CN101879942A - 一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统 - Google Patents

Abstract

一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统，包括：四个第一固态继电器，组成H桥电路。一个第二固态继电器，与第一固态继电器相连。一个第一电磁继电器，与第二固态继电器及起动机相连。一个大功率二极管，连接第一固态继电器与第二固态继电器。一个滑油压力开关，连接设备供电电源与第二固态继电器。一个瞬态抑制二极管，连接在起动离合器两端。一个着陆开关，安装至直升机起落架附近。一个着陆信号处理电路，与着陆开关相连。一个互锁放大电路，连接至第一固态继电器。两个霍尔转速传感器，安装至发动机及旋翼传动轴处。两个第二电磁继电器，分别连接左、右磁电机。一个单片机，与互锁放大电路、第二固态继电器、第二电磁继电器相连。

Description

一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统

技术领域

本发明为一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统，涉及自动控制领域，特别涉及直升机旋翼的自动控制。尤其涉及到直升机旋翼的自动接合、脱开。

背景技术

在直升机中，发动机向旋翼系统传递功率的一种方式是带传动，通过离合器拉动惰轮将传动皮带拉紧，实现发动机与旋翼系统的功率传递。

在直升机传动系统中安装两个离合器，即起动离合器和自转离合器。起动离合器保证发动机的空载起动，以及发动机转速稳定到怠速范围之后实现旋翼接合、脱开。自转离合器保证在发动机停车时，旋翼系统与发动机脱开，实现直升机的自转降落。自转离合器通常采取单向轴承，即发动机可以向旋翼系统传递功率，而旋翼系统不会向发动机传递功率。起动离合器通常采用一个可以正反转的电机，通过电机的正转或反转，实现传动皮带的拉紧与放松，进而控制发动机与旋翼系统的接合或者脱开。

控制旋翼系统接合时，在传动皮带刚开始拉紧的瞬间，发动机转速下降很大，此时如果继续拉紧传动皮带，则发动机由于无法提供足够的功率而熄火。

在旋翼系统处于未完全接合的状态下，如果发动机转速长时间超出怠速范围，易损坏发动机的传动轴。主要表现在：

1.在传动皮带放松过程中，由于突然卸载，发动机转速会突然增加，若油门未提前收缩至合适位置，发动机转速将会超出怠速范围。

2.在发动机起动完成后，若油门收缩不及时，发动机转速将会超出怠速范围。本发明的目的即解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统，实时采集直升机的发动机转速及旋翼转速，控制直升机旋翼自动接合、脱开，防止发动机转速变化过大；实现在旋翼接合的情况下，直升机的地面起动保护及空中正常起动；实现空中直升机旋翼脱开保护。

一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统，包括：

四个第一固态继电器，组成H桥电路，控制起动离合器内部电机正反转。

一个第二固态继电器，与所述第一固态继电器相连，控制第一电磁继电器接通或断开。

一个第一电磁继电器，与第二固态继电器及起动机相连，控制起动机起动。

一个大功率二极管，连接第一固态继电器与第二固态继电器，在旋翼脱开的状态下接通第二固态继电器的供电电路。

一个滑油压力开关，连接设备供电电源与第二固态继电器，在空中飞行时接通第二固态继电器的供电电路。

一个瞬态抑制二极管，连接在起动离合器两端，为起动离合器内部电机产生的瞬态电动势提供导流回路。

一个着陆开关，安装至直升机起落架附近，感受直升机着陆状态。

一个着陆信号处理电路，与所述着陆开关相连，将着陆信号处理后发送至单片机。

一个互锁放大电路，连接至第一固态继电器，将单片机输出指令放大，防止H桥电路出现直通现象；采集着陆信号，防止飞行过程中旋翼意外脱开。

两个霍尔转速传感器，安装至发动机及旋翼传动轴处，实时采集当前发动机转速与旋翼转速。

两个第二电磁继电器，分别连接至左、右磁电机，控制磁电机接地。

一个单片机，与互锁放大电路、第二固态继电器、第二电磁继电器相连，接收控制命令，采集转速及起动离合器告警信号，输出控制指令。

综上所述，一个大功率二极管与H桥电路一起，构成了地面状态下为第二固态继电器供电的电路。一个滑油压力开关，构成了飞行状态下为第二固态继电器供电的电路。当直升机处于地面时，只有H桥电路保证旋翼处于脱开状态，才可起动发动机。防止发动机带载起动，有效的保护了发动机。当直升机处于空中飞行时，滑油压力开关可以为第二固态继电器应急供电，保证了发动机空中停车时快速起动。

发动机起动瞬时需要增大油门，起动完成后，若飞行员或飞控计算机不能及时收缩油门，发动机转速将会超出怠速范围。当单片机监测到转速在旋翼未完全接合的状态下超出怠速范围后，即控制第二电磁继电器导通，将磁电机接地，使发动机不工作，直至发动机转速下降至怠速范围内，再控制第二电磁继电器断开，使发动机工作。磁电机反复接地，直至飞行员或飞控计算机收缩油门。

发动机起动完成后，将发动机转速稳定至怠速范围内，待发动机暖机完成后，即接合旋翼。单片机接收到旋翼自动接合命令后，对相应I/O口置位，控制互锁、放大电路相应回路导通，进而控制H桥电路，接通起动离合器。此时，传动皮带慢慢拉紧，旋翼开始接合。当监测到发动机转速下降超出怠速范围时，单片机发出保持指令，断开H桥电路，此时起动离合器处于保持状态(维持当前位置不动)。传动皮带停止拉紧，维持当前旋翼接合状态。当监测到旋翼转速增加到预期转速时，再次接通起动离合器，传动皮带继续拉紧，旋翼继续接合，直至起动离合器运动至机械限位处，此时传动皮带完全拉紧，旋翼完全接合。

在整个接合过程中，单片机对发动机转速进行监控，当发动机转速下降过大时，即停止起动离合器的接通。此时传动皮带停止拉紧，发动机输出轴上不再继续增加负载，发动机转速有足够时间恢复至怠速范围内。防止了继续加载导致的发动机短时间内输出功率不足而熄火。

直升机着陆后，将发动机转速稳定至怠速范围内，待发动机气缸温度下降至额定值后，即脱开旋翼。单片机接收到旋翼自动脱开命令后，对相应I/O口置位，控制互锁、放大电路相应回路导通，进而控制H桥电路，接通起动离合器。此时，传动皮带慢慢放松，旋翼开始脱开。在旋翼脱开过程中，由于突然卸载，发动机在当前油门下转速会突然增加。当监测到转速在旋翼未完全接合的状态下超出怠速范围后，即控制第二电磁继电器导通，将磁电机接地，使发动机不工作，直至发动机转速下降至怠速范围内，再控制第二电磁继电器断开，使发动机工作。磁电机反复接地，直至飞行员或飞控计算机收缩油门。

本发明的优点是：

第一，通过转速的反馈自动控制旋翼接合、脱开过程，稳定性、可靠性高，有利于保护发动机及传动系统。

第二，具有较高的安全性。具有防止H桥电路直通的互锁保护功能；具有防止旋翼空中脱开的保护功能；具有发动机空中停车重新起动功能；具有发动机地面起动保护功能。

第三，易于实现。具有通用的接口，控制电路简单。

附图说明

图1是控制起动离合器动作的控制电路；

图2(a)(b)是单片机控制指令的互锁、放大电路；

图3是着陆信号处理电路；

图4是左、右磁电机控制电路；

图5是单片机控制电路；

图6是旋翼自动接合操作流程；

图7(a)旋翼自动脱开操作流程图；

图7(b)是旋翼始终脱开操作流程图；

图8是转速保护流程。

图中具体标号如下：

101～104第一固态继电器                105瞬态抑制二极管.

106起动离合器        107大功率二极管  108滑油压力开关

109第二固态继电器    110第一电磁继电器111起动机

112设备电源Vcc       113设备电源Gnd   114信号电源Gnd0

115信号电源Vd        120或门          121～122或非门

123～124电阻         125～126三极管   127～128电容

129～130二极管       131～132电阻     133～134电容

135或门              136～137或非门   138～139电阻

140～141三极管       142～143电容     144～145二极管

146～147二极管       148～149电容     150电阻

151光耦              152电阻          153着陆开关

154～155第二电磁继电器                160单片机

161～163三极管

201～216供电线      301～314信号线    330～332信号线

具体实施方式

本实施例中设备电源Vcc 112为直升机机载设备供电电源正，本直升机采用低压直流供电，即28V。设备电源Gnd 113为直升机机载设备供电电源负，同时接直升机外壳(称为直升机地)。信号电源Vd 115为经过DC/DC变换后的低压电源，此处为5V，单片机等供电即采用此电源。信号电源Gnd0 114与直升机地不通，以防止外界干扰对信号的影响。

在发动机传动轴和旋翼传动轴处各对称安装6个磁钢，并各安装一个霍尔转速传感器与磁钢对准(图中未画出)。当发动机及旋翼转动时，霍尔转速传感器采集到转速脉冲信号，经过信号线送至单片机160。本实施方案采用的单片机型号为C8051F410。

在单片机内部，通过对每读到6个脉冲的时间进行计时，计算当前发动机及旋翼转速。计算公式如下，其中时间T的单位为ms，转速N的单位为r/min。

$N=\frac{1}{T}*60*1000$

图1所示为起动离合器106实现正反转的控制电路。

由四个第一固态继电器101～104搭建的H桥回路，当第一固态继电器101、103接通时，起动离合器106的电机反转，传动皮带慢慢放松，此时实现的是旋翼脱开功能。在旋翼脱开过程中，起动离合器106通过信号线308发出高电平。当起动离合器106的电机反转至机械限位后，即旋翼脱开完成后，通过信号线308发出低电平。此时，供电电源Vcc通过供电线201、第一固态继电器101、供电线205、213、大功率二极管107、供电线214到达第二固态继电器109。此时，若发出起动指令，将控制第二固态继电器109接通，进而控制第一电磁继电器110接通，电源Vcc通过第一电磁继电器110、供电线211供电至起动机111，此时起动机111转动，起动发动机。

当第一固态继电器102、104接通时，起动离合器106的电机正转，传动皮带慢慢拉紧，此时实现的是旋翼接合功能。在旋翼接合过程中，起动离合器106通过信号线309发出高电平。当起动离合器106的电机正转至机械限位后，即旋翼接合完成后，通过信号线309发出低电平。此时由供电电源Vcc至大功率二极管107的电路被切断，即此时无法实现起动。防止在旋翼接合的情况下发动机误起动，有效的保护了发动机。

当第一固态继电器101～104全部断开时，起动离合器106的电机停止转动，传动皮带维持当前位置，此时实现的是旋翼保持功能。

当直升机在空中飞行时，旋翼处于接合状态。一旦发动机突然停车，需要尽快起动发动机，而且此时旋翼处于高速旋转状态，故发动机重新起动时负载远小于地面起动时的负载。故增加滑油压力开关108，它测量的是旋翼传动系统中的滑油压力。只有当旋翼旋转，并达到一定转速时，滑油压力开关108才闭合。此时供电电源Vcc通过滑油压力开关108供电至第二固态继电器109，此时只要发出起动命令，即可起动发动机。在供电电源Vcc通过第一固态继电器101供电至第二固态继电器109的电路上，放置大功率二极管107，是防止当滑油压力开关108接合时，供电电源Vcc经供电线214回流至H桥回路，造成起动离合器106误动作。

当H桥电路由导通至断开时，起动离合器106的电机由正转到停止(或者由反转到停止)，起动离合器106内部将会产生一个瞬态电动势。由于此时H桥电路已经断开，导致起动离合器106内部产生的电动势无法释放，故在起动离合器106两端并联一个瞬态抑制二极管105，为起动离合器106产生的瞬态电动势提供导流回路。

图2所示为单片机160控制指令的互锁、放大电路。其中图a部分控制第一固态继电器101、104，图b部分控制第一固态继电器102、103。

当某一时刻单片机160(见图5)发出旋翼脱开指令时，到达信号线311、313的控制指令为低电平，到达信号线312、314的控制指令为高电平。则或非门122、136输出低电平，三极管126、140不通，输出控制信号至304、302亦为低电平，则第一固态继电器104、102(见图1)不通。此时或非门121、137的输入端b为低电平。

若此时直升机处于着陆状态，则或门120(135)输出低电平，即此时或非门121(137)的输入端a为低电平，则或非门121(137)输出高电平。高电平信号经过限流电阻123(139)至三极管125(141)的基极b。此时三极管125(141)导通，输出控制信号至信号线301(303)亦为高电平，则第一固态继电器101(103)(见图1)导通。

由此防止了第一固态继电器101、104或者102、103同时导通，避免H桥电路出现直通现象而短路。

当某一时刻单片机160发出旋翼接合指令时，到达信号电路311、313的控制指令为高电平，到达信号线312、314的控制指令为低电平。各元器件开关状态正好相反，三极管125、141不通，三极管126、140导通。则第一固态继电器101、103不通，第一固态继电器102、104导通。

在或非门121、137输入端增加了对着陆信号(见图3)的采集，主要目的是防止在直升机飞行时单片机160发出错误命令，而导致起动离合器106内部电机反转，旋翼脱开，发生危险。只有在直升机着陆后，互锁、放大电路才可最终发出旋翼脱开指令。

在或非门121(137)输出端c与或非门122(136)输入端a之间放置了二极管129(145)、限流电阻131(147)及电容127(143)。当着陆后发出旋翼脱开指令时，或非门121(137)输出端c为高电平，第一固态继电器101(103)导通，起动离合器106的电机反转，旋翼脱开。该高电平经过二极管129(145)迅速为电容127(143)充电，保证或非门122(136)输入端a迅速达到高电平。此时或非门122(136)的输出立即被钳制在低电平，防止了第一固态继电器104(102)同时导通，有效的避免了由于单片机160错误指令而导致的H桥直通现象。

之后，当发出旋翼接合指令时，或非门121(137)输出端c降为低电平，第一固态继电器101(103)不通，起动离合器106的电机停止。此时电容127(143)通过限流电阻131(147)缓慢放电，或非门122(136)输入端a将保持一段时间的高电平。这段时间内，或非门122(136)输出为低电平，即此时H桥电路全都不通。只有在或非门122(136)输入端a降至低电平后，或非门122(136)输出才为高电平，第一固态继电器104(102)导通，起动离合器106的电机正转，旋翼接合。保证了在起动离合器106的电机由反转至正转之间有一定的时间间隔，避免了起动离合器106的电机突然由反转至正转时内部产生大电流而被烧毁。

同样的道理，可避免起动离合器106的电机突然从正转至反转时产生大电流而被烧毁。

图3所示为着陆信号处理电路。

当直升机着陆后，着陆开关153接通，此时光耦151控制端导通，光耦输出端亦随之导通。则着陆信号此时为低电平，通过信号线310输出。当直升机起飞后，着陆开关153断开，此时光耦不通，则着陆信号为高电平。通过此处理电路，将直升机地与信号电源地隔离，以防止外界干扰对信号的影响。该着陆信号通过信号线310传输至或门120、135输入端(见图2)。

图4所示为左、右磁电机的控制电路，左、右磁电机未画出。

在旋翼未完全接合的状态下，如果单片机160监测到发动机转速超出1800r/min，则发出左右磁电机接地命令。即通过信号线306、307输出高电平至第二电磁继电器154、155，使第二电磁继电器154、155接通，则左、右磁电机的励磁电路与直升机地短接，励磁电路不再打火，发动机不工作。由于发动机瞬时不工作，发动机转速下降，当转速降至1700r/min以下后，发出左右磁电机工作命令。即通过信号线306、307输出低电平至第二电磁继电器154、155，使第二电磁继电器154、155断开，则左、右磁电机的励磁电路与直升机地断开，左、右磁电机正常工作。

左、右磁电机反复接地，直至飞行员或飞控计算机将油门收小，保证在旋翼未完全接合的状态下，发动机转速稳定在怠速范围以内。

图5所示为单片机160的控制电路。

单片机160通过信号线331、332实时采集发动机、旋翼转速。通过信号线330实时与外界设备进行RS422通信，接收旋翼自动接合、脱开及始终脱开指令，并将当前发动机转速、旋翼转速发送至外界设备。通过信号线305～307、311～314发出控制指令。通过信号线308、309监测旋翼是否完全脱开、接合。

单片机160内部程序运行周期为20ms，即转速计算、控制指令发送、串口通信每20ms执行一次。

图6为旋翼自动接合操作流程。

发动机起动完成后，将发动机转速稳定在怠速范围内，待发动机气缸温度超过200°F后，飞行员或飞控计算机即发送旋翼自动接合命令。

当单片机160接收到旋翼自动接合命令后即开始如下自动接合流程。图中N₀为发出旋翼接合指令时发动机的稳定转速，N_Engine为当前周期内发动机转速，N_Rotor为当前周期内旋翼转速。

单片机160首先发出旋翼保持指令，10个运行周期后，再发出旋翼接合指令，此举是为了从软件上避免出现起动离合器106从反转到正转到情况。在起动离合器106接通之前，先控制其断开10个周期，即0.2s。记录下这10个周期内的发动机转速N_Engine，计算出发动机转速平均值N₀。

发出旋翼接合指令后，起动离合器106接通，传动皮带慢慢拉紧。当监测到当前周期内发动机转速N_Engine与开始接合时的稳定转速N₀相差超过120r/min时，即发出旋翼保持指令。H桥电路断开，起动离合器106停止动作，传动皮带停止拉紧。

之后，单片机160开始监测旋翼转速N_Rotor是否上升至120r/min。当旋翼转速N_Rotor大于120r/min后，即发出旋翼接合指令。起动离合器106接通，传动皮带继续拉紧。当监测到信号线309传送信号为低电平时，表示起动离合器106已运行至机械限位，传动皮带完全拉紧，旋翼完全接合。发送旋翼保持指令，断开H桥电路，使起动离合器106保持在当前位置，自动接合流程完成。此时旋翼与发动机的转速比为0.147。

图7(a)是旋翼自动脱开操作流程。

直升机着陆后，将发动机转速稳定至怠速范围内，待发动机气缸温度低于240°F后，飞行员或飞控计算机即发送旋翼自动脱开命令。

当接收到旋翼自动脱开命令后即开始如下自动脱开流程。

单片机160发出首先发出旋翼保持指令，10个运行周期后，再发出旋翼脱开指令。此举是为了从软件上避免出现起动离合器106从正转到反转到情况。在起动离合器106接通之前，先控制其断开10个周期，即0.2s。

旋翼脱开指令后，起动离合器106接通，传动皮带慢慢放松。当监测到信号线308传送信号为低电平时，表示起动离合器106已运行至机械限位，传动皮带完全放松，旋翼完全脱开。发出旋翼保持指令，断开H桥电路，使起动离合器106保持在当前位置，自动脱开流程完成。断开H桥电路，可防止飞行员或飞控计算机误发出的起动指令被执行。

图7(b)是旋翼始终脱开操作流程。

直升机起飞前需要起动发动机，此时飞行员或飞控计算机发送旋翼始终脱开命令。

当接收到始终脱开命令后，即开始如下始终脱开流程。

单片机160将发出旋翼脱开指令，H桥电路导通。H桥电路通过大功率二极管107为第二固态继电器109供电，保证起动可以被执行。起动完毕后，飞行员或飞控计算机发送旋翼保持命令，单片机160将发出旋翼保持指令，H桥电路断开。防止飞行员或飞控计算机在发动机已起动的情况下再次误起动发动机。

图8是转速保护流程。在旋翼处于未完全接合的状态时，保护流程启动。每个运行周期内都会执行一次，直至旋翼完全接合完毕后，该保护流程关闭，自动退出。N_Engine为当前周期内发动机转速，N_Rotor为当前周期内旋翼转速。

在旋翼未完全接合的状态下(即旋翼转速与发动机转速的比值小于额定转速比0.147)，如果单片机160监测到发动机转速N_Engine超出1800r/min，则发出左、右磁电机接地命令。此时左、右磁电机的励磁电路与直升机地短接，励磁电路不再打火，发动机不工作，转速下降。当发动机转速N_Engine下降至1700r/min以下时，即发出左右磁电机工作命令。此时左、右磁电机的励磁电路与直升机地断开，发动机正常工作。

左、右磁电机反复接地，直至飞行员或飞控计算机将油门收小，保证在旋翼未完全接合的状态下，发动机转速稳定在怠速范围以内。

Claims (1)

1.一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统，其特征在于：该控制系统包括：

四个第一固态继电器，组成H桥电路，控制起动离合器内部电机正反转；

一个第二固态继电器，与所述第一固态继电器相连，控制第一电磁继电器接通或断开；

一个第一电磁继电器，与第二固态继电器及起动机相连，控制起动机起动；

一个大功率二极管，连接第一固态继电器与第二固态继电器，在旋翼脱开的状态下接通第二固态继电器的供电电路；

一个滑油压力开关，连接设备供电电源与第二固态继电器，在空中飞行时接通第二固态继电器的供电电路；

一个瞬态抑制二极管，连接在起动离合器两端，为起动离合器内部电机产生的瞬态电动势提供导流回路；

一个着陆开关，安装至直升机起落架附近，感受直升机着陆状态；

一个着陆信号处理电路，与所述着陆开关相连，将着陆信号处理后发送至单片机；

一个互锁放大电路，连接至第一固态继电器，将单片机输出指令放大，防止H桥电路出现直通现象；采集着陆信号，防止飞行过程中旋翼意外脱开；

两个霍尔转速传感器，安装至发动机及旋翼传动轴处，实时采集当前发动机转速与旋翼转速；

两个第二电磁继电器，分别连接至左、右磁电机，控制磁电机接地；

一个单片机，与互锁放大电路、第二固态继电器、第二电磁继电器相连，接收控制命令，采集转速及起动离合器告警信号，输出控制指令。

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