一種基于集成電路的旋翼轉速調節器研制

盧建華，劉愛元，戴洪德

（海軍航空工程學院控制工程系，山東 煙臺 264001）

0 引言

傳統的旋翼轉速調節器采用分立元件設計，電路復雜、元器件多，故障率高、精度差、維修難度大。隨著電力電子技術的發展、專用集成器件[1]的應用，特別是直流伺服電動機控制技術[2]的發展，為采用集成電路技術設計旋翼轉速調節器成為可能。這不僅可以改善直升機的操縱性能和飛行性能，提高系統的工作可靠性，而且可降低地勤人員對直升機的保障壓力，保證直升機的完好率和出勤率。

1 Multisim 10仿真工具

Multisim 10[3]軟件作為電路設計的輔助設計工具，得到了越來越廣泛的應用，具備以下突出特點：

1)集成環境簡潔易用。Multisim 10 集成了從電路創建、修改到仿真及數據處理的EDA 設計的主要流程，不僅方便軟件學習和使用，而且極大地提高了工作效率。

2)虛擬實驗儀器豐富。Multisim 10 作為一個功能強大、儀器齊全的虛擬電子實驗平臺，不僅提供了常用的儀器(如萬用表、示波器等)，還提供了許多單位無條件具備的網絡分析儀、頻譜分析儀等儀器。方便了設計人員的設計工作，大大提升了軟件的功能。

3)分析功能多樣。Multisim 10 提供了多種仿真分析方法，有直流工作點分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲和失真分析等19種之多，滿足了電子電路的分析設計要求，尤其是極具特色的RF 電路分析功能，是一般EDA 軟件所不具備的。

4)輸入輸出接口具有廣泛的兼容性。Multisim 10可以打開具有Spice 內核的其他EDA 軟件生成的網表文件，EWB4.0、EWB5.0 環境下生成的電路文件，也可以把Multisim 10 環境下創建的電路原理圖文件導出為.NET 或.PLC 文件，供Protel、Ultiboard等PCB 軟件進行印刷電路板設計，或者將當前電路文件導出為網表文件，供其他EDA 軟件共享設計成果。更具特色的是Multisim 10可以將仿真分析結果導出為Excel 文件，方便設計人員對結果數據的分析。

5)可自定義設計環境。Multisim 10 提供了極具人性化的設計工具，允許設計人員自定義設計環境，利用Options Preferences???菜單項，可根據設計需要，靈活設定元器件采用的符號標準、電路圖的顯示屬性、工作區的顯示屬性及其大小、說明文字的格式、導線線型等設計要素。另外，Multisim 10 還支持VHDL和Verilog 語言的電路仿真與設計。

2 總體設計方案

直升機旋翼轉速調節系統[4]由旋翼轉速調節器與執行機構、油門組合裝置、發動機、減速器等共同構成。旋翼轉速調節器是直升機旋翼轉速調節系統的核心部件，其作用是直升機在飛行過程中，無論處于什么飛行狀態，通過其調節，保證與直升機最佳特性和參數相對應的旋翼轉速一定。以某型直升機為例，當直升機飛行速度小于150 km/h時，旋翼轉速穩定在207 r/min；當其轉速大于150 km/h時，旋翼轉速穩定在212 r/min。

經過對旋翼轉速調節器的組成、功能和性能的分析研究，基于集成電路旋翼轉速調節器的總體設計方案如圖1所示。

圖1 旋翼轉速調節器總體設計方案原理框圖

轉速表發電機實時敏感旋翼的轉速，輸出頻率與旋翼轉速成正比的三相交流電，取出其中一相，經過零比較器電路轉換成方波信號，其頻率與交流電頻率相同，該信號送到F/V變換電路，將頻率信號轉換成相應的直流電壓信號輸出。該直流電壓信號與基準電壓產生電路所產生的基準直流電壓信號進行比較并放大，輸出旋翼轉速偏差信號。此偏差信號經雙PWM 波調制電路進行調制，輸出的雙PWM 波控制信號經電機驅動電路功率放大后，控制作動筒電機轉動。當旋翼轉速小于基準轉速時，偏差信號為正，電機正轉，油門增大，旋翼轉速增加；當旋翼轉速大于電機的基準轉速時，偏差信號為負，電機反轉，油門減小，直升機旋翼轉速下降。從而保證旋翼轉速的恒定。

速度反饋電路[5]的作用是使作動筒電機的轉速與其負載的大小無關。速度反饋信號通過減法器電路與偏差信號綜合。當作動筒電機的負載增大時，電機轉速下降，測速反饋信號下降，輸入到PWM調制電路的調制信號變大，電機控制信號變大，電機加速；當作動筒電機的負載減小時，電機轉速上升，速度反饋信號上升，電機控制信號減小，電機減速，從而實現電機的轉速與負載的大小無關。

3 詳細電路設計

3.1 過零比較器電路設計

以LM339[6]為核心芯片進行設計，原理電路如圖2a)所示，其輸入輸出信號波形如圖2b)所示。該電路將輸入的正、余弦形式的交流電信號轉換成方波信號，方波信號與交流電信號的頻率相同，滿足頻率/電壓轉換電路對輸入信號的要求。

圖2 過零比較器原理電路及其輸入、輸出波形

3.2 頻率/電壓轉換電路

頻率/電壓轉換電路的作用是將過零比較器輸出的方波信號轉換成大小與之頻率成比例的直流電壓信號。采用LM2917[7]頻率/電壓變換芯片實現。所設計的原理電路如圖3所示。

圖3中，C1為定時電容，為充電泵提供內部補償，它的大小直接影響R1上所產生的誤差電流值；C2為積分電容，起到濾波作用，其值取決于紋波電壓的大小和實際使用中所需響應時間的要求；R1為輸出電阻。在綜合權衡紋波電壓、響應時間和線性度之間的相互影響，本設計中取C1=0.05 μF，R1=100 k?，C2=0.47 μF，可獲得滿意的轉換結果。

圖3 頻率/電壓轉換電路

該電路輸出電壓u0由下式決定：

式中：fin為輸入信號頻率；K為增益常數，取值為1。根據該公式可計算出與207 r/min和212 r/min 這兩個基準轉速相對應的基準電壓值，分別為8.737 V和8.947 V。

3.3 基準電壓產生電路設計

采用LM317[8]構成的可調集成穩壓器[6]實現基準電壓產生電路的設計，電路如圖4a)所示。

圖4 基準電壓產生電路及兩基準電壓仿真輸出

該電路通過開關K位置的轉換，分別產生與兩個基準轉速相對應的參考電壓。電路輸出電壓根據式(2)確定，改變R1、R3阻值的大小可改變參考電壓的大小。當R2取200 ?，R1=1163 ?，R3=1194 ?時，K在不同位置時，輸出的仿真電壓如圖4b)所示，仿真結果與計算理論值基本一致(帶來的誤差為電阻R2與保護二極管并聯引起，經計算并聯D2后R2的值相當于187.65 ?)。

3.4 比較放大電路設計

應用AD620 精密低功耗儀表放大器[7]實現比較放大器的設計[9]，運放的增益由外部電阻R1決定，如圖5所示。

圖5 比較放大原理電路

增益計算公式由式(3)決定：

旋翼在轉速調節器的調節作用下，轉速偏差所引起交流電頻率的偏差小于±2 Hz，該偏差頻率經F/V轉換電路，輸出直流偏差電壓的值小于±0.15 V，經過60 倍的放大處理，作為下一級的PWM 控制信號產生電路的輸入信號。

3.5 PWM 控制信號調制電路設計

選擇雙PWM 控制器UC3637[10]實現PWM 電機控制信號調制電路的設計。其電路如圖6所示。

調制電路的輸入為旋翼轉速偏差信號和速度反饋信號的差，由LM107 構成的減法器電路實現。作動筒電機的速度信號采用電橋網絡敏感作動筒電機兩端的反電動勢，經分壓后得到，信號大小與電機的轉速成正比。轉速偏差信號輸入到減法器的正向輸入端，電機速度反饋信號輸入到減法器的反向輸入端，輸出信號作為UC3637的調制信號。

作動筒電機的終點限制是通過終點電門控制繼電器J的接通和閉合實現的。如圖7所示，當作動筒電機未達到終點時，終點限制電門打開，UC3637的14 腳輸入?15 V 電壓，產生的PWM 電機控制信號正常輸出，控制電機動作；當作動筒電機到達終點時，終點限制電門閉合，+15 V 直流電加到UC3637的14 腳，關機控制比較器CS 翻轉，輸出負信號，使NA、NB關閉，PWM 電機控制信號被屏蔽，電機停轉。

圖6 PWM 電機控制信號調制電路

3.6 電機驅動電路設計

選用L298[10]功率驅動芯片實現電機驅動電路的設計，電路如圖7所示。該芯片內部包含兩個H橋邏輯驅動電路，可以方便的驅動兩個直流電機或一個兩相步進電機。

圖7 L298 驅動器電路圖

為了提高驅動器的驅動能力，將L298 內部的兩組橋式電路并聯使用，可使其輸出電流達到3A。為保證電流在橋路之間分流均勻，輸出并聯使用時，將橋路1的輸出端與橋路4的輸出端并聯，橋路2的輸出端與橋路3的輸出端并聯。

圖7中，電阻RS為電流檢測電阻，它將流經的電流信號轉換成電壓信號，經濾波電路輸送到前級控制信號產生器UC3637的限流控制輸入端12、13腳，實現對電機的單個脈沖限流保護。RS值可根據電機允許的最大電流計算得到。

上一級PWM 電機控制信號調制電路產生的雙路PWM 控制信號，經UC3637的4、7 腳輸入到電機驅動芯片L298的雙并聯輸入端(上圖中5、12與7、10 引腳)。輸入PWM 控制信號根據旋翼轉速偏差信號的大小和極性控制電機正轉和翻轉。L298的1、15 引腳為電流檢測端，通過接電流檢測電阻RS檢測過電流，并將電流值轉化為電壓信號，經濾波網絡輸入到UC3637的限流控制端12、13 引腳。當電流過大時，其內部比較器C/L 輸出高電平控制SRA與SRB復位至低電平，屏蔽PWM 控制信號的輸出，使電機停轉，從而實現電機的過電流保護。速度反饋電路經橋式網絡感受電機的反電動勢，經分壓后加到減法器的反向輸入端與旋翼轉速偏差信號進行綜合。當電機轉速因負載增加而下降時，電機反電動勢下降，速度反饋信號下降，電機控制信號變大，電機加速；當電機轉速因負載減小而上升時，反之。從而實現了電機轉速與負載大小無關。

3.7 電源電路設計

為保證直升機旋翼轉速調節器的正常工作，除了直升機提供的+28 V 外，還需要+15 V、?15 V、+5 V 三種直流電源。設計中選擇使用7800 系列固定集成穩壓器[11]，利用機載28 V 電源變換得到。

4 結論

利用Multisim 10仿真工具對所設計的模塊電路進行驗證和參數選優，保證轉速調節器的調節精度。在此基礎上，將上述各模塊電路進行交聯，可得到基于集成電路設計的旋翼轉速調節器總的原理電路，該電路參數經反復計算和調整，保證了信號輸出的精度，波形規整，長時間工作穩定可靠，達到穩定旋翼轉速的要求。通過直升機的地面對接試驗和裝機試飛，功能齊全，各項性能指標滿足直升機旋翼轉速調節系統所提出的性能指標要求，且內部電路信號傳遞關系簡單，便于地面維護人員的校驗和維修，可在直升機上推廣使用。

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