CN104773284A - 一种直升机旋翼自动离合控制系统的改进设计 - Google Patents

Abstract

本发明对原发明的离合器控制电路进行了改进，防止出现离合器失控现象；实现离合器的“慢结合—快接合”两段式接合方式，减少离合器接合过程中的冲击度、滑摩功，增加设备的使用寿命；离合器接合过程中控制发动机转速保持稳定，防止损坏发动机轴或出现发动机熄火的现象，提高了专利2010102193000所描述的直升机旋翼自动离合控制系统的总体性能。

Description

一种直升机旋翼自动离合控制系统的改进设计

技术领域

本发明是对《一种具有安全保护功能的直升机旋翼自动离合控制系统》提出的改进设计，即针对专利号2010102193000提出的改进，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和发动机转速的控制。

背景技术

在专利2010102193000中，针对一种带传动的直升机，设计了一套控制起动离合器自动接合、脱离的方案，在离合器接合、脱离的过程中，控制电路和保护电路分别能够完成自动控制、安全保护的功能。

但是，在工程实践时发现：

1.由于保护电路的设计缺陷，H桥控制电路在多次周期往复的切换时出现电路同侧固态继电器同时导通导致电路短路的现象，此时固态继电器会烧毁，电机失控导致离合器失控。

2.在离合器接合的过程中，为了获得更好的接合品质，即冲击度、滑摩功尽可能小，需要控制离合器的接合速度，最佳接合方式是先进行慢结合，等旋翼转速达到一定值后，再进行快接合。

3.旋翼在未完全接合时，发动机转速长时间超出慢车转速范围，可能会损坏发动机传动轴；在旋翼在接合时，发动机转速下降过大，可能会造成熄火。因此有必要在离合器接合过程中保证发动机转速的稳定。

本发明即是针对以上问题，对原专利进行改进设计。

发明内容

本发明的目的是改进原发明的控制电路，防止出现离合器失控现象；实现离合器的“慢结合—快接合”两段式接合方式，减少离合器接合过程中的冲击度、滑摩功，增加设备的使用寿命；离合器接合过程中控制发动机转速保持稳定，防止损坏发动机轴或出现发动机熄火现象。

在改进控制电路方面，采用功率MOS管替代原电路中的固态继电器来搭建H桥电路的桥臂。上半桥臂采用P沟道的功率MOS管，下半桥臂采用N沟道的功率MOS管。为了简化电路，可以使用应用于直流电机的智能半桥驱动芯片，该类芯片内部具有自锁保护功能，由三部分组成：一个P沟道的功率MOS管，一个N沟道的功率MOS管和一个驱动晶片，两片这样的芯片可以组成H桥。其余的元器件与原控制电路中的元器件保持一致。

在改进离合器接合方式方面，离合器接合时，单片机对发送的脉冲控制信号进行调制(PWM)，改变脉冲列的占空比，脉冲列经过半桥驱动芯片的放大后，可以成比例控制离合器驱动电机(离合器舵机)两端的驱动电压，从而控制电机的转速来实现离合器接合速度的控制。当单片机调制控制脉冲信号占空比为1时，离合器舵机两端的电压就是电路的供电电压U，此时电机转速v最快，离合器进行的是快接合；当单片机调制控制脉冲信号占空比为d(0＜d＜1)时，离合器舵机两端的电压是d·U，此时电机转速为d·v，转速减慢，离合器接合速度减慢，离合器进行的是慢接合。

在改进控制接合过程中发动机转速稳定方面，在飞控程序中加入发动机转速稳定控制律，发动机起动完成后，飞控计算机打开转速稳定函数，发动机转速稳定在慢车转速，在离合器接合时，发动机转速因为负载而下降，飞控计算机可以根据当前周期内的发动机转速实时控制油门舵机，对发动机转速进行调节，使其恢复到慢车转速，离合器整个接合过程中，发动机转速可以在安全转速(发动机不会出现熄火)以上，并保持稳定。

本发明的优点是：

1.离合器控制电路安全稳定，可靠性高。半桥驱动芯片的引脚具有电流采集功能，可以利用这个引脚采集控制电路中的信号，反馈当前电路的状态，即离合器的控制状态。

2.离合器接合过程采用“慢结合—快接合”二段式接合，可以获得更好的接合品质，减小接合过程中的冲击度和滑摩功，增加了系统的使用寿命。

3.在离合器接合过程中，保持发动机的转速稳定，避免了由于突然加载导致发动机转速下降过大而造成发动机熄火等事故。

附图说明

图1是改进的离合器控制电路的原理图

图中具体标号含义如下(未改动的部分与原专利保持一致)：

Q1～Q4 功率MOS管                  105 瞬态抑制二极管

106 离合器驱动电机(离合器舵机)    107 大功率二极管

108 滑油压力开关    109 第二固态继电器    110 第一固态继电器

111 起动机          112 设备电源Vcc       113 设备电源Gnd

114 信号电源Gnd0    201～216  供电线

图2是选用的半桥驱动芯片BTS7970B的结构。

图3是将半桥驱动芯片接入离合器控制电路的电路图。

图中具体标号含义如下：

KE1 瞬态抑制二极管     DD1～DD2  大功率二极管

U1～U2 BTS7970B芯片    R301～R307  电阻    C401～C405  电容

图4是将脉冲控制信号占空比为1和0.8时，离合器舵机两端的电压变化情况。

(a)为占空比d＝1时的脉冲信号；

(b)为d＝1时，离合器舵机两端的电压U；

(c)为占空比d＝0.8时的脉冲信号；

(d)为d＝0.8时，离合器舵机两端的电压0.8U。

图5是离合器接合时，为保证发动机转速稳定而设计的控制律。

控制律采用转速前馈与反馈PID复合控制结构。n_g为发动机的目标转速，n_e为发动机实际转速，W_f为发动机风门开度控制量，△n为发动机实际转速与目标转速的差值，K_p为比例项，它随着发动机实际转速变化，K_i为积分项，在发动机实际转速接近额定转速时接入，K_d为微分项，在发动机实际转速接近额定转速时接通。

图6是离合器自动接合操作流程图。

具体实施方式

本发明是针对专利2010102193000进行的改进设计，故离合器的控制电路大部分保留原电路设计，电路中各个设备见原专利说明。下面结合附图对本改进设计做进一步的说明。

1.离合器控制电路的改进设计

图1是起动离合器106实现正反转的改进电路。由四个功率MOS管Q1～Q4搭建成的H桥回路，当功率MOS管Q1、Q4导通时，起动离合器106的电机反转，传动皮带慢慢放松，此时实现的是离合器脱离功能。当功率MOS管Q2、Q3导通时，起动离合器106的电机正转，传动皮带慢慢拉紧，此时实现的是离合器接合功能。当四个功率MOS管全部断开时，起动离合器106电机停止转动，传动皮带维持当前位置，此时实现的是离合器保持功能。

为简化电路，可以采用半桥驱动芯片实现上述功能，图2即所选用的BTS7970B型驱动芯片，该芯片满足电路需求，它由一个P沟道功率MOS管，一个N沟道功率MOS管和一个驱动晶片组成，两片这样的芯片即可搭建成H桥电路。

表格1是芯片BTS7970B各个引脚的功能。

表格1.芯片BTS7970B各个引脚的功能

图3是将两片BTS7970B芯片接入控制电路。

芯片的GND引脚接地；IN输入引脚连接一个10KΩ的电阻(R304、R306)后接收单片机发送的离合器控制结合/脱离信号；INH引脚连接一个10KΩ的电阻(R305、R307)，该引脚是芯片使能端，当设定为低电平时芯片进入休眠模式，为保证系统工作正常，此引脚接一个恒定的5V直流电源防止芯片进入休眠模式；OUT输出引脚与离合器舵机的左右两端连接，同时分别连接一个0.1μF的电容(C405、C406)后接地；SR引脚连接一个5.1KΩ的电阻(R302、R303)后接地；IS引脚具有电流取样功能，可以采集控制电路中的电流对离合器的接合/脱离情况进行反馈，同时连接一个1.5KΩ的电阻(R301)后接地；VS引脚连接24V直流电源，电源并联两个470μF的电容(C401、C402和C403、C404)后接地；另一个OUT引脚(8号)闲置。

起动离合器的两端连接一个型号为1.5KE33CA的瞬态抑制二极管KE1，为起动离合器内部电机产生瞬态电动势提供导流回路。两个型号为HER503的大功率二极管DD1和DD2能够使离合器在脱离状态下接通起动机控制电路中的固态继电器，保证只有在离合器脱开的状态下起动机才能起动，防止带载起动。

2.实现“慢结合—快接合”两段式接合方式

单片机发送脉冲信号到离合器控制电路，当MOS管Q2、Q3导通时，驱动离合器的电机正转，实现离合器接合。利用单片机对脉冲信号进行调制(PWM)，改变控制脉冲信号的占空比d。半桥驱动芯片对控制脉冲信号进行放大，并根据占空比的变化正比例改变驱动电机两端的驱动电压，因为电机的转速与驱动电压也成正比，而电机的转速决定离合器的接合速度，故改变脉冲信号的占空比可以相应地改变离合器的接合速度。图4(a)为占空比d＝1时的脉冲信号，此时离合器驱动电机两端的电压U即为供电电压(图4(b))，电机转速最快，离合器进行的是快接合；图4(c)为占空比d＝0.8时的脉冲信号，此时离合器驱动电机两端的电压为0.8U，如图4(d)所示，电机转速相应减慢，离合器进行的是慢接合。

3.实现离合器接合过程中发动机转速的稳定

离合器接合过程中，发动机由于负载，转速会下降。当转速过低时，发动机会熄火。为了避免这种情况发生，有必要在离合器接合过程中，控制发动机转速保持稳定。图5是飞控程序中加入的转速稳定控制律，控制律采用转速前馈与反馈PID(比例、积分、微分)复合控制结构。按照此控制律设计的转速稳定函数，可以在发动机转速下降时，使飞控给油门舵机控制器发送指令，油门舵机控制器推动油门舵机控制油门，使发动机转速恢复到目标转速。

图6是离合器自动接合流程图。发动机起动完成后，飞控计算机打开转速稳定函数，发动机转速N₀稳定在慢车转速，为了避免出现起动离合器从反转到正转的情况，在发送离合器接合指令之前，飞控计算机会先发送10个周期的离合器保持指令。当发动机气缸温度超过200°F之后，飞控发送离合器慢接合指令，离合器开始接合。发动机由于负载转速下降，如果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130r/min，飞控则发送离合器保持指令，此时在转速稳定函数的作用下，飞控根据采集的当前周期发动机转速N_Engine与稳定转速N₀来控制油门舵机，使N_Engine恢复到N₀。当旋翼转速N_Rotor上升到120r/min时，飞控发送离合器快接合指令，离合器接合直至机械极限位置，这个过程中转速稳定函数继续恢复发动机转速，直到离合器完全接合，H桥电路断开，离合器保持当前位置。此时旋翼与发动机的转速比为0.147，即离合器的传动比。

本发明改进了专利2010102193000中控制方法的不足，有效地优化了控制电路，增加了控制系统的可靠性；实现了离合器的两段式接合方式，减少了接合过程中的冲击度和滑摩功，获得了更好的接合品质，增加了系统的使用寿命；接合过程中添加了发动机转速稳定控制，保证接合过程的平稳、安全，对直升机自动离合控制系统具有重要意义。

Claims (4)

1.本发明的目的是改进原发明的控制电路，防止出现离合器失控现象；实现离合器的“慢结合—快接合”两段式接合方式，减少离合器接合过程中的冲击度、滑摩功，增加设备的使用寿命；离合器接合过程中控制发动机转速保持稳定，防止损坏发动机轴或出现发动机熄火现象。

2.在改进控制电路方面，采用功率MOS管替代原电路中的固态继电器来搭建H桥电路的桥臂。上半桥臂采用P沟道的功率MOS管，下半桥臂采用N沟道的功率MOS管。为了简化电路，可以使用应用于直流电机的智能半桥驱动芯片，该类芯片内部具有自锁保护功能，由三部分组成：一个P沟道的功率MOS管，一个N沟道的功率MOS管和一个驱动晶片，两片这样的芯片可以组成H桥。其余的元器件与原控制电路中的元器件保持一致。

3.在改进离合器接合方式方面，离合器接合时，单片机对发送的脉冲控制信号进行调制(PWM)，改变脉冲列的占空比，脉冲列经过半桥驱动芯片的放大后，可以成比例控制离合器驱动电机(离合器舵机)两端的驱动电压，从而控制电机的转速来实现离合器接合速度的控制。当单片机调制控制脉冲信号占空比为1时，离合器舵机两端的电压就是电路的供电电压U，此时电机转速v最快，离合器进行的是快接合；当单片机调制控制脉冲信号占空比为d(0＜d＜1)时，离合器舵机两端的电压是d·U，此时电机转速为d·v，转速减慢，离合器接合速度减慢，离合器进行的是慢接合。

4.在改进控制接合过程中发动机转速稳定方面，在飞控程序中加入发动机转速稳定控制律，发动机起动完成后，飞控计算机打开转速稳定函数，发动机转速稳定在慢车转速，在离合器接合时，发动机转速因为负载而下降，飞控计算机可以根据当前周期内的发动机转速实时控制油门舵机，对发动机转速进行调节，使其恢复到慢车转速，离合器整个接合过程中，发动机转速可以在安全转速(发动机不会出现熄火)以上，并保持稳定。