某型直升機旋翼轉速調節器的設計

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練作出了重要貢獻。但由于機載電子設備嚴重老華,特別是旋翼轉速調節器,自90年代以來,因故障率大高,嚴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化研制。

1 旋翼轉速調節系統簡介

直升機在飛行過程中,無論處于什么飛行狀態,與飛機本身最好的特性和參數相對應的最佳旋翼轉速是一定的。對于該型直升機,當空速小于150km/h時,旋翼轉速的最佳值為207轉/分;而當空速大于150km/h時為212轉/分。若僅靠飛行員手工操作,使旋翼轉速穩定不變是相當麻煩的,而利用旋翼轉速調節器就能自動地將旋翼轉速穩定在這兩個最佳值上。

旋翼轉速調節系統如圖1所示。

發動機經主減速器驅動速發電機產生三相交流電,輸送到旋翼轉速表指示器。同時,將其中的一相傳送到旋翼轉速調節器,其交流電的頻率與旋翼轉速成正比。在調節器中,首先通過檢測網絡對輸入信號的頻率進行檢測。當旋翼轉速為基準轉速

（207轉/分或212轉/分）時,交流電的輸入信號頻率為基準頻,調節器沒有輸出信號。當旋翼偏離基準轉速時,輸入信號的頻率也相應發生偏移,這時檢測網絡檢測到這個偏移,并轉換成直流偏差信號加到γ放大器進行前置放大,然后關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動作,使發生機油門增大或減小。油門的增大或減小,使發動機的輸出功率隨之變化,從而使旋翼轉速向減小偏移的方向變化。當達到基準轉速時,調節器的輸出信號為零,作動筒電機停止工作,發動機油門位置不變,旋翼轉速便穩定在基準值上。

當飛行速度大于150km/h時,飛機儀表板上的“N.207-N.212”轉換警告燈亮,提醒飛行員將旋翼轉速調到212轉/分的穩定值上。當“N.207-N.212”轉換開關被扳對“N.212”位置上時,一個固定的負偏壓通過開關觸點加到γ放大器的輸入端,使γ放大器的輸入基準發生正向偏移。因此,旋翼轉速也就被穩定在212轉/分;當飛行速度減到150km/h以下時的轉換過程與此相反。

2 旋轉速調節器總體設計方案

（1）為了便于改裝,保持原轉速傳感器、作動筒電機和調節器的外圍接口不變;

（2）采用專用集成電路設計檢測與轉換、綜合與放大電路;

（3）利用先進的PWM控制技術（PWM控制技術是利用半導體開關器件的導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到變壓、變頻的目的）,采用專用功率集成電路設計功率放大器;

（4）為了使作動筒電機轉動速度與作動筒的負荷基本無關而只受功率放大器輸入信號大小的控制（與旋翼轉速誤差信號的大小成正比）,設計轉速跟隨電路。總體設計方案原理框圖如圖2所示。

2.1 檢測網絡和γ放大器設計

檢測網絡和γ放大器設計電路如圖3所示。它由波形轉換電路、頻率-電壓變換電路、前置放大電路、基準電壓產生電路和差動放大電路組成。從轉速發電機傳輸過來的正弦波信號經過LM339過零比較器轉化為矩形波信號,該信號與正弦波信號的頻率相同。矩形波信號經VFC32頻率-電壓轉換電路轉換為電壓信號,該電壓信號經INA118前置放大后與基準電壓一起送到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計。整個電路分兩級實現,第一級利用UC3637及其外圍電路實現雙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端為固定負偏差直流電壓信號,它由機N.207-N.212轉換電路提供;a、b兩路信號為來自測速反蝕電路的直流電壓信號。當飛機的真空速度小于150km/h時,c端信號經過前置放大（d端無信號輸入）,由UC3637產生雙PWM波輸出,經過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的正轉與反轉,將旋翼的轉速穩定在207轉/分。當飛機的真空速度大于150km/h時,c、d兩路信號經疊加處理,由UC3637和L298兩級電路將旋翼的轉速穩定在212轉/分。為了使作動筒電機在作動筒達到終點時停止轉動,利用UC3637內部的關機比較器控制繼電器J的通和斷,從而實現電機的終點行程控制。

2.3 速度反饋電路的研制

采用電阻網絡采集作動筒電機兩端的電壓,經分壓后得到的a、b兩點反饋電壓（見圖4）與轉速成正比。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,從而實現電機的轉速與負載無關。

3 系統調試

新研制的旋翼轉速調節器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,達到了穩定旋翼轉速的要求;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。新研制的旋翼轉速調節器性能指標和原有國外產品的性能指標對照如表1所示。

表1 性能指標對照表

通過地面校驗器進行校驗裝機試飛,不僅各項性能指標達到并部分超過國外進口產品所提性能指標要求,而且克服了飛機掉速的缺陷。該項目的完成,使旋翼轉速調節器從器從根本上實現了國產化,具有顯著的經濟效益。