某型直升机旋翼转速调节器的设计

摘要：在对原设计方案进行大量反设计的基础上,以电机控制电路集成化、先进的PWM控制技术为设计思想,综合运用传感器技术、电力电子技术、微电子技术和自动控制技术,拟定了旋翼转速调节器的总体设计方案并完成了具体电路的设计。调试结果表明,电路设计正确,各项性能指标达到并部分超过国外进口产生所提供的要求。关键词：旋翼转速调节器 双PWM控制 电路设计

该型直升机自70年代中期引进以来,为我国的科研和军事训练作出了重要贡献。但由于机载电子设备严重老华,特别是旋翼转速调节器,自90年代以来,因故障率大高,严重影响了飞机的完好率和出勤率。因此迫切需要对其进行国产化研制。

1 旋翼转速调节系统简介

直升机在飞行过程中,无论处于什么飞行状态,与飞机本身最好的特性和参数相对应的最佳旋翼转速是一定的。对于该型直升机,当空速小于150km/h时,旋翼转速的最佳值为207转/分;而当空速大于150km/h时为212转/分。若仅靠飞行员手工操作,使旋翼转速稳定不变是相当麻烦的,而利用旋翼转速调节器就能自动地将旋翼转速稳定在这两个最佳值上。

旋翼转速调节系统如图1所示。

发动机经主减速器驱动速发电机产生三相交流电,输送到旋翼转速表指示器。同时,将其中的一相传送到旋翼转速调节器,其交流电的频率与旋翼转速成正比。在调节器中,首先通过检测网络对输入信号的频率进行检测。当旋翼转速为基准转速

（207转/分或212转/分）时,交流电的输入信号频率为基准频,调节器没有输出信号。当旋翼偏离基准转速时,输入信号的频率也相应发生偏移,这时检测网络检测到这个偏移,并转换成直流偏差信号加到γ放大器进行前置放大,然后关到功率放大器进行功率放大,其输出信号控制作动筒电机动作。作动筒电机一旦动作,便带动油门操纵连标动作,使发生机油门增大或减小。油门的增大或减小,使发动机的输出功率随之变化,从而使旋翼转速向减小偏移的方向变化。当达到基准转速时,调节器的输出信号为零,作动筒电机停止工作,发动机油门位置不变,旋翼转速便稳定在基准值上。

当飞行速度大于150km/h时,飞机仪表板上的“N.207-N.212”转换警告灯亮,提醒飞行员将旋翼转速调到212转/分的稳定值上。当“N.207-N.212”转换开关被扳对“N.212”位置上时,一个固定的负偏压通过开关触点加到γ放大器的输入端,使γ放大器的输入基准发生正向偏移。因此,旋翼转速也就被稳定在212转/分;当飞行速度减到150km/h以下时的转换过程与此相反。

2 旋转速调节器总体设计方案

（1）为了便于改装,保持原转速传感器、作动筒电机和调节器的外围接口不变;

（2）采用专用集成电路设计检测与转换、综合与放大电路;

（3）利用先进的PWM控制技术（PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与断开把直流电压变成电压脉冲列,并通过控制电压脉冲列的宽度和周期达到变压的目的,或者控制电压脉冲列的宽度和脉冲列的周期达到变压、变频的目的）,采用专用功率集成电路设计功率放大器;

（4）为了使作动筒电机转动速度与作动筒的负荷基本无关而只受功率放大器输入信号大小的控制（与旋翼转速误差信号的大小成正比）,设计转速跟随电路。总体设计方案原理框图如图2所示。

2.1 检测网络和γ放大器设计

    检测网络和γ放大器设计电路如图3所示。它由波形转换电路、频率-电压变换电路、前置放大电路、基准电压产生电路和差动放大电路组成。从转速发电机传输过来的正弦波信号经过LM339过零比较器转化为矩形波信号,该信号与正弦波信号的频率相同。矩形波信号经VFC32频率-电压转换电路转换为电压信号,该电压信号经INA118前置放大后与基准电压一起送到INA118进行差动放大,最后得到直流误差电压信号ΔV输出。

2.2 功率放大器电路的设计

选用直流电机双PWM控制芯片UC3637和功率放大芯片L298作为核心器件进行电路的改装设计。整个电路分两级实现,第一级利用UC3637及其外围电路实现双PW输出;第二级利用L298及其外围电路对电机进行直接控制。其设计电路如图4所示。

图中,c端来自检测电路的误差直流信号;d端为固定负偏差直流电压信号,它由机N.207-N.212转换电路提供;a、b两路信号为来自测速反蚀电路的直流电压信号。当飞机的真空速度小于150km/h时,c端信号经过前置放大（d端无信号输入）,由UC3637产生双PWM波输出,经过L298控制机上28V直流电压的接通与断开,从而控制作动筒电机M的正转与反转,将旋翼的转速稳定在207转/分。当飞机的真空速度大于150km/h时,c、d两路信号经叠加处理,由UC3637和L298两级电路将旋翼的转速稳定在212转/分。为了使作动筒电机在作动筒达到终点时停止转动,利用UC3637内部的关机比较器控制继电器J的通和断,从而实现电机的终点行程控制。

2.3 速度反馈电路的研制

采用电阻网络采集作动筒电机两端的电压,经分压后得到的a、b两点反馈电压（见图4）与转速成正比。然后将a、b两点反馈电压输入到仪表放大器INA118进行差动放大,仪表放大器的输出信号与电机转速成正比。仪表放大器的输出信号输入到UC3637的误差放大器,与输入控制电压进行信号综合处理,从而实现电机的转速与负载无关。

3 系统调试

新研制的旋翼转速调节器电路参数经反复计算和调整,保证了信号输出的精度,波形规整,长时间工作稳定可靠,达到了稳定旋翼转速的要求;且内部电路信号传递关系简单,便于地面维护人员的校验和维修。新研制的旋翼转速调节器性能指标和原有国外产品的性能指标对照如表1所示。

表1 性能指标对照表

性能指标	功耗		旋翼转速调节范围		作动器启动电压	放大器基准转速调节范围
	直流	交流	N.207位置	N.212位置
原来	80W	15VA	206～208.5转/分	211～213.5转/分	<10V	±3转/分
现在	60W	11VA	206.5～208转/分	211.5～213转/分	<10V	±2转/分

通过地面校验器进行校验装机试飞,不仅各项性能指标达到并部分超过国外进口产品所提性能指标要求,而且克服了飞机掉速的缺陷。该项目的完成,使旋翼转速调节器从器从根本上实现了国产化,具有显著的经济效益。