某型直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

該型直升機(jī)自70年代中期引進(jìn)以來,為我國的科研和軍事訓(xùn)練作出了重要貢獻(xiàn)。但由于機(jī)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(jī)的完好率和出勤率。因此迫切需要對(duì)其進(jìn)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(jī)在飛行過程中,無論處于什么飛行狀態(tài),與飛機(jī)本身最好的特性和參數(shù)相對(duì)應(yīng)的最佳旋翼轉(zhuǎn)速是一定的。對(duì)于該型直升機(jī),當(dāng)空速小于150km/h時(shí),旋翼轉(zhuǎn)速的最佳值為207轉(zhuǎn)/分;而當(dāng)空速大于150km/h時(shí)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(dòng)地將旋翼轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在這兩個(gè)最佳值上。

旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)主減速器驅(qū)動(dòng)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生三相交流電,輸送到旋翼轉(zhuǎn)速表指示器。同時(shí),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(duì)輸入信號(hào)的頻率進(jìn)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(shí),交流電的輸入信號(hào)頻率為基準(zhǔn)頻,調(diào)節(jié)器沒有輸出信號(hào)。當(dāng)旋翼偏離基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速時(shí),輸入信號(hào)的頻率也相應(yīng)發(fā)生偏移,這時(shí)檢測網(wǎng)絡(luò)檢測到這個(gè)偏移,并轉(zhuǎn)換成直流偏差信號(hào)加到γ放大器進(jìn)行前置放大,然后關(guān)到功率放大器進(jìn)行功率放大,其輸出信號(hào)控制作動(dòng)筒電機(jī)動(dòng)作。作動(dòng)筒電機(jī)一旦動(dòng)作,便帶動(dòng)油門操縱連標(biāo)動(dòng)作,使發(fā)生機(jī)油門增大或減小。油門的增大或減小,使發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí),調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為零,作動(dòng)筒電機(jī)停止工作,發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí),飛機(jī)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(duì)“N.212”位置上時(shí),一個(gè)固定的負(fù)偏壓通過開關(guān)觸點(diǎn)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(shí)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(jì)方案

（1）為了便于改裝,保持原轉(zhuǎn)速傳感器、作動(dòng)筒電機(jī)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(jì)檢測與轉(zhuǎn)換、綜合與放大電路;

（3）利用先進(jìn)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(jì)功率放大器;

（4）為了使作動(dòng)筒電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與作動(dòng)筒的負(fù)荷基本無關(guān)而只受功率放大器輸入信號(hào)大小的控制（與旋翼轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)的大小成正比）,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速跟隨電路?？傮w設(shè)計(jì)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(jì)

檢測網(wǎng)絡(luò)和γ放大器設(shè)計(jì)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(dòng)放大電路組成。從轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)傳輸過來的正弦波信號(hào)經(jīng)過LM339過零比較器轉(zhuǎn)化為矩形波信號(hào),該信號(hào)與正弦波信號(hào)的頻率相同。矩形波信號(hào)經(jīng)VFC32頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),該電壓信號(hào)經(jīng)INA118前置放大后與基準(zhǔn)電壓一起送到INA118進(jìn)行差動(dòng)放大,最后得到直流誤差電壓信號(hào)ΔV輸出。

2.2 功率放大器電路的設(shè)計(jì)

選用直流電機(jī)雙PWM控制芯片UC3637和功率放大芯片L298作為核心器件進(jìn)行電路的改裝設(shè)計(jì)。整個(gè)電路分兩級(jí)實(shí)現(xiàn),第一級(jí)利用UC3637及其外圍電路實(shí)現(xiàn)雙PW輸出;第二級(jí)利用L298及其外圍電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行直接控制。其設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖中,c端來自檢測電路的誤差直流信號(hào);d端為固定負(fù)偏差直流電壓信號(hào),它由機(jī)N.207-N.212轉(zhuǎn)換電路提供;a、b兩路信號(hào)為來自測速反蝕電路的直流電壓信號(hào)。當(dāng)飛機(jī)的真空速度小于150km/h時(shí),c端信號(hào)經(jīng)過前置放大（d端無信號(hào)輸入）,由UC3637產(chǎn)生雙PWM波輸出,經(jīng)過L298控制機(jī)上28V直流電壓的接通與斷開,從而控制作動(dòng)筒電機(jī)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(jī)的真空速度大于150km/h時(shí),c、d兩路信號(hào)經(jīng)疊加處理,由UC3637和L298兩級(jí)電路將旋翼的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在212轉(zhuǎn)/分。為了使作動(dòng)筒電機(jī)在作動(dòng)筒達(dá)到終點(diǎn)時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng),利用UC3637內(nèi)部的關(guān)機(jī)比較器控制繼電器J的通和斷,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的終點(diǎn)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(dòng)筒電機(jī)兩端的電壓,經(jīng)分壓后得到的a、b兩點(diǎn)反饋電壓（見圖4）與轉(zhuǎn)速成正比。然后將a、b兩點(diǎn)反饋電壓輸入到儀表放大器INA118進(jìn)行差動(dòng)放大,儀表放大器的輸出信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。儀表放大器的輸出信號(hào)輸入到UC3637的誤差放大器,與輸入控制電壓進(jìn)行信號(hào)綜合處理,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jì)算和調(diào)整,保證了信號(hào)輸出的精度,波形規(guī)整,長時(shí)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(hào)傳遞關(guān)系簡單,便于地面維護(hù)人員的校驗(yàn)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(duì)照如表1所示。

表1 性能指標(biāo)對(duì)照表

通過地面校驗(yàn)器進(jìn)行校驗(yàn)裝機(jī)試飛,不僅各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到并部分超過國外進(jìn)口產(chǎn)品所提性能指標(biāo)要求,而且克服了飛機(jī)掉速的缺陷。該項(xiàng)目的完成,使旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器從器從根本上實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。