飞机电动前轮操纵系统测试装置设计与应用

张晓娟，刘可娜，王 山，任 杰

（成都飞机工业（集团）有限责任公司 技术中心，成都 610092）

现代飞机向全电飞机发展，飞机的机载作动系统已开始由液压驱动发展为电作动方式。飞机上出现了电动前轮操纵系统[1]。任一系统在装机使用之前，必须完成试验台试验。试验台应具备对系统接口、功能、性能的检验，模拟系统使用中在各种载荷下的性能，模拟系统的故障及故障影响，对系统的寿命进行摸底和考核等。本文针对某电动前轮操纵系统设计了一套测试装置，并于2017年10月成功应用某飞机电动前轮转弯系统的测试，2018年3月完成了故障注入、寿命等系列试验。

1 测试装置概述

电动前轮操纵系统主要功能是与飞控计算机通讯、驱动前轮偏转、具备BIT能力、具备电气调零等；主要性能指标有前轮转弯角度、转弯角度精度、响应时间、自由偏转角度、操纵力矩等[2]。为配合电动前轮操纵系统的研究，需建立相应的测试装置。电动前轮操纵装置通过齿轮副传动实现前轮转弯。测试装置应模拟机上的电气及机械接口、对电动前轮操纵装置的功能和性能进行检验，应能进行系统寿命试验。

2 测试装置技术要求及组成

2.1 技术要求

测试装置应模拟机上的电气及机械接口、对电动前轮操纵装置的功能和性能进行检验，应能进行系统寿命试验。

测试装置应能模拟电动前轮转弯系统的电气和机械接口。电气接口：电动前轮转弯系统与机上飞管计算机通过RS422通讯、由配电装置提供28 V电源。机械接口：电动前轮转弯系统通过2个螺栓安装在前起落架上，其输出齿轮与前起落架上的齿轮啮合。

测试装置应能对电动前轮操纵系统进行加载，测试操纵力矩，操纵力矩范围0～70 Nm。

测试装置应配备位置传感器，测量前轮转弯角度，角度范围 0～25°，角度误差±0.5°。测试装置需提供28 V电源，并监测、采集电流。测试装置需设置安全保护装置，防止损坏机载产品。

测试装置应能对电动前轮操纵系统的启动力矩进行测试，产品启动力矩范围0～8 Nm。

2.2 测试装置组成

依据以上技术要求，设计了一套测试装置。测试装置包括测控系统和机械系统两部分[3-5]。

测控系统主要包括便携式计算机、加载控制器、电机驱动器、USB采集卡、调理电路、28 V直流电源、24 V直流电源等。

机械系统主要包括移动小车、联轴器、力矩电机、编码器、扭矩传感器、支架、起落架齿轮试验件、起落架套筒安装接口试验件等。

测试装置示意图如图1所示。机械系统安装在移动小车台面上，移动小车具有刹车功能，防止试验过程中小车移动；测控系统放置在小车下部柜子里，小车车体上设有抽屉，放置便携式计算机。整个测试装置安装布局紧凑、体积小、具有可移动性。

图1 测试装置外形示意Fig.1 Appearance of the test device

3 测试装置原理

测试装置原理框图如图2所示。便携式计算机模拟机上飞管计算机，通过RS422与前轮操纵控制盒通讯，对电动前轮操纵系统进行控制。测试前轮操纵系统的输出扭矩指标、额定加载下的转弯速率时，由便携式计算机通过以太网给加载控制器发送加载信号，通过电机驱动器控制加载电机，加载控制器采集力矩信号，进行加载电机的闭环控制。便携式计算机通过USB采集卡实时监控前轮操纵系统的转弯角度、供电电流及加载力矩。

图2 测试装置原理框图Fig.2 Principle diagram of the test device

便携式计算机实时监控加载力矩值，当超过力矩门限值时，切断力矩电机供电，保护机载产品，防止出现堵转情况。

转弯角度、速率、供电电流测量：便携式计算机控制加载电机输出一定扭矩（即前轮操纵系统的额定输出力矩），发送转弯角度，采集编码器角度值，对比指令、编码器及前轮操纵系统反馈的角度，进行转弯角度测量及转弯精度测量，同时可测得转弯速率；便携式计算机采集电流信号，记录启动电流及加载过程中电流值。

自由偏转角度测量：前轮操纵系统不工作，由加载电机带动旋转至限位位置，读取角度值；

启动力矩测量：前轮操纵系统的启动力矩过大，会影响前轮的回中能力。测量启动力矩时，前轮操纵系统不工作，由便携式计算机发送缓慢的力矩斜坡上升指令，观察转弯角度反馈值，当角度发生变化时，记录扭矩传感器的值，此值为起落架端的力矩，需除以减速比即前轮转弯操纵系统的启动力矩。

机械系统的安装示意图如图3所示。图中4和5模拟起落架上的机械接口，电动前轮操纵系统中执行机构安装在5上，其输出齿轮与4进行啮合传动；6检测前轮偏转角度；3检测扭矩；1为加载电机，其输出轴设有限位块，模拟起落架上的自由偏转角度限制。

图3 机械系统安装示意Fig.3 Installation diagram of the mechanical part

4 测试装置主要元件及参数

1）加载电机

前轮操纵系统所需加载力矩为逆向载荷，前轮操纵系统工作时，加载电机工作在连续堵转状态，本试验台选力矩电机，额定电压28 VDC，连续堵转转矩94.9 Nm，峰值堵转转矩284.6 Nm，连续堵转电流5.4 A；力矩电机加载时工作在连续堵转状态，最大加载力矩60 Nm，小于堵转转矩，满足使用要求。

2）编码器

编码器选用POSITAL的绝对式旋转编码器，具有尺寸小、抗高振动和冲击等优点。输入24 VDC，单圈分辨率12位，保证测试精度要求。

3）扭矩传感器

扭矩传感器采用应变式原理，通过集流环，电刷实现供电和信号输出，精度高，稳定可靠，可测量正反方向的扭矩值。测量范围0～100 Nm，直线度±0.2，输出灵敏度1。

4）DSP加载控制器

加载控制器以TI公司的TMS320F28335为核心，DSP主频为150 MHz，指令6.67 ns，具有丰富的外设，满足加载控制器需求。

5）数据采集卡

数据采集卡选用研华的USB-4716采集卡，该采集卡为即插即用数据采集模块，无需打开机箱来安装板卡，仅需插上模块即可采集到数据。USB-4716提供了带有16位分辩率的16SE/8Diff输入，高达200 kS/s吞吐量，16路数字I/O和1个用户计数器，以及一个16位的模拟输出。

6）信号调理箱

信号调理箱具有隔离、滤波、放大和电流转电压的功能，USB采集卡放置在信号调理箱内，调理箱的尺寸大小为400 mm*350 mm*150 mm。

7）便携式计算机

工业便携式计算机选用具有Intelcore i5CPU、4 GB内存、1 TB硬盘、独立显卡笔记本。软件开发环境为Labwindows/CVI。

5 测试装置应用

该测试装置已经通过检验认证，具备资质，已完成对某型号电动前轮操纵系统的功能、性能检测、产品的出厂验收，并且在该测试装置上对电动前轮操纵系统进行了20000次加载工作循环的寿命试验。该测试装置能够对电动前轮操纵系统的所有功能、性能指标进行测试，开展系统寿命试验，试验过程中测试装置工作稳定、可靠，无故障出现。试验完成后，测试装置完好、可继续后续产品的相关试验工作。某型号电动前轮操纵系统的输出角度跟随指令的曲线如图4所示。

图4 前轮角度随指令变化曲线Fig.4 Nosewheel steering angle

6 结语

本文针对飞机电动前轮转弯系统，设计了一套地面测试设备，实现对电动前轮转弯系统的接口、功能、性能及寿命进行试验验证。该测试装置结构简单、体积小、空间布局紧凑、占用空间较小、用电功耗低、噪声小、操作方便，且具有可移动性，拆装运输方便。