一种直升机旋翼自动离合控制系统的改进设计的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 但是，在工程实践时发现：
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 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"慢结合一快接合"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。
[0009] 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。
[0010] 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 ·υ，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。
[0011] 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。
[0012] 本发明的优点是：
[0013] 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。
[0014] 2.离合器接合过程采用"慢结合一快接合"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。
[0015] 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】
[0016] 图1是改进的离合器控制电路的原理图
[0017] 图中具体标号含义如下（未改动的部分与原专利保持一致）：
[0018] Ql~Q4功率MOS管 105瞬态抑制二极管
[0019] 106离合器驱动电机（离合器舵机） 107大功率二极管
[0020] 108滑油压力开关 109第二固态继电器 110第一固态继电器
[0021] 111起动机 112设备电源Vcc 113设备电源Gnd
[0022] 114信号电源GndO 201~216供电线
[0023] 图2是选用的半桥驱动芯片BTS7970B的结构。
[0024] 图3是将半桥驱动芯片接入离合器控制电路的电路图。
[0025] 图中具体标号含义如下：
[0026] KEl瞬态抑制二极管 DDl~DD2大功率二极管
[0027] Ul ~U2 BTS7970B 芯片 R301 ~R307 电阻 C401 ~C405 电容
[0028] 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。
[0029] (a)为占空比d = 1时的脉冲信号；
[0030] (b)为d = 1时，离合器舵机两端的电压U ;
[0031] (c)为占空比d = 0· 8时的脉冲信号；
[0032] (d)为d = 0. 8时，离合器舵机两端的电压0. 8U。
[0033] 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。
[0034] 控制律采用转速前馈与反馈PID复合控制结构。ng为发动机的目标转速，n e为发 动机实际转速，Wf为发动机风门开度控制量，Λ η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，&为积分项，在发动机实际转速接近额定转速时接 入，&为微分项，在发动机实际转速接近额定转速时接通。
[0035] 图6是离合器自动接合操作流程图。
【具体实施方式】
[0036] 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。
[0037] 1.离合器控制电路的改进设计
[0038] 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Ql~Q4搭建 成的H桥回路，当功率MOS管Ql、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。
[0039] 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。
[0040] 表格1是芯片BTS7970B各个引脚的功能。
[0041] 表格1.芯片BTS7970B各个引脚的功能
[0042]
【主权项】
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 "慢结合一快接合"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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G05B19-02, B64C13-16
【公开号】CN104773284
【申请号】CN201510203260
【发明人】蒙志君, 周尧明, 王灿, 窦树楠, 王永超
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月25日