专利名称：恒速螺旋桨变矩pid控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于无人飞行器的恒速螺旋桨变矩控制系统。
背景技术：
当前飞行器用螺旋桨可分为定矩螺旋桨和变矩螺旋桨两大类。定矩螺旋桨的桨矩不可变，具有成本低，结构简单的优点，缺点为只在特定的速度范围内效率较高。变矩螺旋桨的桨矩可变，通过内含的一套由液压或电力驱动的变矩机构对桨矩进行调节。变矩螺旋桨一般带有变矩控制系统，通过该控制系统调节桨矩，可以使发动机在不同油门下维持在恒定速度。因此控制系统工作效率在很大程度上决定了该螺旋桨的工作效率。
目前常见的变矩螺旋桨控制系统或为有人机使用，或设计过于简单，不能满足实际飞行的需要。有人机用变矩控制系统需要通过飞行员在空中进行手动设定以获得需要的发动机转速。该控制系统结果改造后，可以满足无人飞行器的要求。但改造后的控制系统可靠性下降，对飞行器的安全构成了一定的威胁。设计简单的变矩控制系统内部只引入螺旋桨转速的反馈值。其原理为当螺旋桨转速低于设定值时，调节转矩电机往低桨矩变化，使发动机转速升高。当螺旋桨转速高于设定值时，调节转矩电机往高桨矩变化，使发动机转速降低。该控制系统缺点为调节速度与效率一般，很容易受到外 界干扰的影响。甚至出现发动机转速振荡的情形。
近年来无人飞行器得到了快速发展，因此设计出恒速螺旋桨变矩控制系统成为动力系统中亟需解决的问题。发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种抗干扰能力强、控制精度高、可靠性高的恒速螺旋桨变矩PID控制系统。
本发明的技术解决方案是恒速螺旋桨变矩PID控制系统，包括控制电路、驱动电路、电流检测电路、速度检测电路、位置检测电路；
控制电路接收飞行控制系统输入的螺旋桨转速设定信号，根据螺旋桨与发动机的比例关系确定发动机理论值；速度检测电路、电流检测电路分别将实时检测转矩电机的当前速度以及当前电流输入至控制电路，位置检测电路将实时检测的螺旋桨当前位置输入至控制电路；控制电路判断转矩电机的当前电流，若出现过流现象，则发出控制信号关闭驱动电路，否则读入发动机检测电路检测的发动机的当前转速，根据当前转速与发动机理论值之差选择比例环节的数值，根据选择的比例环节数值、螺旋桨当前转速、螺旋桨当前位置以及转矩电机当前速度及当前位置采用PID算法输出PWM信号至驱动电路，由驱动电路根据 PWM信号控制转矩电机的速度和方向，转矩电机通过减速器驱动螺旋桨桨叶转动，形成新的螺旋桨转速以及发动机转速，如此循环，当控制电路检测到螺旋桨转速小于IOOrpm时，表示螺旋桨处于停止状态，关闭驱动电路。
所述的选择比例环节的数值步骤如下3
(I)计算发动机当前转速与发动机理论值之差E ；
(2)对E进行判断，当E > 200rpms时，设定比例环节P = P3 ;当IOOrpm < E 彡 200rpm 时，设定 P = P2 ;当 E 彡 IOOrpm 时，设定 P = Pl ；P1 = O. 8，P2 = O. 86，P3 =O. 9 ο
本发明与现有技术相比的有益效果是
(I)本发明将转矩电机的一系列反馈值引入到该控制系统中，不仅提高了控制系统精度和效率，并且提高了抗干扰能力，大大提高了控制系统的可靠性及效率。并且本发明通过引入可调比例环节值，即P值，根据实际发动机值与设定值之差选择不同的P值提高系统快速响应能力。
(2)本发明采用PID控制器，通过改变控制器的参数，使其特性和实际控制过程相匹配，达到系统动态性能和静态性能最优的目标。
(3)本发明通过驱动电路采用PWM信号，根据不同占空比调节转矩电机的转速和控制电机的正反转，使螺旋桨转速趋近设定值，防止在空中出现螺旋桨失速的情形。
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图I是本发明系统组成框图；2是本发明控制电路原理图 3是本发明驱动电路原理图；4是转矩电机过流保护电路原理图；5是指不电路原理图；6是本发明控制电路的工作流程框图。
具体实施方式
如图I所示，本发明系统包括控制电路、驱动电路、电流检测电路、速度检测电路、 位置检测电路；
控制电路接收飞行控制系统输入的螺旋桨转速设定信号，根据螺旋桨与发动机的比例关系确定发动机理论值；对于具体的无人飞行器，螺旋桨与发动机的转速比例关系是一固定值，所以可以根据螺旋劲转速设定信号以及比例关系简单的确定发动机的理论值。
速度检测电路、电流检测电路分别将实时检测转矩电机的当前速度以及当前电流输入至控制电路，位置检测电路将实时监测的螺旋桨当前位置输入至控制电路(具体通过光电编码器检测转矩电机的速度，电位计检测经过减速器后的螺旋桨的位置，通过电流传感器检测转矩电机的电流)；控制电路判断转矩电机的当前电流，若出现过流现象，则发出控制信号关闭驱动电路，否则读入发动机检测电路检测的发动机的当前转速，根据当前转速与发动机理论值之差选择比例环节的数值，根据选择的比例环节数值、螺旋桨当前转速、 螺旋桨当前位置以及转矩电机当前速度及当前位置采用PID算法输出PWM信号至驱动电路，由驱动电路根据PWM信号控制转矩电机的速度和方向，转矩电机通过减速器驱动螺旋桨桨叶转动，形成新的螺旋桨转速以及发动机转速，如此循环，当控制电路检测到螺旋桨转速小于IOOrpm时，表示螺旋桨处于停止状态，关闭驱动电路。
如图2所示，控制电路主要由控制芯片及其外围电路组成，控制芯片选择TI公司生产的MSP430F149型单片机，外围电路包括由MP811构成的复位电路、主时钟电路和辅助时钟电路。系统主时钟为8M，辅助时钟为32K。
控制电路根据从检测电路接收到的信号，经过计算调整PWM信号的占空比对转矩电机的转速进行调节。当发动机实际转速与设定值相差过大时，增加PWM信号占空比提高转矩电机的转速，当发动机实际转速与设定值接近时，减小PWM信号占空比降低转矩电机的转速。因为转矩电机反向转动时，电机内部会瞬间产生较大的电流，所以在电路中加二极管起保护作用，见图3中的D1、D2、D3和D4。
控制电路的工作流程如图6所示，系统上电后开始一系列的初始化工作，如打开控制芯片内的看门狗程序，当程序出现“跑飞”情况时自动重启；打开控制芯片P2.5 口的中断，当检测到有转速脉冲时，进入中断程序完成实际转速的计算。读入当前转速设定信号。 从控制芯片的A/D采集口 P6. O读入当前转矩电机的电流信号，如果出现过流情形，则关闭驱动电路，否则读入当前发动机转速值，根据该值选择P值，即比例环节数值。系统预设P值为P1，P2，P3，其中Pl < P2 < P3。当发动机转速实际值与理论值偏差E > 200rpms时，设定 P = P3,提高实际转速变化速率。当IOOrpm < E < 200rpm时,设定P = P2。当E < IOOrpm 时，设定P = P1，此时实际转速变化率较小，可以防止出现超调量过大的情形。通过仿真与实际试验，Pl值为O. 8，P2值为O. 86，P3值为O. 9。
系统设定好比例环节的参数P值后，从螺旋桨自带的传感器读入螺旋桨转速信号、从速度检测电路读入转矩电机速度信号、从位置检测电路读入螺旋桨位置信号，根据获得的上述参数通过PID算法计算出调节转矩电机的速度和方向。当检测到螺旋桨转速小于 IOOrpm时，表示螺旋桨处于停止状态，关闭转矩调节电路。PID算法是一种非常成熟的方法，其关键点是P值的确定，P值确定后，参照《自动控制原理》中关于PID算法的介绍即可计算出调节转矩电机的速度和方向，此处关于算法不进行赘述。
如图3所示，转矩电机驱动电路主要由芯片L289N组成。L289N内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收信号为标准TTL逻辑电平信号，可以驱动46V，2A以下电机。控制电路的控制芯片P2. O 口与L289N使能端ENA连接，通过该口控制L289N工作。 P2. 6 口与INl 口连接，P2. 7 口与IN2 口连接。通过改变INl 口与IN2 口的高低电平就可以控制转矩电机的正反转。当ENA 口为高电平，INl 口为高电平，IN2 口为低电平时，转矩电机顺时针转动，桨矩往高桨矩变化。当ENA 口为高电平，INl 口为低电平，IN2 口为高电平时， 转矩电机逆时针转动，桨矩往低桨矩变化。当ENA 口为低电平时，驱动桥路上的四个晶体管全部截止，L289N不工作，电机停止转动。具体电路实现如图3所示。电流检测电路通过电流传感器检测驱动电路的电流，为PID算法提供参数。同时系统还设计了过流保护电路。
如图4所示，过流保护电路主要由运算放大器U5组成，控制芯片根据P6. O处的电压值计算出当前转矩电机电流。当转矩电机位于极限位置时，该电流值超过设定的阈值，控制芯片P2.0 口输出低电平信号到L298N中，使L298N不再工作，转矩电机停止，不再向该位置继续转动，同时控制芯片设置转矩电机只能往相反方向转动。
如图5所示，指示电路主要由绿色发光二极管DS12和红色发光二极管DS13组成的。红色发光二极管为电源指示灯，当系统上电后，红色指示灯亮。同时在软件中设计了自检功能，当系统在自检时，绿色指示灯闪烁。自检完毕时，绿色指示灯常亮表示自检未通过， 小灯熄灭表示自检正常。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.恒速螺旋桨变矩PID控制系统，其特征在于包括控制电路、驱动电路、电流检测电路、速度检测电路、位置检测电路； 控制电路接收飞行控制系统输入的螺旋桨转速设定信号，根据螺旋桨与发动机的比例关系确定发动机理论值；速度检测电路、电流检测电路分别将实时检测转矩电机的当前速度以及当前电流输入至控制电路，位置检测电路将实时检测的螺旋桨当前位置输入至控制电路；控制电路判断转矩电机的当前电流，若出现过流现象，则发出控制信号关闭驱动电路，否则读入发动机检测电路检测的发动机的当前转速，根据当前转速与发动机理论值之差选择比例环节的数值，根据选择的比例环节数值、螺旋桨当前转速、螺旋桨当前位置以及转矩电机当前速度及当前位置采用PID算法输出PWM信号至驱动电路，由驱动电路根据PWM信号控制转矩电机的速度和方向，转矩电机通过减速器驱动螺旋桨桨叶转动，形成新的螺旋桨转速以及发动机转速，如此循环，当控制电路检测到螺旋桨转速小于IOOrpm时，表示螺旋桨处于停止状态，关闭驱动电路。
2.根据权利要求I所述的恒速螺旋桨变矩PID控制系统，其特征在于所述的选择比例环节的数值步骤如下 (1)计算发动机当前转速与发动机理论值之差E; (2)对E进行判断，当E> 200rpms时，设定比例环节P = P3 ;当IOOrpm < E ^ 200rpm时，设定 P = P2 ;当 E < IOOrpm 时，设定 P = Pl ；P1 = O. 8，P2 = O. 86，P3 = O. 9。
全文摘要
恒速螺旋桨变矩PID控制系统，控制电路接收飞行控制系统输入的螺旋桨转速设定信号，根据螺旋桨与发动机的比例关系确定发动机理论值；速度检测电路、电流检测电路分别将实时检测转矩电机的当前速度以及当前电流输入至控制电路，位置检测电路将实时检测的螺旋桨当前位置输入至控制电路；控制电路判断转矩电机的当前电流，若出现过流现象，则发出控制信号关闭驱动电路，否则读入发动机检测电路检测的发动机的当前转速，根据当前转速与发动机理论值之差选择比例环节的数值，根据选择的比例环节数值、螺旋桨当前转速、螺旋桨当前位置以及转矩电机当前速度及当前位置采用PID算法输出PWM信号至驱动电路，由驱动电路根据PWM信号控制转矩电机的速度和方向。
文档编号B64C11/44GK102923299SQ20121043099
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者蔡伟, 周乃恩 申请人:中国航天空气动力技术研究院