气源辅助式电动运动系统在飞行模拟机上的应用

[摘 要]本文简述了应用行模拟机的气源辅助式电动运动系统的结构和工作原理。

[关键词]气源，电动运动系统，电动作动筒，伺服放大器，FMDS、MACS软件

中图分类号：V278.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0374-01

一. 引言

飞行模拟机是在地面上人工营造一个仿真的环境，以模拟飞行器在整个飞行过程中的各种飞行条件、飞行状态和飞行环境。这个仿真环境主要由座舱仪表系统、视景系统、运动系统、音响系统等几大部分构成，从而形成一个交互式的视、听、感三觉合一的虚拟飞行环境。在这个环境中，飞行员可以无风险地进行各种科目的训练。运动系统是模拟机重要的组成部分，它以六自由度运动平台的结构形式，承载模拟飞行座舱，并在计算机实时控制下，产生多种姿态的六自由度瞬时过载仿真，如俯仰、偏航、横滚、升降、侧向纵向平移等。从而使飞行员感受到飞行过程中产生的过载动感、重力分量的持续感以及抖动冲击等信息。现代应用于模拟机的主要是液压运动系统，但随着大功率直流电机和矢量控制技术的发展，电动运动系统开始逐步替代液压运动系统，它具有作动筒走位精确、噪音低、无污染等特点。其中，以荷兰MOOG公司的E-Cue 636-8000i电动运动系统尤为突出，他利用辅助气源为作动筒提供高压空气以支撑静载荷，电机执行计算机指令驱动作动筒产生加速度，从而逼真地仿真了飞机的运动感觉。

二. 气源辅助式电动运动系统的结构

E-Cue 636-8000i电动运动系统主要由三部分组成：6自由度运动平台、气源系统、控制系统。六自由度运动平台结构如图一所示。

它主要由运动基座、作动筒、平台和相关的高压气管，电缆等设备组成。运动平台由三个独立的地面基座安装于地面，在每一个地面基座上由一个铰接组件连接两个电动作动筒。铰接组件由滚珠轴承和圆锥轴承构成二自由度旋转结构。与之对应的是连接连接作动筒和运动平台的三个上部基座，由二自由度旋转滚珠轴承铰接组件构成。运动平台上就可以安装飞行模拟机训练舱室，作为容纳设备和人员的空间。

电动作动筒的主体是由滑动轴承连接的钢制伸缩套管电动缸体结构，他的内部结合了一个空气承压活塞和一台直流无刷电机。在运动平台需要升起时，空气活塞由气源供给10bar的气压，承担平台升起至中立位的静载荷。直流无刷电机的转子与电动缸中的传动滚珠丝杠连接，滚珠丝杠再与活塞连接。在直流电机动作时，丝杠将直流电机转子的旋转运动转化为直线运动，推动活塞运动，六个作动筒在计算机的指令下协同动作，从而使运动平台产生六自由度运动。滚珠丝杠传动机构具有良好的加速性，承载力，其抗振动性能也极为优越，能制造出强烈的瞬时加速度和持续受力感。

辅助气源系统由空压机、缓冲储气罐、空气干燥机、主储气罐等组成，并由承压软管相连接。如图二所示。

主储气罐直接与电动作动筒气压活塞缸相连并提供压力。在升起平台时由此压力推动六个作动筒至中立位，因此，平台升起至中立位的静载荷完全由气压承担，电动作动筒中的电机只是在飞机机动时根据运动计算机指令做加速、减速动作，从而大大减轻了电机的负载，降低了电机的发热和磨损。同时，电机的尺寸也可以减小而适合内置到作动筒内。

运动控制柜主要由运动计算机、伺服放大器、逻辑安全电路和相应的电气控制电路组成。它们与安装在电动作动筒上的编码器和位置传感器构成了完整的闭环控制电路，并提供了人为干预和维护运动系统的人机界面。

三. 气源辅助式电动运动系统的工作原理

E-Cue 636-8000i气源辅助式电动运动系统中，控制整个系统工作的核心是运动计算机和伺服放大器，它们与安装在电动作动筒上的编码器和位置传感器构成了完整的闭环控制电路。系统机构如图三

在模拟飞行过程中，模拟机的主控计算机进行飞行数学模型的解算，并将解算出来的飞机在各种飞行状态下的飞行参数下发到运动计算机。飞行参数主要包括俯仰、偏航、横滚三个轴向的角速度、角加速度、线加速度及姿态角等参数。运动计算机中的软件模块FMDS（FCS运动驱动软件）将这些参数依据运动驱动算法转换为六个作动筒的协同动作从而形成运动平台的线加速和角加速运动，模拟出接近真实的飞行过程中的动感体验。

运动计算机通过Canbus总线与伺服放大器接口，同时它通过DI/DO接口卡与作动筒位置传感器和安全逻辑电路借口，构成闭环控制回路。运行在运动计算机中的软件模块MACS（运动控制器软件）控制每个作动筒的状态，并以速度、位置、加速度作为反馈，在FDMS指令下解算闭环伺服数学模型。MACS模块还具有速度和动态加速度限制功能，在作动筒伸出至极限位置或在回收时限制其动作速度和加速度。伺服放大器将MACS模块解算的作动筒信号经滤波、放大后直接输出给电动作动筒内置的直流无刷电机，控制电机的动作。同时，它还通过传感器监控电机的转速、电流、温度，当这些参数超限时，伺服放大器可直接停止电机工作并激活作动筒机械刹车，使作动筒立即处于冻结状态，避免意外事故发生。

运动计算机通过TCP/IP协议与模拟机主控计算机组成局域网进行数据通信。同时局域网上可以连接维护计算机以监控运动系统状态和调试各项参数。

四. 结束语

E-Cue 636-8000i电动运动系统在国内已应用于新舟600、CJ1等机型的飞行模拟机。在实际运行中，充分体现了这一系统达到了很高的成熟度，具有运行稳定，可维护性好的特点。使用此运动系统的飞行模拟机的仿真环境也达到很高的逼真度，使飞行员在训练中真正能够视、听、感三觉合一，极大地提高了训练质量。