（控制科学与工程专业论文）直升机旋翼转速控制器设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于某型直升机改进型号的旋翼转速性能需要，通过该设备完成不同 的飞行状态下直升机旋翼转速的自动调节，使直升机具有最佳的操纵控制性能。 系统方案设计以原有的模拟式旋翼转速控制器为基础，采用成熟可靠的设计思路 和实现方法，以高性能c 8 0 5 1 f o q 5 单片机和集成p w m 功率驱动芯片为核心，在 保留原有系统的外部接口特性的同时达到了良好的转速调控性能，可对原有的模 拟式旋翼转速控制器进行直接替代。 本文对新型旋翼转速控制器的设计思想和实现方案进行了详细的介绍。在第一 章和第二章中首先对直升机旋翼系统的基本特点和原模拟式旋翼转速控制器的工 作原理进行了简单介绍，按照提出的设计要求提出了主要的设计思路和关键的问 题。在第三章和第四章中详细介绍了系统方案的具体硬件实现和软件程序，并对 系统的工作原理和流程进行了阐述。系统控制方案采用了经过改进的p d 控制规 律，其实现方式、对系统的适应情况以及基本控制参数的整定在第四章中得到了 重点说明。为便于系统研制阶段的性能调试和监控，开发了可视化的调试界面， 作为系统与外部监控计算机的接口。系统方案最后在直升机上的闭环系统下进行 了实际的飞行测试，通过辅助的性能监控和调试界面，确定了系统控制参数的最 佳值。通过分析控制数据信息和试飞人员记录，数字式旋翼转速控制器的最终性 能完全达到或超过了设计目标。 数字式旋翼转速控制器的设计研制工作已经完成，实际整机已经通过了各项可 靠性实验和试飞考核。相对于原有的模拟式旋翼转速控制器，新产品在工作可靠 性、使用寿命、可维修性以及功能扩展性等方面大大提高，而生产成本、故障率、 结构重量等显著降低。 关键字：旋翼转速，c 8 0 5 1 f 0 0 5 ，p w m 功率驱动，p m 控制 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st c 啪l n e 丘o mt h cr e q u i i b m e n to f ：乙- xh e l i c o p t e r 他f i n 舶e n t ，t or c # 【i i l a l 【c 锄d 鼬i l i z e 也er o t o rs p e c d 咖d c ra l ll ( i n d so fn i g h ts 觚sa u t o m 砒妇i 墩t h cs y s t e md c s i l 皿 b 勰c d 加o r i g i n a i 姐a l o g ym 1 o rs p e e d 碍g i i l a t o r a p p l i e d 谢t h 锄a t e a n d 托l i a b k a l i 动t i ，u s c dh i 窑hp e r f o 】衄柚m c uc 5 1 f 0 0 5a n di n t c g r a lp w mp 0 啊盯c h i p 勰 0 0 f cp a nt om c c tt h co 啊l 臼o l 北田u i 托m e n to fr o t o rs p c c d t h cn e wd e s i l 皿a l s ol 砖p t o r ! i g i l l a le l o 吲c a li n t 既f 萄，t h u si t 伽r c p l a c ct h ca n a l o 口呵n p 皿l a t o rd i r e c l l y t h ct 锄d e s c i i b e dt h ed e s i g np r i n c i p l c 觚df l l n c t i o n a l 咖咖co ft h cd j 西t a li o t o r 研 c c dr c g 田l a t o lt h e 丘培tc h a p t c fi n t 加i d u c c d 也cc h a 功c t c r0 f 也ch c l i p t c zm t o rs v s t 锄 柚dn 圮w o r kp 砌o c d u 佗o f 删g i n a la n a l o g y g i l h t o r ，醒r d i n gt 0t h e 矗n a l p 渤m 剐1 0 e q u i m m e n t 柚dt a r g r e t ，t h en e wc i c s i l 皿a n dl yp r i d b l 锄w e r ca l r r i c d0 u t hc ：h a p t e r2a n dc h a p t c r3 ，t h er e a l i z a t i so fd i g i t a lr e l m l a t o ri n d u d ch a r d w a r c 锄d s o 腑a w c r ci n 仃0 d u dd c t a i l ，聆l i a n c ca n ds l a b i l i z a t i o n 删n gt h ew o d d n gi st l i cl y p r o b l 锄i nt h ed c s i g np r o 璐b ：c 撕t l l eh c i 渤p t 盯m t o fs y s 岫w 勰ai n t e m a i 柚d l a g g c do q e c t ，t h es y s i e mc h o i m p f o v c dp m o 仃o lp f j n c i p i c mo f d c rt os u f v c i l l a n t h es y s t c mp c r f b n n 柚柚d 佗g i l l a t et h eo o n 仃o l 阳m m 酏螂，a 、，i s u a lw i n d o w sw 笛 d e v e l o p c d 岫d e rc + + b u i l d c rhi a 懿c h a p t e r t h er o t o fs p c c df e l m l a t o rw o r k c da tr c a l d o s c d - 1 0 0 ph e l i c o p t e rs y s 蛐，s 锄cr c c o r d si nn i 曲tc x p e 曲e n 协a n d n t r m p a 姗c t e r s r e l ：i l l a t i w e 圮s l 附w c d t h e s e s h o wt h a tt h ed i g i t a li o t o ri c p m l a t o fo f h e l i c o p t c rh a s 留d o dc o n 仃o lp c 咖咖a n c e ，c x c e u c n tr c i i a n c ca n ds t a 蛐i z a t i 衄 t h ew h o l cd e s i 印o fd i g i t a lr o t o rs p c c d 球g i l l a - o rh 弱b c c n 咖p l e t e d i ta l p 鸹d t h e 坞l i 柚c ct c s 协锄dn j g h t 懿p c r i m e n t s 油p 眦dw i t ht h e 耐g i n a l 柚a l o 韶佗g i l l a t d i g i t a ls y s t 咖伽r 酣u c ct h ep r o d u c cc o n 锄df h u l tp r o b a b n i t yw h i i e 删e v e 掣e a t w o f 】d n gs t a b i n t y 锄d 坤l j a n o e 卸dn e xu p 母a d i n ga b i h t i 龉 k y w o r d s ：r o 衄哦剃，c 5 1 f 0 0 5 删m，p m 伽们1 h 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 电子技术的飞速发展推动了微处理器技术的发展和应用，使得微处理器朝着速 度快、集成度高、价格便宜、性能优良的方向发展，出现了单片机、d s p 、a r m 等一系列满足不同性能需要的高性能集成电路，应用在从生活消费品到工业应用 的各个领域。在对性能和可靠性要求更高的航空航天等军用领域，微处理器也得 到了广泛的重视，成为众多机载控制处理设备的核心。由于功能更强的新型集成 电路的飞速发展，以及对机载设备性能要求的提高，使得部分原有的控制处理设 备逐渐不能满足使用需要。如果能采用新的功能实现电路和设计思想对其进行改 进，将会在降低开发成本的同时大大提高其使用性和可靠性。本文所介绍的课题 即是通过采用高性能的微控制器对原有的直升机机载设备进行改型设计，以满足 对该设备新的装机性能要求。 1 1 课题来源与背景 本课题来源于某型直升机改进型号的转速控制需要，使用以数字处理为核心的 旋翼转速控制器来替代原有的模拟式旋翼转速控制器，以达到规定的旋翼转速控 制性能要求。 对于该型直升机，在飞行过程中无论处于什么状态，其最佳旋翼转速是一定的。 当空速小于1 5 0 k m m 时，最佳旋翼转速是2 0 7 r m i n ；而当空速大于1 5 0 l 蚰时， 最佳旋翼转速为2 1 2 r 加i n 。旋翼转速调节系统就是用于在任何正常的飞行状态下， 依据不同的旋翼转速状态将其自动调节和稳定在2 0 7 r m i n 或2 1 2 r ，n l i n ，减少飞行 员对发动机的手动调节。在旋翼转速调节系统不能进行自动调节时，飞行员可以 切换至手动操作对旋翼转速进行人工调整。 如图1 1 所示，旋翼转速调节系统由执行机构、油门组合装置、发动机、主减 速器、转速传感器和旋翼转速控制器六大部分组成。 旋翼转速控制器是旋翼转速系统的重要组成部分，它将旋翼转速传感器输出的 转速信号与基准转速信号进行比较，其误差信号经放大处理后去控制执行机构动 西北工业大学硕士学位论文 作，操纵发动机油门，使旋翼转速发生改变，直至旋翼转速与基准转速一致。 图1 1旋翼转速调节系统框图 1 2 旋翼转速控制器的应用情况 旋翼、动力、传动和操纵是直升机设计中最重要、最基本的四个系统，其性能 的优劣对于直升机整机的性能有着直接的影响。旋翼转速调节系统虽然只是一个 不大的子部分，但是旋翼、动力、传动、操纵四个系统均有涉及，它影响到直升 机的操纵控制品质。为了使旋翼转速与驾驶员操纵控制动作之间具有较好的匹配， 一般要求直升机旋翼转速具有稳定性。 在飞行过程中直升机旋翼转速稳定在最佳值时，直升机可以获得良好的操纵控 制性能。在直升机操纵控制系统中，旋翼转速、桨矩、总矩的改变影响直升机旋 翼的旋转升力面的大小，周期变矩影响旋翼升力面的方向。增大旋翼桨叶总矩的 同时会增大所有桨叶的偏转角度，使旋翼拉力增大，反之拉力减小，由此来控制 直升机的升降运动。桨叶总矩改变后，桨叶旋转需要克服的空气阻力也会相应改 变。在没有旋翼转速稳定装置或者发动机功率自动调节装置的情况下，增大桨矩 时升力增加而旋翼转速会自动降低，减小桨矩升力降低而转速自动升高。旋翼转 速随总矩的自动改变会降低操纵动作的实际响应性能，通常在总距操纵杆的手柄 上设置旋转式油门操纵机构，即总距油门杆，用来调节发动机油f 1 的大小，以便 使发动机输出功率与旋翼桨叶总距变化后的旋翼需用功率相适应。 早期的直升机飞行速度较低并且操纵控制简单，因此没有旋翼转速自动稳定调 节装置，需要稳定转速时由驾驶员手动进行调节，这种方式在直升机飞行状态改 西北工业大学硕士学位论文 变频繁的情况下，需要飞行员较多的人工干预，增大了飞行员的负担。随着直升 机性能的提升和操控要求的提高，逐渐引入了旋翼转速自动稳定装置对旋翼转速 进行自动调节，成为直升机操纵系统的一部分 对旋翼转速进行自动平衡调节的方式可以有两种，一种是采用专门的旋翼转速 稳定控制器，根据旋翼转速的变化来调整发动机输出功率，这种稳定调速装置独 立于发动机和其他设备，实现较为简单，主要应用于发动机无丰富控制功能的直 升机上。随着航空技术现代化的不断发展，对飞行动力的发展提出了更高的要求， 发动机控制系统开始出现功能复杂的机械、液压控制系统和数字式电子控制系统。 全权限数字电子控制系统( f a d e c ) 是当今广泛应用并且成熟可靠的发动机控制 技术，其功能强大，能实时获取发动机的工作状态信息，针对飞机状态和飞控计 算机指令产生控制决策，完成发动机推力控制、故障检测、工作信息通讯和显示 等。上世纪9o 年代国外新研制的航空发动机几乎全部使用了数字式电子控制系 统。直升机上的发动机安装了l c a d e c 后，旋翼转速的自动调节就可以由飞控计算 机通过发动机电予控制装置( e e c ) 来完成，这种实现方式对飞控计算机的功能和 发动机的电子控制技术水平要求较高。 在该型直升机机上依据安装的发动机的不同，上述两种旋翼转速稳定方式都得 到了应用，但主要采用的是旋翼转速控制器。 1 3 模拟式旋翼转速控制器介绍 在该型机的引进和逐渐国产化过程中，其旋翼转速控制器也相应的完成了国产 化工作，已广泛应用在国产型号及改进型号上。其原型机上所使用的旋翼转速控 制器设计于上世纪五六十年代，受当时器件和材料限制而采用了模拟电路来实现 转速调节功能，国产化的旋翼转速控制器即是以此为参考原型，沿用了原有的设 计思路并作了少量改动，元器件也大部分改为国产器件。 图1 2 为模拟式旋翼转速控制器的原理框图。 1 3 1 模拟式旋翼转速控制器的工作原理 模拟式旋翼转速控制器使用机载的1 1 5 v ，加o h 匕交流电源和+ 2 8 v 直流电源， 对于交流电源通过变压器进行降压和整形处理后产生多种电源以供使用，电源部 西北工业大学硕士学位论文 分还采取了防反接和故障保护的措施。 图1 2模拟式旋翼转速控制器原理图 旋翼转速传感器为一个三相测速交流电机，安装在直升机旋翼主减速器上，产 生一个频率与旋翼转速成正比的三相正弦交流电压信号，这个转速信号在输送到 旋翼转速表的同时，也输送到旋翼转速控制器中。当飞行速度大于1 5 0 k i i l h 时， 飞行仪表板上的“2 0 7 2 1 2 ”转换警告灯点亮，提醒飞行员应将旋翼转速调整稳 定在2 1 2 r m i n 。当旋翼转速控制盒中“2 0 7 2 1 2 ”转速开关扳至“2 1 2 ”时，这时 旋翼转速被调节稳定在2 1 2 r m i n 上。当飞行速度减小到1 5 0 k l i l h 以下时的转速转 换过程，与上述相反。 转速信号整形电路选取三相正弦信号中的一相信号，经整形放大和信号隔离后 、 变为近似方波的信号，由微积分补偿电路对其进行频率电压转换，输出一个与输 入信号频率偏移量( 输入信号频率与基准频率的偏差) 成正比的直流电压信号。 温度补偿电路用于弥补环境温度对模拟电路造成的温飘影响。 不同的基准转速切换开关状态( 2 c r 7 或2 1 2 ) 对应不同的电平值，这个基准转 速电平与转速偏差直流信号同时提供给前置放大电路，前置放大电路将根据不同 西北工业大学硕士学位论文 的基准参考电平值和转速偏差电压以及自身输出的反馈信号，输出不同方向和电 压的一个控制信号提供给下一级的磁放大器功率驱动部分前置放大器的输出信 号通过一个相位导前网络反馈到输入端，反馈网络具有相位导前功能，用于弥补 磁放大器的惯性以及旋翼转速系统的惯性，使得系统具有一定的超前控制特性， 避免产生过多的超调振荡。 系统的功率驱动部分以磁放大器为核心，磁放大器利用磁性铁芯材料的特性制 成，与由可控硅及功率三极管组成的开关电路构成一个脉宽调制驱动电路。通过 改变加载在执行电机电枢两端驱动电压的占空比和极性来调节执行电机的运动速 度和方向。执行电机为一个产生线性位移的直流电机，与发动机油门杆组合并联， 通过调节发动机功率输出的大小来调节旋翼转速直至稳定在设定的基准转速上。 在执行电机输入端有转速跟随电路用于弥补执行电机负载引起的电机转速改变。 在执行电机内部设计有一个与线性位移作动杆联动的电位计，其中点电压反映 执行电机作动杆的实际位置，与一个中间参考电压共同输出到驾驶舱控制面板上 的位置指示器，通过指针的偏转来指示执行机构相应的位置。执行机构运动的上 下极限点处分别有一个触点开关，当执行机构在正常位置时触点开关闭合，功率 驱动部分正常工作；执行机构到达极限位置时触点开关被顶开，相应的电压信号 会切断功率输出电压，防止电机继续运动产生堵转，在下极限位置时还会点亮驾 驶舱面板的极限位置警告灯。 1 3 2 模拟式旋翼转速控制器的不足 模拟式旋翼转速控制器原型设计受当时元器件与材料的限制，不能使用大规模 的集成元器件，其功能主要依靠模拟电路来实现，如转速检测部分的信号整形和 频率电压转换就是以运算放大器和电阻电容网络来完成，最关键的功率驱动部分 以分离器件组成，如磁放大器。在元器件性能满足要求的情况下，模拟电路也能 够达到较好的性能并且稳定可靠地工作。但在实际的生产和使用过程中，由于国 产元器件性能和生产工艺的问题，国产化的模拟式旋翼转速控制器的使用情况并 不理想，主要存在以下一些缺陷： 控制器工作性能受温度等环境因素影响较大。模拟电路中的电阻电容等器 件在环境温度、湿度以及器件本身老化性能下降等影响下，电路工作点容 西北工业大学硕士学位论文 易出现漂移，甚至不能正常工作，因此实际使用过程中每隔一段时间就必 须对系统进行重新调整。同时电路中要设计专门的温飘补偿电路来消除温 飘等影响。 控制器整体性能不稳定，一致性差，控制器与控制器之间、同一控制器在 不同转速条件下转速调节性能都会有不同程度的差异。这主要是受功放电 路中磁放大器的影响，磁放大器使用漆包线按照技术要求绕制，与磁芯配 合工作时的磁回滞特性不够稳定，由此导致了功率输出信号的不稳定性。 转速检测性能也易受测速传感器的噪声干扰而出现偏差。 整机生产成本和工时耗费较大。由于系统使用元器件较多，对元器件规格 要求也较高，部分要求长时间工作的大功率三极管只能从国外采购，因此 元器件成本较高。磁放大器为非标准件，需要自行绕制，对技术人员的要 求较高，生产过后必须进行严格的性能测试和调整，难以保证产品性能的 稳定性。整机元器件和电气连接线都比较复杂，而电路印制板使用较少， 焊接装配过程中必须进行严格的质量把关和检查。生产完毕后模拟电路工 作点和温飘性能的调整都需要较长的时间，这些都使得模拟式控制器的生 产成本和周期比较长。 整机重量和体积偏大，较多的器件使得控制器内部机械结构较为复杂，为 了提高系统的抗振性又采用了众多的紧固措施。整机的抗振性、防盐雾、 可维护性、使用寿命等存在较多问题。 由于模拟式旋翼转速控制器在实际使用中存在着一系列问题，部分影响了该型 直升机机的装备完好率和出勤率，同时由于新的改进机型对旋翼转速控制的性能 提出了更高的要求，因此对于原有的模拟式旋翼转速控制器进行改进或者重新设 计其替代产品是非常追切和必要的。 1 4 课题研究内容 课题将以数字式信号处理和控制的设计思想完成直升机旋翼转速的自动稳定 调节控制器设计工作，论文将在后面章节对以下的内容进行介绍： 数字式旋翼转速控制器的设计需求分析和基本设计目标； 数字式旋翼转速控制器的总体设计方案和关键技术问题； 西北工业大学硕士学位论文 控制器的具体设计，包括硬件与软件设计工作、调试监控界面设计、控制 规律的设计与实现，以及可靠性问题的保证等； 旋翼转速控制器控制参数的确定与最终的控制性能 西北工业大学硬士学位论文 第2 章设计目标与技术方案 在详尽地分析了直升机旋翼系统特点和原有模拟式控制器的原理后，通过与设 计需求方协商，认为在现有的技术条件下在原设计基础上进行改型是可行的，需 要采用的技术和手段都比较成熟可靠，并且能够保证新旧产品之间良好的继承性， 开发周期和风险都会得到降低。由此确定了对模拟式旋翼转速控制器进行数字化 改进的目标。 2 1 数字式旋翼转速控制器的设计目标 数字式旋翼转速控制器基本的设计要求和设计思想如下： 新的改进设计应尽量保留原有的外部接口特性，能对原有设备进行直接替 代，以避免对直升机其他系统进行改造； 在新的设计过程中要对原模拟式控制器进行详尽的输入输出性能测速，在 主要的电气输出性能上应与原有设备接近，以降低研制的风险，加快开发 时间； 新的设计要尽量选用成熟可靠的电路和实现方法，在达到控制性能要求的 同时降低系统的重量成本，保证系统具有较高的工作可靠性和环境适应 性； 新的设计要提供完善的检测验收手段，并保留进一步改进升级的能力。 系统部分性能参数要求如下： 正常工作电源：机载直流电源2 3 2 8 v ； 功率消耗：输入电源为额定状态时，d c 2 3 a ； 基准转速：产品配套组成系统工作时，应能在2 0 7 r m i n 和2 1 2 r m i n 两种 旋翼转速下保持稳定； 基准转速调节范围：产品配套组成系统工作时，基准转速调节范围为：2 0 7 l o r m i n 和2 1 2 1 0 r m i n ： 转速调节精度：产品配套组成系统工作时，旋翼转速调节精度分别为：2 0 7 西北工业大学硕士学位论文 l r m i n 和2 1 2 l r i n ； 转速调节稳定时问：产品配套组成系统工作时，旋翼转速从一个稳定的转 速值调节到另外一个稳定值，如从2 0 7 稳定到2 1 2 ，稳定调节时间应在3 0 秒以内： 工作环境条件：温度：一4 0 + 6 0 ， 相对湿度：3 0 9 5 ， 高度：6 0 0 0 m 。 2 2 数字式旋翼转速控制器的设计方案 2 2 1 设计方案的选择 根据旋翼转速调节系统的特点以及设计目标，研制初期提出了两种不同的技术 方案。 方案一：以独立的功能电路为核心的设计方案，在模拟式旋翼转速控制器的基 础上，保留原有的功能结构框架，使用新的元器件和数字电路对原有的功能电路 进行改进替代，包括使用频率电压转换芯片取代原分立器件电路完成转速信号的 检测，使用运放和比较电路完成对偏差信号的检测并计算出相应的控制信号，使 用p w m 功率驱动芯片取代原有的磁放大器和开关电路完成功率输出等，其设计框 图如图2 1 ： 图2 1独立功能电路方案原理框图 西北工业大学颀士学位论文 方案二：以微控制器为核心的功能实现方案，转速信号及其他外部输入信号经 外部调理电路处理后提供给微处理器，由微处理器配合内部软件完成旋翼转速的 检测和其他输入信号的检测，并根据转速偏差计算出调节控制信号和其他输出信 号，由外部电路按照微处理器的控制完成相应的控制输出，包括警告信息、执行 机构的驱动信号等。此方案的原理框图如图2 2 所示。 图2 2微处理器方案原理框图 方案一的特点是旋翼转速调节以功能明确的电路部分来配合完成，整体性能以 硬件电路实现，主要对原有电路进行改进，采用新的集成电路来替代原模拟式旋 翼转速控制器中的分离器件，因此原有的功能划分得到保留，对原系统具有较好 的继承性，研制工作的技术风险得到了较好的控制，不足之处是硬件电路的灵活 性稍差，使得控制性能的调整比较烦琐，不能根据需要迅速进行改变，同时内部 工作状态信息和外部控制性能的监测缺乏快速方便的手段，扩展升级性能有所欠 缺。 对于方案二，由于采取了微处理器结合软件的实现方式，原有的功能划分仍然 得到保留，只是部分工作改为由软件实现，因此与方案一比较，除了需要考虑硬 件部分的工作可靠性外，需要额外考虑软件的可靠性问题。由于软件实现的灵活 性，方案在控制性能的调整方面具有较强的适应性性，通过更改软件程序即可完 成控制参数的调整修改，同时内部功能扩展也很方便。 目前工业过程控制普遍以计算机或微处理器作为控制系统的核心，构成智能化 的计算机控制系统。计算机控制系统具有较强的功能，能实现极复杂的控制规律， 西北工业大学硕士学位论文 而且只需要修改软件即可改变控制规律，因此具有较高的灵活性和适应性，系统 的功能价格比较好控制设备的智能化是工业控制领域的发展方向。 通过对系统设计目标的分析和方案一、方案二的比较，数字式旋翼转速控制器 选择了以微控制器为核心的设计方案。分析系统输入输出信号以及内部功能要求， 并参照原有的模拟式旋翼转速控制器，以微控制器为核心的旋翼转速控制器系统 包括以下几个基本功能部分： ( 1 ) 电源一一完成系统的内部供电功能； ( 2 ) 基准转速检测一一检测驾驶员设定基准转速值； ( 3 ) 转速信号处理一一将转速信号进行整形处理后提供给微处理器进行测算； ( 4 ) 功率输出一一按照控制要求输出执行机构的驱动信号； ( 5 ) 执行机构位置指示与示警一一对执行机构的运动状态和位置信息进行指示 和警告； ( 6 ) 故障警告一一系统出现故障时进行警告； ( 7 ) 串口通讯一一调试状态下进行控制参数的调整和工作状态的监控 2 2 2 关键技术问题 2 2 2 i 微控制器 控制设备中常用的微处理器控制器有单片机、d s p 、a r m 等。对控制过程中 计算量和速度要求不高的场合，非常适合采用单片机作为核心处理器单片机具 有体积小，成本低而且可靠性高的特点，在各种工业测控方面得到了非常广泛的 应用。 在工业过程控制中常用的单片机可分为8 位单片机和1 6 位单片机，而以8 位 单片机居多。8 位单片机的主要硬件结构基本上都源于美国i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列，其主要技术特点是内部具有程序存储器( r o m ) 和内部数据存储器( r a m ) ， 可对6 4 k b 外部数据存储器和6 4 k b 外部程序存储器进行寻址，拥有丰富的i 资 源，部分引脚可复用为特殊功能输入输出口，内部集成有定时器或计数器，系统 设计有布尔处理器，支持中断与堆栈，使用精简、高效的指令体系。 电子技术的高速发展使得传统的m c s 一5 1 系列单片机得到了进一步的发展， 众多公司在原有的技术结构上加以改进优化，提高单片机的运算速度，片内集成 西北工业大学硕士学位论文 了非常丰富的模拟和数字资源，而且开发应用环境和工具也更加便利。代表产品 有s i l i c o nl a b o r a l o r i 鹪公司推出的c 8 0 5 1 f 系列，该系列单片机为完全集成的混合 信号系统级芯片，具有与m c s 一5 1 完全兼容的指令内核，采用了流水线处理技术， 不再区分时钟周期和机器周期，能在指令执行期间预处理下一条指令，提高了指 令执行效率。而且大部分c 8 0 5 1 f 单片机具备控制系统所需的模拟和数字外设，包 括看门狗、a d c 、d a c 、电压比较器、电压基准输出、定时器、p w m 、定时器捕 捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括u a r t 、s p i 、s m b u s ( 与i i c 兼容) 总线及c a n 总线。c 8 0 5 l f 系列单片机采用f l 勰h r o m 技术，集成j 1 a g ，支持在 线编程。c 8 0 5 1 f 系列单片机的诸多特点和优越性，使其广受单片机工程师青睐， 成为很多测控系统设计的首选。 根据数字式旋翼转速控制器的运算处理和扩展功能需要，通过查找s i l i c 蛆 la b o r a t o r i c s 公司c 8 0 5 1 f 系列单片机选型手册，方案设计选择了c 8 0 5 1 f d 0 5 单片 机作为系统的核心处理单元。 2 2 2 2 控制策略 直升机旋翼转速系统是一个具有滞后、大惯性特点的控制对象，并且具有变参 数和非线性的特性，在方案实施过程中还面临着旋翼转速系统模型函数难以获得 的困难。对于类似的控制对象，工程中常用的控制方法有模糊控制、p d 控制、专 家控制等。 模糊控制是上世纪7 0 年代发展起来的，它是模仿人的思维方式，对难以建立 精确数学模型的对象实施控制。它是模糊数学同现代控制理论相结合的产物，模 糊控制的突出特点在于：控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型， 只需要提供现场操作人员的经验知识和操作数据。适用于解决常规控制难以解决 的非线性、时变以及滞后系统，但是模糊控制容易发生振荡现象。专家控制方法 利用过程工程师的经验制定规则，更加规则来对被控对象进行控制，在专家控制 系统中控制规则的制定非常重要，直接影响控制效果 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简 称p d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结构 简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控 对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它 西北工业大学硕士学位论文 技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这 时应用m 控制技术最为方便即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不 能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用m 控制技术。m 控制， 实际中也有p l 和p d 控制。p d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、 微分计算出控制量进行控制的。传统的p 控制在与新的控制策略如模糊控制、 自适应控制、神经网络等结合后，其应用范围和效果得到了进一步的发展。 p d 控制最关键的步骤在于控制参数的整定问题，在控制规律形式确定后需要 调整设定合适的p m 控制参数，以达到最佳的控制效果。p m 控制参数的优化整 定原则可分为两大类。一类是基于经验总结的简单准则，如以控制系统被控量输 出响应的衰减比、超调量、上升时间和过程调整时间等来判断控制器参数整定的 好与差。另一类整定准则是随着计算机在工业过程控制中的广泛使用，被控变量 的偏差积分很容易计算求得以后，提出p m 参数数字控制的各种积分准则，如i s e 、 i a e 或n a e 等。比较实用的工程整定方法有：经验法、临界比例度法、衰减振荡 法、响应曲线法。 考虑到系统的实际控制特性，旋翼转速控制器的控制规律可以选取普通的p m 控制并在此基础上进行相应的改进。p 控制在本系统上的实现形式比较简单成 熟，降低了软件复杂度，同时具有较高的控制效果和可靠性。参照原模拟式旋翼 转速控制器可以比较容易的确定一个比较理想的控制参数值。 2 2 2 3 系统监控与扩展 为了方便系统开发阶段的调试和验证，对系统的工作状态和参数进行检测，设 计方案需要提供完善的信号检测接口，对于系统工作相关的重要信号可以利用工 具仪表对其进行测量分析，这对于以后产品的生产检测也是很有必要的。此外， 还可以考虑利用系统内部资源进行扩展，以提供系统与外部监控设备( 如计算机) 的接口。比较好的选择是通过通信总线和相应的通信协议，完成系统与监控计算 机的数据信息交换，系统工作信息数据可以通过可视化监控界面显示出来，通过 该监控界面还可以完成内部工作参数的调整。 设计方案对单片机内部的串口通讯进行了扩展，并在c + + b u i l d c r 下开发了的 个计算机监控界面，为系统性能的调整、分析以及扩展提供了良好的手段 西北工业大学硕士学位论文 第3 章控制器的硬件设计与实现 3 1 硬件部分工作原理 以c 8 0 5 1 f 0 0 5 为核心的旋翼转速调节控制系统硬件部分分为电源、基准转速 检测、转速检测、功率输出、执行机构极限位置示警、故障警告、串口通讯等部 分，系统总体框图如下图3 。l 所示。 来自转速传 感嚣 舢7 2 1 2 切换开关 机载+ 2 眦 故障指示灯 图3 。l旋翼转速调节器系统框图 系统通电工作时，转速检测部分将转速传感器的三相正弦交流信号中的一相 调理为方波信号，由单片机计算出旋翼转速对应的频率信息。基准转速检测部分 将转速转换开关的电平状态经光耦隔离后提供给单片机i ，o 口，由单片机根据相 应引脚状态判断设定的基准转速是2 0 7 r m i i i 或者2 1 2 r ，m i i i 。单片机根据基准转速 与实测旋翼转速的偏差以及偏差的变化趋势，照控制规律计算出执行机构应执行 的运动方向、运动速度、是否应刹车等控制信息并提供给p w m 功率驱动模块，由 功率驱动芯片l m d l 8 2 0 0 相应改变输出信号的极性和占空比来控制执行机构的运 西北工业大学硕士学位论文 动，使执行电机产生线性位移，带动油门操纵连杆，控制油门减小或增大以改变 发动机输出功率，从而使转速增大或减小直至稳定在基准转速。 执行机构的运动行程是有限的，当执行机构运动到极限位置时需要采取刹车 措施防止电机堵转。执行机构极限位置示警电路将极限位置触点开关状态提供给 单片机，并在执行机构运动到极限位置时将驾驶舱相应的极限警告灯点亮系统 出现故障时，驾驶舱内的故障灯也将点亮 3 2 核心芯片介绍 3 2 1c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机 单片机部分是系统的核心单元，其硬件电路配合内部程序完成各种输入信号的 检测、控制规律的计算和控制信号的输出。系统选用的单片机c 8 0 5 l f 0 0 5 为c i p 一5 1 处理器，在指令集上与传统m c s 一5 1 完全兼容，然而系统构架、外围设备等 方面有了很大的改进，使得集成度更高，运行速度更快。其特征及可用资源如下： 低电压供电( 2 7 、，3 6 v ) ，输入端口兼容5 v 电平，输出有开漏和推挽 模式。在开漏模式下，逻辑1 时端口为高阻态，可通过上拉电阻接至5 v ， 使得逻辑1 状态下输出为5 v ，可与5 v 供电芯片相容。 多复位源，有看门狗复位、电源电平监视复位、时钟失步复位及比较器复 位等，以满足各种需求。 集成j t a g 调试器，可在线调试和下载。 处理器最高运行时钟可达2 5 删z ，可用片内时钟( 误差2 ) ，也可用外 部时钟。外部时钟也提供了多种接法，既可接入高精度晶振高速稳定运行， 也可接人r c 振荡。低频运行可降低能耗，且可动态改变系统时钟源。 一个8 通道1 2 位a d c 模块，带有可编程增益放大器和可配置模拟多路开 关。a d c 为1 2 位、1 0 0 k s p s 、逐次逼近寄存器型a d c ，内部集成了跟踪保 持电路和可编程窗口比较器。 两个1 2 位d a c 模块，d a c 和a d c 参考电压可选用内部集成的电压基准，也 可使用乡 接电压基准。 1 个芯片稳定传感器，可检测芯片温度。 西北工业大学硕士学位论文 两个片内电压比较器，可通过寄存器设定回差电压。 4 个定时器计数器，其中三个1 6 位定时器计数器与标准8 0 5 l 中的定时 器计数器兼容，另一个定时器计数器用于a d c 、s 鹏u s 或作为通用定时 器计数器使用。 5 个p c a ( 可编程计数阵列) ，包含一个专用的1 6 位定时器计数器和5 个1 6 位捕捉比较模块，可配置为p 删输出、方波输出和事件捕获等，所 需c p u 干预较少。 1 个s p i 串行外围设备接口控制器。 1 个s 船u s 总线控制器，与i i c 总线完全兼容。 1 个能进行异步传输的串行总线u a r t 。 2 个外部事件中断。 中断源一共可达2 0 个。 3 2 k b 的程序f l a s hr o m ，2 5 6 字节的片内内存和2 k b 外部内存。 引入交叉开关配置，可灵活将外围设备配置到p o p 2 口。 单片机的内部结构如图3 2 所示。 c i p 5 1 采用了流水线的处理架构，不再分系统时钟和机器周期，指令直接按照 系统时钟执行，且大部分指令只需l 2 个系统时钟即可完成。而且在执行当前指 令时，还可能部分处理下一条指令，从而使得有些指令的执行时间不确定。 由于所选用的单片机内部带有丰富的数字和模拟功能，同时单片机i o 引脚还 兼容+ 醪的电平输入并具有集电极开路输出特性，省去了专门的电平转换接口电 路，这些特性非常适合作为一般控制检测设备的核心处理器。系统选用c 8 0 5 0 f 0 0 5 为旋翼转速控制性能的实现提供了可靠的硬件支持，也使得系统的外部电路比较 简单。 在数字式旋翼转速控制器中使用的单片机内部资源主要有定时器、可编程事件 模块、串口通讯模块、端口配置交叉开关等。 3 2 2 功率驱动芯片l m d l 8 2 0 0 l m d l 8 2 0 0 是美国国家半导体公司( n s 推出的专用于直流电动机驱动的h 桥 组件。同一芯片上集成有d m o s 功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型 西北工业大学硕士学位论文 编码器构成一个完整的运动控制系统。l m d 墙2 0 广泛应用电机、机器人和各种自 动化控制领域。 图3 2c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机内部功能框图 l 肋1 8 2 0 0 外形结构有两种，t 0 2 2 0 封装的芯片为工业级别，d i p 2 4 封装为军 用级别，可靠性与环境适应性能更好，其内部功能与结构相当于两块独立的t o 一 2 2 0 封装的芯片 以t o 一2 2 0 封装的单结构芯片为例，各引脚功能如下： 1 、l l 脚：桥臂l 、2 的自举输入电容连接端，当需要提升器件的开关频率时，在 脚1 与脚2 、脚1 0 与脚l l 之间应接入1 0 n f 的自举电容开通高端的d 矾o s 管时， 每个器件的栅极电压应比电流取样电压高约8 v 。采用充电泵电路可获取该电压， 利用内部3 0 0 k h z 的振荡器对内部自举电容充电可取得1 4 v 电压，该驱动电压的上 升世界为2 0 n s ，可保证器件的开关频率达1 k h z ；开关频率更高时，可采用外部自 举电容并由d 矾0 s 管对该自举电容充电，h 桥输出端与自举端接入1 0 n f 的外部电容 可提供上升时间达1 0 0 i l s 的驱动电压，从而保证开关频率达到5 0 0 l ( h z 。 2 、l o 脚：h 桥输出端。 西北工业大学硕士学位论文 方向3 利车4 p 5 温度报警输出鑫举l 箸出l话篱出2喜举2 童i2蠡l o1 1 了 出 图3 3 u m l 8 2 0 0 内部电路框图 3 脚：方向输入端。转向时，输出驱动电流方向见表2 1 ，该引脚控制输出l 与2 之间的电流方向，从而控制电动机旋转的方向。 p 州 转向刹车实际输出驱动电流 hhl流出1 ，流入2 hll流出2 ，流入1 lxl 流出l ，流出2 hhh 流出1 ，流出2 hlh流入1 ，流入2 l x h 表2 1l 肋1 8 2 0 0 驱动输出方向关系表 4 脚：刹车( 使能) 输入端。刹车时，输出驱动电流方向见表2 1 ，通过该端 将电机绕组短路而使其刹车。刹车时，该脚置逻辑高电平，并将p 州信号输入端 ( 脚5 ) 置逻辑高电平，脚3 的逻辑状态决定于短路电机所用器件。脚3 为逻辑高 电平时，h 桥中两个高端晶体管导通。脚3 为低电平时，h 桥中两个低端晶体管导 通。脚4 置逻辑高电平、脚5 置逻辑低电平时，h 桥中所有晶体管关断，此时，每 西北工业大学硕士学位论文 个输出端只有极小的偏流( 1 5 l l l a ) 。 5 脚：p 喇信号输入端。p 雕信号与驱动电流方向的关系见表2 1 ，该端与脚3 如何使用，决定于p 删信类型。在双极性工作方式下，单个p 删信号接入u m l 8 2 0 0 的d i r 端子，由p 删信号的占空比大小控制电机的转向和转速，当占空比为5 0 时，两输出端电压的均值为零，电机静止；当占空比为7 5 或2 5 时，两输出端 电压平均值大于零或者小于零，电机转动。在单极性工作方式下，p 删信号接在 l m d l 8 2 0 0 的p 哪端，而方向信号接在d i r 端，) p 哪端脉冲信号的占空比决定电机 转速，而d i r 端的电平高低决定电机转向。 6 、7 脚：电压正端与负端。 8 脚：电流取样输出端，提供电流取样信号。每输出1 a 的电流，脚8 输出3 7 7 n a 的取样电流，可通过在脚8 与地之间接入一个电阻将其转化为电压信号，该电压 幅度在5 8 v 之间时，线性度与精度最佳。该端最高电压为1 2 v 电流取样电路并 不检测反馈电流，仅检测桥臂上端晶体管中的电流。 9 脚：温度报警输出，提供温度报警信号，当芯片结温达1 4 5 度时，该端变为 低电平，结温达1 7 0 度时，芯片关断。该引脚为0 c 门输出，对多芯片使用可进行 线与，最高电压为1 2 v 。可将该端接到系统控制器中断输入，以便过热时对系统采 取适当措施。 芯片内部h 桥中的四个伽0 s 管都有续流( 保护) 二极管，高端续流二极管流 过6 a 的反向电流时，反向恢复时间为7 0 n s ，反向恢复电流为l a 。同样条件下， 低端续流二极管的反向恢复时间为1 0 0 n s ，反向恢复电流为4 a 。 芯片的总体特性如下： 额定电流为3 a ，峰值电流为6 a ； 电源电压为5 5 v ； 功率晶体管导通电阻为0 3 欧； t t l 和c m o s 兼容的控制信号输入； 内含防桥臂单侧直通电路； 芯片过热报警输出和自动关断； 内部的充电泵电路提供桥路上臂两管的栅极电压。 西北工业大学硕士学位论文 3 3 硬件电路的设计 3 3 1 电源部分 对于任何一个电子系统来说，供电部分的设计都是不可轻视的，它直接关系 到系统工作的稳定性和可靠性。功率、电源纹波、负载调整率、输入波动的承受 能力以及抗干扰能力等都是需要认真考虑的。对于本系统来说，总输入电源为引 入的机载直流电源，再通过内部转换电路将其转化为需要的工作电压。 系统的模拟电路部分主要负责外部输入信号和系统输出信号的部分模拟电路 处理功能，主要包括： 来自驾驶舱的开关切换信号，主要是一些+ 2 8 v 和0 v 的开关信号； 一部分外部直流电压信号和内部控制信号，包括执行机构电位计信号、功 率驱动芯片的控制参考电压等，幅度为o v 至+ 2 8 v ； 执行电机的功率驱动和控制信号，执行电机的工作电压为机载直流电压， 即+ 2 8 v ； 故障警告输出信息等，这些警告控制电压一般为+ 2 8 v 至o v 由上面的分析可见模拟电路部分主要采用的电压有+ 2 8 v 及对应的a g n d ，这 个电压可以采用引入的机载电源经过处理后得到。由于功率驱动芯片的控制信号 端口的参考电压必须在o 1 2 v 之间，因此模拟电路部分还必须有一个+