜其他组件提供24VDC和48VDC的辅助电源。
可以看出，MOOG机柜的供电系统上进行了许多优化，相比以前的运动系统，显得更为经济、实用和安全。
总之，MOOG机柜在设计上最大程度保证了运动系统的全面性、安全性和稳定性，其也是目前电动运动系统控制技术的主要趋势。
(四) 安全系统的设计
目前无论哪行哪业，都基本上把安全性作为一个不容忽视的因素来严格要求，CAE模拟机电动运动系统也在其安全性上做了许多工作，其安全性工作主要表现在以下几大方面：
 驱动器电压传感器——实时监控驱动器的电压信息；
 驱动器温度传感器——实时监控驱动器和电阻器温度信息；
 驱动器短路保护器——实时监控驱动器的短路信息；
 远程紧急关断组件——能远程紧急关断电源并自动启动故障处理预案；
 动态制动系统——在启动故障处理预案时能限制作动器速度；
 RTH——RTH在启动故障处理预案时能利用电瓶供电使模拟机回归到原始水平位置；
 马达温度传感器——通过驱动器来监控马达温度；
 防冲击组件——安装双向缓冲组件来保证设备安全；
 原始位位置开关——在模拟机回到原始位时提供反馈信息；
 压力开关——当缓冲组件压力过低时提供反馈信息。
由此可见，电动运动系统在设计上不仅从开始就舍弃了类似液压系统中高压力、高腐蚀等不安全隐患，还在电气、温度、制动等方面进行了许多预防工作，充分保证了使用人员的维护人员健康安全。
五、总结
通过对CAE飞行模拟机电动运动系统的设计分析，不难看出，电动运动系统确实比较之前的液压运动系统有许多改善和优势，从经济性、实用性、安全性等多个方面都有所表现。
目前我国各大航空公司的飞行培训机构都已引进了以电动运动系统为基础的飞行模拟机，引进时间有长有短，但就目前各个单位的使用反应情况来看，电动运动系统的稳定性还是很不错的，故障率少、使用方便、准确度高，这些优点理所应当受到了使用客户的欢迎，当然这也是CAE公司主推的运动系统模块，相信这也会慢慢成为今后模拟机运动系统的主流趋势。