全动飞行模拟机的 运动系统之四 登机桥篇
贺光武
摘 要：全动飞行模拟器的六自由度运动系统，它给提供模拟器在空间x、y、z三个直角坐标轴方向的直线运动自由度（对应于前后、左右、上下）和绕坐标轴的转动自由度（对应于俯仰、翻滚、偏航）。六自由度运动系统保证机组训练的真实度。运动系统实现方式由最初传统的液压系统，到目前改进的电动系统（EMM）以及电液混合系统（EM2K）来实现，达到节能、环保的目的。本文主要介绍电动系统和EM2K系统实现方式和在使用维护过程中的特点。
关键词：运动系统；EM2K系统；EMM系统
1 概述
全动飞行模拟器（FFS ，Full Flight Simulator）是用于培训飞行员以获取、拓展、保持其飞行技能的飞行训练设备。运动系统是全动飞行模拟器的重要组成部分，通过模拟机计算机系统运行特定的飞行数据包，来驱动运动平台按照真飞机的各种姿态和速度动作，提供给训练机组逼真的训练环境。我公司现有的四台全动模拟器中，有L3公司的EM2K运动系统和CAE公司全电运动系统，这两家公司的全动模拟器是目前最成熟和最先进的产品。EM2K（Electro hydro-dynamic Motion 2K）由L3公司在原有液压运动系统的基础上改进的电液混合运动系统，该系统省去了传统的液压房以及相应的管道，相比传统液压系统能够节省90%的液压油。EM2K是一种高性能、低能耗的运动系统。CAE公司的电运动系统（EMM）由MOOG公司提供，该系统相比传统液压系统有根本性的变化，整个运动平台的六个作动筒各配有一个电机，通过电机来驱动作动筒的运动。
2 EM2K系统
2.1 组成部件介绍
①预充压部件（Pre-Charge Unit），在整个EM2K系统中，图1中的PCU部件的功能代替了传统液压系统中的HPU的功能，PCU部件由油箱、油滤、电机以及控制单元组成。在加载的过程中，PCU的电机开始工作将油箱里的液压油通过管路传输到图1中的部件4和部件10中。在整个系统中，每个作动筒可以分成Headside（下部腔体）与Rodside（上部腔体）两部分。每个Headside与1个28L的储能瓶相连，6个作动筒的Rodside部分与1个54L的储能瓶相连。PCU由液压油箱、驱动电机和伺服变频控制单元（VCU）组成。②作动筒驱动模块（Jack Drive Module），图1中的部件JDM用来给液压油提供压力以支撑作动筒的运动，每个JDM部件由两个液压驱动模块组成。每个液压驱动模块由相应的电机、液压泵、控制阀门组成，用来驱动和控制对应相连的作动筒Headside和储能瓶，保持液压在运动过程中的压力平衡。③数字伺服驱动部件（Digital Servo Drive），即图1中的部件5，简称AMP。它是模拟机计算机系统控制运动系统的主要组件。AMP作为EM2K系统的接口组件，主要用来接受模拟机计算机传输过来的位置信号，经过AMP处理后转化成能够驱动和控制JDM无刷电机，电机在两个不同的方向进行加速或者减速工作，来完成做动筒的送油和回油控制，是平台的姿态和速度能够满足训练的需要。运动系统控制柜。在图2的运动系统链路中，主机HOST中有板卡主要负责运动系统的任务运行，该板卡通过HSSL光纤链路与运动运动控制柜中的硬件通信。④运动控制柜（Motion Cabinet）是操作运动系统的平台，主要包括运动电源分配模块（EMPD1个）、运动控制开关模块（EMCP3个）、运动和负荷系统控制模块（ECMCU1个）。在ECMCU中装有四张MHI卡，主要负责和HOST计算机之间的光纤通信，用来负责将计算机发出的驱动信号转化成不同硬件的使能信号，同时将收集各个传感器信号量。
2.2 工作过程简介
在运动系统整个链路正常状态下，通过运动控制柜上的操作面板可对运动系统进行操作。第一阶段：预充压（PRE-CHARGE）阶段。在运动系统预充压的时候，图1中的PCU在VCU的控制下工作，对6个28L的Headside储能器和1个54L的Rodside储能器充压，同时推吊桥提供液压。各个储能器都有压力传感器监控压力值，在各自的冲压阀和释放阀的控制下，使液压油的压力达到设定的数值。此时，PCU停止继续加压进入备用状态，根据下阶段的运动系统状态和要求的压力值实时启动运行。第二阶段：运行（ENGAGED）阶段。运动系统可以通过驾驶舱教员操作台的按钮或者运动控制的相关按钮启动运行模式。此时，JDM模块中的电机开始工作，使作动筒下部腔体的油压升高、油量增加直到将整个模拟器平台顶升至中立位置。在飞行阶段开始后，此时HOST计算机根据运行数据发出控制命令，对6个作动筒的行程进行实时控制，以满足飞行姿态的需要。第三阶段：卸载（DIS-ENGAGED）阶段。当完成训练需要将模拟器平台放下是，JDM中的电机开始反向工作，将作动筒下部腔体内的液压油抽回到与之相连的储能瓶中，相关的控制阀门也会同时工作，使整个运动系统的压力恢复到预充压的状态。在运动系统运行过程中，只要整个安全链路上的任何一个节点状态异常，将导致系统进入中断状态，此时PCU和JDM均断电停止工作，所有的释放阀打开，作动筒下部腔体在节流阀的控制下，使作动筒平稳缩回，从而使模拟器平台安全放下。
3 EMM系统
CAE公司的电动运动系统平台由MOOG公司提供，该EMM运动系统采用全新的电动作动筒来驱动整个驾驶舱平台。图3中的方框为运动控制柜中的部件，运动系统的变压器将电源通过电磁过滤器（EMI）后接入运动控制柜。EMI对电磁干扰的过滤作用是双向的，不仅可以过滤输入外电对运动系统的干扰，可以抑制运动系统对其他设备的干扰。
3.1 组成部件介绍
①电动作动筒（ElectroMechanical Actuator）是整个EMM系统的重要组成部件。驱动作动筒的无刷直流电机直接与作动筒整合为一体，电机内的定子上电后，驱动转子转动，转子转动后将驱动伸缩杆运动，通过作动筒内的机械部件将电机的转动量转换为作动筒伸缩杆的线性运动。②每个作动筒都有一个与之连接的驱动部件，即作动筒驱动（MOTOR DRIVE）。每个驱动部件由两个模块组成：电源模块和控制模块。电源模块用于将输入的交流电源转换成直流电源提供给作动筒上的直流无刷电机，控制模块是运动控制柜与作动筒电机的接口。控制模块与电机的编码器连接通信，为控制模块提供位置和速度信息，从而使MOOG计算机能够时刻监控作动筒的工作状态。同时在运动启动的过程中，MOOG计算机上的配置文件会通过运动系统内部通信加载到控制模块，使作动筒按照设置的参数工作。③作动筒归位部件（RTH），归位部件（Return To Home）是在运动系统出现故障或者紧急情况时，电动作动筒能够安全地完全回缩，使运动平台归位。比如在EPO情况下，内部链路检测到故障条件，同时接通48V直流电源，由电池组提供给RTH供电，RTH开始接通动态阻滞电阻电路，使作动筒缩回过程中产生的电动势能够被阻滞电路消耗掉。④接口板卡（IFB），在运动控制柜中，IFB起着信号路由和信号处理的作用。该板卡包含一个可编程门阵列单元、监控电路以及各种保险原件。主要处理将24V直流电源输出到控制的部件、监控作动筒的各种开关、驱动部件部件的信号处理、归位部件的信号处理以及MOOG计算机的信号路由和处理等。因此，该板卡在整个EMM系统中非常重要，板卡的异常直接导致整个运动系统无法正常工作。⑤MOOG计算机，MOOG计算机作为整个EMM系统的核心控制部件，运行控制系统软件。通过1394高速网络与模拟机的控制运动的HOST计算机连接，实现对运动系统的实时控制。
3.2 工作过程简介
与传统的液压驱动的运动系统类似，在EMM系统中也存在安全链路，只有整个链路上的所有节点均正常，保持整个环路的闭合，运动系统才能正常运行。在所有部件运行正常的前提下，模拟机正常加载以后，EMM系统由模拟机的HOST计算机来远程控制。在加载的过程中，模拟机HOST计算机与MOOG计算机通信。MOOG计算机将运行系统软件，同时将各种配置文件加载到相关的硬件中，为运动系统的运行准备。加载完成后，通过驾驶舱的运动控制按钮可以激活运动系统，由HOST根据发出的指令来控制EMM系统的运行。在液压驱动的运动系统中，在出现异常状况时，液压管路上的各种释放阀同时工作，将作动筒的下部腔体中的液压油导入导入回流管路，使模拟机平台安全归位。在EMM系统中，同样存在类似的工作部件，至少由RTH部件代替各种释放阀，阻滞电阻将作动筒回缩后电机产生的电能消耗掉。
4 使用维护特点
对于EM2K系统，由于继续保留液压油驱动作动筒，只是加入电机和电动泵给液压油加压，各种控制阀门、加压管路和回油管路接头较多，经过长时间的运行后，这些管路接头处容易出现液压油的渗漏情况。运行一定时期后，需要定期对这些管路接头处的密封圈进行更换。作动筒的上部腔体和下部腔体都有与之对应的储能瓶，为了保证系统的正常运行，这些储能瓶中充的氮气必须保持一定的压力值，需要定期对储能瓶的气压进行测试和补充氮气。
对于EMM系统，由于采用的全新的电机驱动作动筒，没有液压管路和管路控制阀，完全消除了液压油渗漏的情况，为维护带来了很大的便利。需要定期对作动筒内部的润滑油进行更换，保证作动筒正常工作。在EMM系统的控制柜中，布置着大量电子控制部件用来对电动作动筒进行控制和监控。这些控制部件之间也组成一个完整的安全链路，只有各个部件状态正常才能保证系统的运行。
参考文献：
[1]刘长华.飞行模拟器数字式操纵负荷系统的仿真及实现[J].中国民航飞行学院学报，2005（03）.
[2]杨宇.飞行模拟器动感模拟关键技术研究[D].哈尔滨工业大学，2010.
