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　　摘要：无人机全电刹车系统在减小失火风险、减轻飞机重量、降低维护要求以及显著改善刹车力矩控制和防滑性能方面，都有着传统液压刹车系统无法比拟的优势。本文以国产某型民用无人运输机为例，对其全电刹车系统进行架构设计与研究，提出一套架构成熟、结构简单、高可靠性的全电刹车系统方案。本文系统梳理了全电刹车技术的国内外发展现状与趋势，阐述了飞机刹车制动的基本原理及系统架构，设计了基于速度差加压力偏调控制的防滑控制算法和刹车力矩闭环控制策略，并对核心执行部件机电作动器的组成与工作原理进行了详细分析。通过理论计算与地面滑行试验验证，证实了该设计方案与预期要求的符合性，为后续同类系统设计提供了技术参考。

　　随着电力驱动技术日趋成熟，全球范围内电动技术产品的产业化进程持续加速。相较于传统液压制动装置，全电制动系统在安全性、综合效能、运行可靠性、维护便捷性、轻量化设计及成本效益等多个维度均展现出显著优势。正因如此，研发并推广全电制动系统以逐步替代现有液压制动装置，已成为现代交通技术发展的不可逆转的趋势。

　　从航空领域来看，全电刹车系统的发展经历了从概念验证到工程应用的渐进过程。国际上，波音787梦想客机率先在民用运输类飞机上应用了全电刹车系统，该系统由赛峰起落架系统公司（原古德里奇公司）研制，是世界首款在商用飞机上获得认证的电刹车系统，其采用“即插即用”设计，可实时评估碳盘磨损状态，显著提高了机队可用性。波音787电刹车系统代表了第六代电刹车技术，集成了模块化作动器和机载刹车磨损与系统健康监测功能。SAE发布的AIR5937报告系统描述了军用和商用飞机电刹车系统的设计、运行及特性，标志着该领域已形成初步的行业规范。

　　国内方面，随着《中国制造2025》和《“十四五”民用航空发展规划》等国家政策的推动，无人机产业迎来了前所未有的发展机遇，全电刹车系统作为无人机的关键技术子系统，也进入了快速发展阶段。据市场研究机构预测，2024年全球无人机用电控刹车市场规模约为7800万美元，预计到2031年将达到1.36亿美元，年复合增长率为8.5%。2025至2030年间，全球及中国飞机电刹车控制系统行业将迎来显著增长，市场规模预计将以年均复合增长率约10%的速度扩张，其中中国市场将占据约35%的份额，有望成为全球最大的电刹车控制系统市场。

　　在技术研究层面，国内外学者围绕全电刹车系统的控制策略、作动器设计和系统建模等方面开展了大量工作。在防滑控制领域，传统PID控制方法已得到广泛应用，但由于飞机刹车系统是具有强非线性和不确定性的复杂时变系统，常规PID控制难以达到高性能控制的要求。近年来，模糊控制、滑模变结构控制、迭代学习控制等先进控制算法被引入刹车系统设计中。在机电作动器研究方面，学者们建立了无刷直流电机驱动滚珠丝杠的机电作动器数学模型，并对作动器的结构参数和控制策略进行了深入研究。

　　作为航空领域迅猛发展的新一代智能装备，无人机凭借其紧凑型结构体积与轻量化整机质量的技术优势，为全电制动技术的工程化实施创造了理想的应用平台。本研究聚焦国内某型处于研发阶段的无人运输机技术验证样机，着重解析其全电制动系统的整体架构与创新设计特征，并在此基础上构建了适配性设计方案。

　　飞机在地面滑跑过程中的刹车制动，本质上依靠刹车时机轮轮胎与跑道表面之间产生的结合力来实现减速。结合力越大，飞机减速越快，刹车距离越短。在无人机重量一定的条件下，影响结合力矩大小的核心因素是结合系数（亦称摩擦系数）。结合系数并非一个固定值，它不仅与滑移率、机轮载荷、机轮速度和跑道状况直接相关，还受到轮胎尺寸、形状以及充气压力的影响。

　　滑移率是表征机轮运动状态的关键参数，定义为机轮圆周速度与飞机前进速度之间的相对差异。理论研究和工程实践均表明，结合系数与滑移率之间呈现典型的非线性关系：在滑移率较小时，结合系数随滑移率增大而迅速上升；当滑移率处于10%～15%区间时，结合系数达到最大值；此后若滑移率继续增大，结合系数反而下降，机轮趋向打滑甚至抱死状态。因此，刹车控制系统的主要任务即在整个刹车过程中使滑移率始终保持在最佳滑移率附近，从而获得最大结合系数，使刹车系统发挥最优刹车效率，有效缩短飞机刹车距离。

　　无人机全电刹车系统由刹车控制盒、机电作动器、刹车装置以及机轮速度传感器四部分组成。系统的工作原理如下：飞机着陆后，当主机轮接地超过2 s或主机轮轮速达到规定值后，飞管系统根据飞机状态发出刹车指令信号至刹车控制器，刹车控制器根据刹车指令输出相应的刹车控制信号至功率驱动模块，功率驱动模块输出对应占空比的PWM信号，控制无刷直流电机通过驱动滚珠丝杠向刹车盘施加轴向推力，经由动、静刹车盘的相互摩擦，将刹车力矩施加于机轮，实现飞机的刹车减速功能。

　　与此同时，安装于主机轮内的机轮速度传感器实时检测主机轮转速并反馈给刹车控制器，刹车控制器将其与飞机速度信号进行比较计算，得出当前实际滑移率。通过实际滑移率与期望滑移率的比较，其差值经PID控制后得出对应的防滑控制信号，反馈给初始刹车指令信号，实现防滑控制功能。整个系统构成一个以滑移率为被控对象的闭环反馈控制系统，确保在变化的跑道条件和飞机状态下均能维持最佳的刹车效能。

　　飞机防滑刹车系统是一个复杂的非线性时变系统，其被控对象具有严重的不确定性。应用常规的PID控制方法对防滑刹车系统进行调节，其控制效果并不理想，难以达到系统高性能控制的要求。

　　针对上述问题，本文采用速度差加压力偏调（PD+PBM）控制的防滑控制算法。速度差是指系统设定的参考速度与当前实际机轮速度之间的差值，以此作为控制信号进行控制。其中，PBM（Pressure Bias Modulation，压力偏调）级是控制盒最为关键的一级，刹车效率的提高主要是通过对这一级的放电特性进行改善而取得。偏压控制能使系统根据不同的跑道状态和打滑特性产生一个相对稳定的输出分量，以提高系统的刹车效率，能够保证在每次打滑解除后系统有足够的时间将刹车压力维持在较低水平，防止二次打滑的迅速产生。

　　机轮速度调节器主要由方波级、机轮速度级、基准速度级、比较级、防滑控制级、瞬时级、PBM级、微分级、综合级和驱动级等功能模块组成。

　　基准速度的选取是防滑控制的核心环节之一。基准速度一般有以下几种选取原则：一是以自由滚动的前机轮速度作为基准速度；二是以飞机GPS地速（或其他速度源）作为基准速度；三是以主机轮速度中的较大者作为基准速度。本控制方案选择第三种方式，使主机轮速度按照预定的减速率衰减作为基准速度，并持续与实际主机轮速度进行比较。当主机轮速度大于基准速度时，将主机轮速度赋值给基准速度作为新的基准速度；当主机轮速度小于基准速度时，则继续使用原基准速度。该方法在工程实现上较为简便，且对双主机轮布局的无人机具有良好的适用性。

　　刹车力矩控制是全电刹车系统具有刹车力反馈的设计特点。系统通过实时监控力反馈结果并将其与控制输入进行比较，实现力矩的闭环控制，解决了因摩擦系数变化、温度效应等因素带来的力矩波动问题，使实际刹车力矩准确跟踪目标力矩，为系统提供稳定且可预测的刹车响应。

　　全电刹车系统带力矩反馈的特点决定了其控制盒内需包含三个控制环节：机轮速度调节、刹车力矩调节和电机调速系统，分别采用带压力偏调的PID控制、PID控制和电流转速双闭环调速系统。其中，机轮速度调节器承担防滑控制功能，刹车力矩调节器确保力输出精度，电机调速系统则实现对无刷直流电机的精确转速和转矩控制。三环控制架构层次分明、功能解耦，有效地保证了全电刹车系统的综合性能。

　　刹车机电作动器（Electro-Mechanical Actuator, EMA）作为刹车系统的最终执行部件，直接决定了系统性能是否能够满足预定的设计要求，对系统的设计和功能实现至关重要。机电作动器的作用是将控制器输出的控制电信号直接转化为刹车压力，是全电刹车系统中最重要的能量转化模块。本系统所使用的机电作动器主要由永磁无刷直流电机、减速机构、滚珠丝杠和压力传感器等部件组成。

　　永磁无刷直流电机是一型永磁无刷方波电机，主要由电机本体、控制电路和转子位置传感器组成。其中，电机定子绕组采用互为120°的三相绕组，由刹车控制器提供方波驱动信号，使其产生相应的励磁磁场；电机转子由稀土永磁体构成，具有体积小、功率密度高的优点；采用霍尔传感器检测转子位置，根据转子位置控制功率开关，实现定子绕组不同的通电顺序，使定子和转子之间产生持续的电磁转矩。

　　无刷直流电机在机电作动器中的应用具有多项优势：其转子无绕组，不存在电刷磨损和换向火花问题，可靠性高；稀土永磁材料的使用使电机在相同体积下能够输出更大的转矩，满足刹车系统对功率密度的苛刻要求；此外，方波驱动方式控制简单，易于与数字刹车控制器集成。

　　减速机构位于电机输出轴与滚珠丝杠之间，其作用是将电机的高速低扭矩旋转运动转换为低速高扭矩输出，以满足刹车夹紧力对力矩和转速的要求。减速机构通常采用多级齿轮传动方案，通过合理的传动比设计，使电机工作在高效转速区间的同时为滚珠丝杠提供足够的驱动扭矩。

　　减速机构的传动比设计需综合考虑电机的额定转速和扭矩特性、滚珠丝杠的导程和承载能力，以及刹车响应的动态要求。较大的传动比有利于提高输出扭矩，但会降低响应速度；较小的传动比则有利于提高响应速度，但对电机扭矩要求更高。因此，减速机构的设计需要在扭矩和响应速度之间寻求平衡。

　　滚珠丝杠是一种新型的螺旋传动元件，通过在丝杠与螺母之间安装滚珠，使两者之间的相对运动由滑动变为滚动，极大降低了摩擦系数，传动效率可达90%以上，是普通丝杠的2～4倍。

　　对于全电刹车系统而言，滚珠丝杠一个非常重要的特性是其运动的可逆性，这是机电作动机构双余度设计的基础。普通丝杠因摩擦力矩很大而产生自锁，其运动不具有可逆性，只能将回转运动变为直线运动。而滚珠丝杠的摩擦力矩很小，逆传动效率很高，没有自锁效应，不仅可以将回转运动变为直线运动，还能将直线运动转换为回转运动。这一特性在全电刹车系统中具有极为重要的安全意义：在机轮被机电作动机构刹死的情况下，若电机故障卡死，使用普通丝杠将无法实现松刹，可能导致拖胎、爆胎等严重事故；而使用滚珠丝杠时，系统判断电机故障后切断电机供电，丝杠能够被自动弹回，不影响其他正常作动器的工作，从而保证了系统在故障状态下的安全裕度。

　　机电作动器内布置有一种压感式压力传感器。当作动器活塞头伸出压紧刹车盘时，刹车盘对作动器活塞的反作用力将滚珠丝杠后端与压力传感器压紧，使压力传感器产生微变形，输出对应的电压信号至刹车控制器。刹车控制器对电压信号解算后可得出相应的刹车压力。

　　压力传感器为刹车力矩闭环控制提供了关键的量测信息，使系统能够实时感知作动器的实际输出力，并通过反馈调节确保实际刹车力矩与目标力矩的一致性，是保证系统刹车性能稳定性和可重复性的关键部件。

　　刹车系统的性能设计需基于飞机的总体参数和技术指标进行。主要技术参数包括：飞机最大起飞重量、着陆重量、着陆速度、机轮尺寸与规格、刹车装置的热容量要求、最大刹车力矩需求以及系统的响应时间指标等。这些参数共同决定了机电作动器的输出力需求、电机的功率等级、滚珠丝杠的承载能力和减速机构的传动比等关键设计参数。

　　基于飞机着陆动力学模型，可对刹车系统的性能进行理论计算。计算内容主要包括：飞机着陆后的动能分析、所需刹车力矩的估算、不同跑道条件下的刹车距离预测以及刹车装置的热容量校核等。

　　理论计算结果表明，本方案设计的全电刹车系统能够在预定的着陆条件下满足刹车性能要求。在正常干跑道条件下，系统能够在规定的刹车距离内安全刹停飞机；在湿跑道或低结合系数条件下，防滑控制系统能够有效防止机轮打滑，保持飞机方向稳定性。刹车装置的热容量设计留有足够的裕度，能够承受连续起降工况下的热载荷。理论计算结果为后续的地面滑行试验验证提供了基准参考。

　　为验证刹车系统产品装机后的功能性能是否满足前期设计要求，开展了不同滑行速度下的地面滑行试验。试验通过机上监控的刹车速度、刹车指令以及作动器输出的刹车压力等数据，绘制了系统工作曲线图。

　　由刹车系统试验曲线可以看出，整个刹车过程中飞机减速平稳，刹车作动器能够及时响应刹车指令。当发生机轮打滑时，系统防滑功能能够迅速介入，通过降低刹车压力使滑移率回归正常范围，有效防止了机轮抱死和拖胎现象。刹车系统整体工作状态良好，各项性能指标均能满足预定的设计要求。

　　试验结果表明，本文提出的全电刹车系统设计方案在功能完整性、控制精度和响应特性等方面均达到了预期目标。系统架构的合理性和控制算法的有效性得到了充分验证，为后续该型无人运输机的适航取证和批量装备奠定了技术基础。

　　随着航空工业向多电/全电化方向持续发展，全电刹车系统作为多电飞机的重要子系统，正面临新一轮的技术升级与产业化机遇。从技术发展趋势来看，以下几个方向值得重点关注：

　　一是先进控制算法的工程化应用。当前，模糊控制、滑模变结构控制、模型预测控制等先进算法在理论层面已取得了丰富的研究成果，但从仿真验证到工程实装的转化仍面临实时性、可靠性和鲁棒性等挑战。如何将这些先进算法有效嵌入机载刹车控制器的实时计算平台，是下一阶段的重要研究方向。

　　二是机电作动器的进一步轻量化与集成化。新型永磁材料、高精度滚珠丝杠/行星滚柱丝杠以及先进减速机构的应用，有望进一步降低作动器的体积和重量，提升其功率密度和可靠性。一体化盘式作动器构型和多作动器协同控制策略也是当前的研究热点。

　　三是智能化健康管理与预测维护。借助传感器融合和人工智能技术，电刹车系统可以实现刹车盘磨损的实时监测、剩余寿命预测和故障预警，从而大幅降低维护成本和停机时间，提高机队可用率。

　　四是适航认证体系的完善。随着无人机及eVTOL等新型航空器的快速发展，针对全电刹车系统的适航标准和技术规范尚需进一步完善。CTSO-C26d等现行标准为刹车系统的适航审定提供了基本框架，但针对全电刹车系统的专用审定要求仍有待细化。

　　从市场前景来看，全球无人机用电控刹车市场正处于快速增长期，中国市场凭借完整开云科技的产业链和日益增长的内需市场，有望在全球竞争中占据重要地位。可以预见，随着电动技术的进一步成熟和航空电动化浪潮的推进，全电刹车系统将在更广泛的航空平台上得到应用，成为下一代飞机刹车系统的主流技术方案。

　　本文以国产某型民用无人运输机为研究对象，对其全电刹车系统进行了系统化的架构设计与研究。在深入分析飞机刹车制动原理的基础上，提出了包含刹车控制盒、机电作动器、刹车装置和机轮速度传感器的系统总体架构，并详细设计了基于速度差加压力偏调控制的防滑控制算法和刹车力矩闭环控制策略。对核心执行部件机电作动器的组成与工作原理进行了全面分析，重点阐述了永磁无刷直流电机、减速机构、滚珠丝杠和压力传感器的设计要点。通过理论计算和地面滑行试验验证，表明该系统架构设计合理可行，各项性能指标满足设计要求。

　　本研究成果为该型无人运输机全电刹车系统的工程实现提供了完整的技术方案，同时可为同类无人机全电刹车系统的设计提供有益的参考与借鉴。

　　湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。

　　公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。

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　　湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。

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