CN101492091A - 一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器 - Google Patents

Abstract

一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，包括控制芯片、输入接口电路、转矩调节电路、过流保护电路，螺旋桨转速设定信号通过输入接口电路输入至控制芯片，控制芯片识别转速设定信号并与接收的转速反馈值比较，根据比较结果控制转矩调节电路调节转矩电机，当转矩电机调节到极限位置时，转矩调节电路回路中电流增大，过流保护电路作用并产生过流信号，控制芯片识别该过流信号，并根据过流信号持续时间的长短进行转矩调节控制。本发明实现了转速调节的自动设定和转矩调节的远程控制，操作人员在地面通过遥控设备或机载飞行控制系统对螺旋桨转速设定值进行实时修改，增强了无人机螺旋桨系统的可检测性，提高了无人机的可靠性、燃油经济性和机动性。

Description

一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器

技术领域

本发明涉及一种螺旋桨变矩控制器，尤其涉及一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，可以通过机载飞行控制系统或无线遥控来设定螺旋桨转速。

背景技术

飞机用螺旋桨可分为定(桨)矩和变(桨)矩螺旋桨两大类。定矩螺旋桨的桨矩是固定的；其构造简单、重量轻，但只在选定的速度范围内效率较高，在其他状态下效率较低。变矩螺旋桨解决了定矩螺旋桨高、低速性能的矛盾；其有一套由液压或电力驱动的变矩机构。最先进的变矩桨是带有变矩控制器的恒速螺旋桨，变矩控制器实际上是一个能根据螺旋桨转速自动调节桨矩、保持螺旋桨转速恒定的装置。目前常见的螺旋桨变矩控制器都为有人机用的，驾驶员根据飞行需要实时设定转速。恒速螺旋桨未能广泛应用于无人机的最大原因就在于根据飞行需要修改转速设定值的功能在现有型号的螺旋桨中都是要由驾驶员操作的，无法实现自动设定。随着近年无人机研究越来越得到各国重视，如何把恒速螺旋桨应用于无人机上成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，增强了无人飞行器螺旋桨系统的可检测性，提高了无人飞行器的可靠性、燃油经济性和机动性。

本发明的技术方案是：一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，包括控制芯片、输入接口电路、转矩调节电路、过流保护电路，螺旋桨转速设定信号通过输入接口电路输入至控制芯片，控制芯片识别转速设定信号并与接收的转速反馈值做比较，根据比较结果控制转矩调节电路调节转矩电机，当转矩电机调节到极限位置时，转矩调节电路回路中电流增大，过流保护电路作用并产生过流信号，控制芯片识别该过流信号，并根据过流信号持续时间的长短进行转矩调节控制。

所述的控制芯片采用MSP430F149型控制器芯片。

所述的转矩调节电路包括功率开关管、四片光耦继电器，功率开关管、限流电阻R和四片光耦继电器构成H桥电路，当功率开关管的IN1、IN2引脚为高电平，IN3、IN4引脚为低电平时，其中两个光耦继电器导通，转矩电机向高转矩变化；当功率开关管的IN1、IN2引脚为低电平，IN3、IN4引脚为高电平时，另两个光耦继电器导通，控制转矩电机向低转矩变化。

所述的功率开关管为L6220，光耦继电器为AQZ202。

所述的电流保护电路包括变阻器、跟随器、比较器、MOS管、电流传感器、I-V转换电路、电阻R1、电阻R2、电容C1、二极管D7组成，变阻器的滑动端与跟随器的正输入端连接，跟随器的输出接比较器的正输入端，比较器的输出通过电阻R2接MOS管的源极，MOS管的栅极接电源的正极，漏极经过电流传感器、I-V转换电路接转矩调节电路和控制芯片，电阻R1与电容C1串联接在比较器的负输入端和输出端，二极管D7并联接在MOS管的栅极和漏极。

本发明与现有技术相比的优点是：现有恒速螺旋桨变矩控制器都为有人机使用，其转速设定、转矩调节只能依靠手动。本发明将恒速螺旋桨应用于无人机上，实现了转速调节的自动设定和转矩调节的远程控制，本发明的特点在于操作人员可以在地面通过遥控设备或机载飞行控制系统对螺旋桨转速设定值进行实时修改，增强了无人机螺旋桨系统的可检测性，提高了无人飞行器的可靠性、燃油经济性和机动性。

附图说明

图1为本发明的组成结构框图；

图2为本发明的工作原理框图；

图3为本发明控制芯片的原理图；

图4为本发明转矩调节电路的工作原理图；

图5为本发明过流保护电路的工作原理图；

图6为本发明指示电路的原理图；

图7为本发明工作电源的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括控制芯片、输入接口电路、转矩调节电路、过流保护电路、电源和输出接口。飞行控制系统的螺旋桨转速设定信号通过输入接口电路输入至控制芯片，控制芯片识别转速设定信号并与接收的转速反馈值做比较，根据比较结果来控制转矩调节电路调节转矩电机，从而调节螺旋桨桨矩，使螺旋桨转速值接近设定的转速值，达到螺旋桨恒速的目的。过流保护电路具有电流传感器和I～V转换电路两极冗余的保护方式，使控制器工作更加可靠。当转矩电机调节到极限位置时，转矩调节电路回路中电流增大，过流保护电路作用，过流保护电路产生过流信号，控制芯片识别过流电流信号，并对过流脉宽进行判断，如果脉宽值小于设定的脉宽门限，则控制芯片不进入保护模式，否则，控制芯片进入极限保护模式。

如图2所示，控制芯片采集转速反馈值，与转速设定值进行比较，如果转速反馈值小于转速设定值，控制器就会发出转矩调节信号，使桨矩向小桨矩方向变化。转矩电机正常运转过流保护电路不起作用，MOS管打开，当转矩到达最小位置时由于行程开关的作用，会在转矩调节电路的电源通路中形成一个过电流，过电流形成过流信号，过流信号通过一个比较器使MOS管关闭；MOS管关闭后过电流消失，同时过流信号也消失，MOS管又会打开，如果此时转速反馈值仍然小于转速设定值，则控制器继续发出向小桨矩方向变化的转矩调节信号，当螺旋桨转矩达到极限位置，在转矩调节电路的电源通路中又会形成一个过电流，如果转速反馈值总处在小于转速设定值的状态下，控制器内部转矩调节电路会陷入一种周期性的过流状态中，时间一长势必要损坏电路。为了防止这种情况的出现，控制芯片会识别过流信号，判断过流信号的宽度，如果在一定时间内脉宽超过门限值，就认为转矩已经到达极限位置，记忆转矩极限状态，锁定相应的转矩控制信号，进入“保护模式”后，MOS管打开，转矩调节电路的控制端无转矩调节信号，使控制器进入“保护状态”从而避免由于控制的不合理使控制器长时间处于过流状态。

由图3所示，控制器芯片30采用美国Texas Instruments(TI)公司生产的MSP430F149，该芯片具有1.8～3.6V宽供电电压，具有5种低功耗模式和丰富的功能模块，先进的16位RISC架构使其具有高速的运算能力，指令周期125ns，可以满足本控制系统开发的需要。其外围电路包括由IMP809构成的复位电路31、主时钟电路32和辅助时钟电路33，IMP809作为上电复位芯片，主时钟电路32选择8MHz的XT2，辅助时钟电路33选择32768Hz时钟，。

输入接口电路由MAX1482构成RS422串口，负责在飞行控制系统和螺旋桨控制器间传输控制命令信号和反馈信号。

如图4所示，转矩调节电路由控制芯片通过L6220功率开关管使四片AQZ202光耦继电器40、41、42、43成组导通，因为转矩电机44为直流电机，所以通过改变它的供电极性就可以达到控制转矩的目的。当L6220功率开关管45的9、10引脚为高电平，15、16引脚为低电平时，AQZ202光耦继电器41和AQZ202光耦继电器43导通，转矩电机向高转矩变化；当L6220功率开关管45的9、10引脚为低电平，15、16引脚为高电平时，AQZ202光耦继电器40和AQZ202光耦继电器42导通，转矩电机向低转矩变化。

如图5所示，电流保护电路包括变阻器50、跟随器51、比较器52、MOS管53、电流传感器、I-V转换电路、电阻R1、电阻R2、电容C1、二极管D7组成，变阻器50的滑动端与跟随器51的正输入端连接，跟随器51的输出接比较器52的正输入端，比较器的输出通过电阻R2接MOS管53的源极，MOS管53的栅极接电源的正极，漏极经过电流传感器、I-V转换电路接转矩调节电路和控制芯片，电阻R1与电容C1串联接在比较器52的负输入端和输出端，二极管D7并联接在MOS管的栅极和漏极。MOS管53的开断可以通过预设电流门限值与反馈电流值的比较来控制，从而起到过流保护的作用，过流门限值通过一个5K的变阻器50与跟随器51设定，门限值稳定在1.4V左右，反馈电流值取自过流信号，二极管D7对MOS管53进行保护。MOS管处于打开状态时，电源经过电流传感器、I-V转换电路接入转矩调节电路，电阻R1和电容C1用于防止转矩电机启动时产生的大电流被误认为过电流。

如图6所示，螺旋桨变矩控制器内还包括一个指示电路，该电路由两个NPN型三极管(60、62)和一个绿色的LED小灯61组成，主要指示控制器上电自检状态，当控制器上电时，小灯亮表示螺旋桨变矩控制器正在自检，自检完毕时，小灯熄灭表示螺旋桨变矩自检正常。

如图7所示，螺旋桨变矩控制器的电源由PKV3211直流DC-DC模块70和MAX882模块71组成，PKV3211把28V电源变为5V，MAX882则把5V转变成给控制芯片供电的3.3V。

Claims (6)

1、一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，其特征在于包括：控制芯片、输入接口电路、转矩调节电路、过流保护电路，螺旋桨转速设定信号通过输入接口电路输入至控制芯片，控制芯片识别转速设定信号并与接收的转速反馈值做比较，根据比较结果控制转矩调节电路调节转矩电机，当转矩电机调节到极限位置时，转矩调节电路回路中电流增大，过流保护电路作用并产生过流信号，控制芯片识别该过流信号，并根据过流信号持续时间的长短进行转矩调节控制。

2、如权利要求1所述的一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，其特征在于：所述的控制芯片采用MSP430F149型控制器芯片。

3、如权利要求1所述的一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，其特征在于：所述的转矩调节电路包括功率开关管(45)、光耦继电器(40、41、42、43)，功率开关管(45)、限流电阻R和光耦继电器(40、41、42、43)构成H桥电路，当功率开关管(45)的IN1、IN2引脚为高电平，IN3、IN4引脚为低电平时，光耦继电器(41)和光耦继电器(43)导通，转矩电机向高转矩变化；当功率开关管(45)的IN1、IN2引脚为低电平，IN3、IN4引脚为高电平时，光耦继电器(40)和光耦继电器(42)导通，控制转矩电机向低转矩变化。

4、如权利要求3所述的一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，其特征在于：所述的功率开关管(45)为L6220，所述的光耦继电器(40、41、42、43)为AQZ202。

5、如权利要求1所述的一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，其特征在于：所述的电流保护电路包括变阻器(50)、跟随器(51)、比较器(52)、MOS管(53)、电流传感器、I-V转换电路、电阻R1、电阻R2、电容C1、二极管D7组成，变阻器(50)的滑动端与跟随器(51)的正输入端连接，跟随器(51)的输出接比较器(52)的正输入端，比较器的输出通过电阻R2接MOS管(53)的源极，MOS管(53)的栅极接电源的正极，MOS管(53)的漏极经过电流传感器、I-V转换电路接转矩调节电路和控制芯片，电阻R1与电容C1串联接在比较器(52)的负输入端和输出端，二极管D7并联接在MOS管(53)的栅极和漏极。

6、如权利要求1所述的一种适用于无人机的螺旋桨变矩控制器，其特征在于：所述的输入接口电路采用串行接口。

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