某型直升機旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計
該型直升機自70年代中期引進以來,
為我國的科研和軍事訓(xùn)練作出了重要貢獻。但由于機載電子設(shè)備嚴(yán)重老華,特別是旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,自90年代以來,因故障率大高,嚴(yán)重影響了飛機的完好率和出勤率。因此迫切需要對其進行國產(chǎn)化研制。
1 旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡介
直升機在飛行過程中,無論處于什么飛行狀態(tài),與飛機本身最好的特性和參數(shù)相對應(yīng)的最佳旋翼轉(zhuǎn)速是一定的。對于該型直升機,當(dāng)空速小于150km/h時,旋翼轉(zhuǎn)速的最佳值為207轉(zhuǎn)/分;而當(dāng)空速大于150km/h時為212轉(zhuǎn)/分。若僅靠飛行員手工操作,使旋翼轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變是相當(dāng)麻煩的,而利用旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器就能自動地將旋翼轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在這兩個最佳值上。
旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。
發(fā)動機經(jīng)主減速器驅(qū)動速發(fā)電機產(chǎn)生三相交流電,輸送到旋翼轉(zhuǎn)速表指示器。同時,將其中的一相傳送到旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,其交流電的頻率與旋翼轉(zhuǎn)速成正比。在調(diào)節(jié)器中,首先通過檢測網(wǎng)絡(luò)對輸入信號的頻率進行檢測。當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速
（207轉(zhuǎn)/分或212轉(zhuǎn)/分）時,交流電的輸入信號頻率為基準(zhǔn)頻,調(diào)節(jié)器沒有輸出信號。當(dāng)旋翼偏離基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速時,輸入信號的頻率也相應(yīng)發(fā)生偏移,這時檢測網(wǎng)絡(luò)檢測到這個偏移,并轉(zhuǎn)換成直流偏差信號加到γ放大器進行前置放大,然后關(guān)到功率放大器進行功率放大,其輸出信號控制作動筒電機動作。作動筒電機一旦動作,便帶動油門操縱連標(biāo)動作,使發(fā)生機油門增大或減小。油門的增大或減小,使發(fā)動機的輸出功率隨之變化,從而使旋翼轉(zhuǎn)速向減小偏移的方向變化。當(dāng)達(dá)到基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速時,調(diào)節(jié)器的輸出信號為零,作動筒電機停止工作,發(fā)動機油門位置不變,旋翼轉(zhuǎn)速便穩(wěn)定在基準(zhǔn)值上。
當(dāng)飛行速度大于150km/h時,飛機儀表板上的“N.207-N.212”轉(zhuǎn)換警告燈亮,提醒飛行員將旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)到212轉(zhuǎn)/分的穩(wěn)定值上。當(dāng)“N.207-N.212”轉(zhuǎn)換開關(guān)被扳對“N.212”位置上時,一個固定的負(fù)偏壓通過開關(guān)觸點加到γ放大器的輸入端,使γ放大器的輸入基準(zhǔn)發(fā)生正向偏移。因此,旋翼轉(zhuǎn)速也就被穩(wěn)定在212轉(zhuǎn)/分;當(dāng)飛行速度減到150km/h以下時的轉(zhuǎn)換過程與此相反。
2 旋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器總體設(shè)計方案
（1）為了便于改裝,保持原轉(zhuǎn)速傳感器、作動筒電機和調(diào)節(jié)器的外圍接口不變;
（2）采用專用集成電路設(shè)計檢測與轉(zhuǎn)換、綜合與放大電路;
（3）利用先進的PWM控制技術(shù)（PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與斷開把直流電壓變成電壓脈沖列,并通過控制電壓脈沖列的寬度和周期達(dá)到變壓的目的,或者控制電壓脈沖列的寬度和脈沖列的周期達(dá)到變壓、變頻的目的）,采用專用功率集成電路設(shè)計功率放大器;
（4）為了使作動筒電機轉(zhuǎn)動速度與作動筒的負(fù)荷基本無關(guān)而只受功率放大器輸入信號大小的控制（與旋翼轉(zhuǎn)速誤差信號的大小成正比）,設(shè)計轉(zhuǎn)速跟隨電路。總體設(shè)計方案原理框圖如圖2所示。
2.1 檢測網(wǎng)絡(luò)和γ放大器設(shè)計
檢測網(wǎng)絡(luò)和γ放大器設(shè)計電路如圖3所示。它由波形轉(zhuǎn)換電路、頻率-電壓變換電路、前置放大電路、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和差動放大電路組成。從轉(zhuǎn)速發(fā)電機傳輸過來的正弦波信號經(jīng)過LM339過零比較器轉(zhuǎn)化為矩形波信號,該信號與正弦波信號的頻率相同。矩形波信號經(jīng)VFC32頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號,該電壓信號經(jīng)INA118前置放大后與基準(zhǔn)電壓一起送到INA118進行差動放大,最后得到直流誤差電壓信號ΔV輸出。
2.2 功率放大器電路的設(shè)計
選用直流電機雙PWM控制芯片UC3637和功率放大芯片L298作為核心器件進行電路的改裝設(shè)計。整個電路分兩級實現(xiàn),第一級利用UC3637及其外圍電路實現(xiàn)雙PW輸出;第二級利用L298及其外圍電路對電機進行直接控制。其設(shè)計電路如圖4所示。
圖中,c端來自檢測電路的誤差直流信號;
d端為固定負(fù)偏差直流電壓信號,它由機N.207-N.212轉(zhuǎn)換電路提供;a、b兩路信號為來自測速反蝕電路的直流電壓信號。當(dāng)飛機的真空速度小于150km/h時,c端信號經(jīng)過前置放大（d端無信號輸入）,由UC3637產(chǎn)生雙PWM波輸出,經(jīng)過L298控制機上28V直流電壓的接通與斷開,從而控制作動筒電機M的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),將旋翼的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在207轉(zhuǎn)/分。當(dāng)飛機的真空速度大于150km/h時,c、d兩路信號經(jīng)疊加處理,由UC3637和L298兩級電路將旋翼的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在212轉(zhuǎn)/分。為了使作動筒電機在作動筒達(dá)到終點時停止轉(zhuǎn)動,利用UC3637內(nèi)部的關(guān)機比較器控制繼電器J的通和斷,從而實現(xiàn)電機的終點行程控制。
2.3 速度反饋電路的研制
采用電阻網(wǎng)絡(luò)采集作動筒電機兩端的電壓,經(jīng)分壓后得到的a、b兩點反饋電壓（見圖4）與轉(zhuǎn)速成正比。然后將a、b兩點反饋電壓輸入到儀表放大器INA118進行差動放大,儀表放大器的輸出信號與電機轉(zhuǎn)速成正比。儀表放大器的輸出信號輸入到UC3637的誤差放大器,與輸入控制電壓進行信號綜合處理,從而實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速與負(fù)載無關(guān)。
3 系統(tǒng)調(diào)試
新研制的旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路參數(shù)經(jīng)反復(fù)計算和調(diào)整,保證了信號輸出的精度,波形規(guī)整,長時間工作穩(wěn)定可靠,達(dá)到了穩(wěn)定旋翼轉(zhuǎn)速的要求;且內(nèi)部電路信號傳遞關(guān)系簡單,便于地面維護人員的校驗和維修。新研制的旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器性能指標(biāo)和原有國外產(chǎn)品的性能指標(biāo)對照如表1所示。
表1 性能指標(biāo)對照表
| 性能指標(biāo) | 功耗 | 旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍 | 作動器啟動電壓 | 放大器基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍 | ||
| 直流 | 交流 | N.207位置 | N.212位置 | |||
| 原來 | 80W | 15VA | 206～208.5轉(zhuǎn)/分 | 211～213.5轉(zhuǎn)/分 | <10V | ±3轉(zhuǎn)/分 |
| 現(xiàn)在 | 60W | 11VA | 206.5～208轉(zhuǎn)/分 | 211.5～213轉(zhuǎn)/分 | <10V | ±2轉(zhuǎn)/分 |
通過地面校驗器進行校驗裝機試飛,不僅各項性能指標(biāo)達(dá)到并部分超過國外進口產(chǎn)品所提性能指標(biāo)要求,而且克服了飛機掉速的缺陷。該項目的完成,使旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器從器從根本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化,具有顯著的經(jīng)濟效益。
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