專(zhuān)利名稱(chēng)：恒速螺旋槳變矩pid控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于無(wú)人飛行器的恒速螺旋槳變矩控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前飛行器用螺旋槳可分為定矩螺旋槳和變矩螺旋槳兩大類(lèi)。定矩螺旋槳的槳矩不可變，具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為只在特定的速度范圍內(nèi)效率較高。變矩螺旋槳的槳矩可變，通過(guò)內(nèi)含的一套由液壓或電力驅(qū)動(dòng)的變矩機(jī)構(gòu)對(duì)槳矩進(jìn)行調(diào)節(jié)。變矩螺旋槳一般帶有變矩控制系統(tǒng)，通過(guò)該控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳矩，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同油門(mén)下維持在恒定速度。因此控制系統(tǒng)工作效率在很大程度上決定了該螺旋槳的工作效率。
目前常見(jiàn)的變矩螺旋槳控制系統(tǒng)或?yàn)橛腥藱C(jī)使用，或設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，不能滿(mǎn)足實(shí)際飛行的需要。有人機(jī)用變矩控制系統(tǒng)需要通過(guò)飛行員在空中進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定以獲得需要的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)結(jié)果改造后，可以滿(mǎn)足無(wú)人飛行器的要求。但改造后的控制系統(tǒng)可靠性下降，對(duì)飛行器的安全構(gòu)成了一定的威脅。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的變矩控制系統(tǒng)內(nèi)部只引入螺旋槳轉(zhuǎn)速的反饋值。其原理為當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電機(jī)往低槳矩變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電機(jī)往高槳矩變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低。該控制系統(tǒng)缺點(diǎn)為調(diào)節(jié)速度與效率一般，很容易受到外 界干擾的影響。甚至出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩的情形。
近年來(lái)無(wú)人飛行器得到了快速發(fā)展，因此設(shè)計(jì)出恒速螺旋槳變矩控制系統(tǒng)成為動(dòng)力系統(tǒng)中亟需解決的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高、可靠性高的恒速螺旋槳變矩PID控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是恒速螺旋槳變矩PID控制系統(tǒng)，包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路、位置檢測(cè)電路；
控制電路接收飛行控制系統(tǒng)輸入的螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)，根據(jù)螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)的比例關(guān)系確定發(fā)動(dòng)機(jī)理論值；速度檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路分別將實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前速度以及當(dāng)前電流輸入至控制電路，位置檢測(cè)電路將實(shí)時(shí)檢測(cè)的螺旋槳當(dāng)前位置輸入至控制電路；控制電路判斷轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前電流，若出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，則發(fā)出控制信號(hào)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，否則讀入發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)電路檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)理論值之差選擇比例環(huán)節(jié)的數(shù)值，根據(jù)選擇的比例環(huán)節(jié)數(shù)值、螺旋槳當(dāng)前轉(zhuǎn)速、螺旋槳當(dāng)前位置以及轉(zhuǎn)矩電機(jī)當(dāng)前速度及當(dāng)前位置采用PID算法輸出PWM信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路根據(jù) PWM信號(hào)控制轉(zhuǎn)矩電機(jī)的速度和方向，轉(zhuǎn)矩電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，形成新的螺旋槳轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，如此循環(huán)，當(dāng)控制電路檢測(cè)到螺旋槳轉(zhuǎn)速小于IOOrpm時(shí)，表示螺旋槳處于停止?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路。
所述的選擇比例環(huán)節(jié)的數(shù)值步驟如下3
(I)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)理論值之差E ；
(2)對(duì)E進(jìn)行判斷，當(dāng)E > 200rpms時(shí)，設(shè)定比例環(huán)節(jié)P = P3 ;當(dāng)IOOrpm < E 彡 200rpm 時(shí)，設(shè)定 P = P2 ;當(dāng) E 彡 IOOrpm 時(shí)，設(shè)定 P = Pl ；P1 = O. 8，P2 = O. 86，P3 =O. 9 ο
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是
(I)本發(fā)明將轉(zhuǎn)矩電機(jī)的一系列反饋值引入到該控制系統(tǒng)中，不僅提高了控制系統(tǒng)精度和效率，并且提高了抗干擾能力，大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性及效率。并且本發(fā)明通過(guò)引入可調(diào)比例環(huán)節(jié)值，即P值，根據(jù)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)值與設(shè)定值之差選擇不同的P值提高系統(tǒng)快速響應(yīng)能力。
(2)本發(fā)明采用PID控制器，通過(guò)改變控制器的參數(shù)，使其特性和實(shí)際控制過(guò)程相匹配，達(dá)到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能最優(yōu)的目標(biāo)。
(3)本發(fā)明通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路采用PWM信號(hào)，根據(jù)不同占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速和控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使螺旋槳轉(zhuǎn)速趨近設(shè)定值，防止在空中出現(xiàn)螺旋槳失速的情形。


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圖I是本發(fā)明系統(tǒng)組成框圖；2是本發(fā)明控制電路原理圖 3是本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電路原理圖；4是轉(zhuǎn)矩電機(jī)過(guò)流保護(hù)電路原理圖；5是指不電路原理圖；6是本發(fā)明控制電路的工作流程框圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路、 位置檢測(cè)電路；
控制電路接收飛行控制系統(tǒng)輸入的螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)，根據(jù)螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)的比例關(guān)系確定發(fā)動(dòng)機(jī)理論值；對(duì)于具體的無(wú)人飛行器，螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比例關(guān)系是一固定值，所以可以根據(jù)螺旋勁轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)以及比例關(guān)系簡(jiǎn)單的確定發(fā)動(dòng)機(jī)的理論值。
速度檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路分別將實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前速度以及當(dāng)前電流輸入至控制電路，位置檢測(cè)電路將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的螺旋槳當(dāng)前位置輸入至控制電路(具體通過(guò)光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的速度，電位計(jì)檢測(cè)經(jīng)過(guò)減速器后的螺旋槳的位置，通過(guò)電流傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的電流)；控制電路判斷轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前電流，若出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，則發(fā)出控制信號(hào)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，否則讀入發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)電路檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)理論值之差選擇比例環(huán)節(jié)的數(shù)值，根據(jù)選擇的比例環(huán)節(jié)數(shù)值、螺旋槳當(dāng)前轉(zhuǎn)速、 螺旋槳當(dāng)前位置以及轉(zhuǎn)矩電機(jī)當(dāng)前速度及當(dāng)前位置采用PID算法輸出PWM信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM信號(hào)控制轉(zhuǎn)矩電機(jī)的速度和方向，轉(zhuǎn)矩電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，形成新的螺旋槳轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，如此循環(huán)，當(dāng)控制電路檢測(cè)到螺旋槳轉(zhuǎn)速小于IOOrpm時(shí)，表示螺旋槳處于停止?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路。
如圖2所示，控制電路主要由控制芯片及其外圍電路組成，控制芯片選擇TI公司生產(chǎn)的MSP430F149型單片機(jī)，外圍電路包括由MP811構(gòu)成的復(fù)位電路、主時(shí)鐘電路和輔助時(shí)鐘電路。系統(tǒng)主時(shí)鐘為8M，輔助時(shí)鐘為32K。
控制電路根據(jù)從檢測(cè)電路接收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算調(diào)整PWM信號(hào)的占空比對(duì)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值相差過(guò)大時(shí)，增加PWM信號(hào)占空比提高轉(zhuǎn)矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值接近時(shí)，減小PWM信號(hào)占空比降低轉(zhuǎn)矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)內(nèi)部會(huì)瞬間產(chǎn)生較大的電流，所以在電路中加二極管起保護(hù)作用，見(jiàn)圖3中的D1、D2、D3和D4。
控制電路的工作流程如圖6所示，系統(tǒng)上電后開(kāi)始一系列的初始化工作，如打開(kāi)控制芯片內(nèi)的看門(mén)狗程序，當(dāng)程序出現(xiàn)“跑飛”情況時(shí)自動(dòng)重啟；打開(kāi)控制芯片P2.5 口的中斷，當(dāng)檢測(cè)到有轉(zhuǎn)速脈沖時(shí)，進(jìn)入中斷程序完成實(shí)際轉(zhuǎn)速的計(jì)算。讀入當(dāng)前轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)。 從控制芯片的A/D采集口 P6. O讀入當(dāng)前轉(zhuǎn)矩電機(jī)的電流信號(hào)，如果出現(xiàn)過(guò)流情形，則關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，否則讀入當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值，根據(jù)該值選擇P值，即比例環(huán)節(jié)數(shù)值。系統(tǒng)預(yù)設(shè)P值為P1，P2，P3，其中Pl < P2 < P3。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值與理論值偏差E > 200rpms時(shí)，設(shè)定 P = P3,提高實(shí)際轉(zhuǎn)速變化速率。當(dāng)IOOrpm < E < 200rpm時(shí),設(shè)定P = P2。當(dāng)E < IOOrpm 時(shí)，設(shè)定P = P1，此時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速變化率較小，可以防止出現(xiàn)超調(diào)量過(guò)大的情形。通過(guò)仿真與實(shí)際試驗(yàn)，Pl值為O. 8，P2值為O. 86，P3值為O. 9。
系統(tǒng)設(shè)定好比例環(huán)節(jié)的參數(shù)P值后，從螺旋槳自帶的傳感器讀入螺旋槳轉(zhuǎn)速信號(hào)、從速度檢測(cè)電路讀入轉(zhuǎn)矩電機(jī)速度信號(hào)、從位置檢測(cè)電路讀入螺旋槳位置信號(hào)，根據(jù)獲得的上述參數(shù)通過(guò)PID算法計(jì)算出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的速度和方向。當(dāng)檢測(cè)到螺旋槳轉(zhuǎn)速小于 IOOrpm時(shí)，表示螺旋槳處于停止?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)電路。PID算法是一種非常成熟的方法，其關(guān)鍵點(diǎn)是P值的確定，P值確定后，參照《自動(dòng)控制原理》中關(guān)于PID算法的介紹即可計(jì)算出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的速度和方向，此處關(guān)于算法不進(jìn)行贅述。
如圖3所示，轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由芯片L289N組成。L289N內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)46V，2A以下電機(jī)?？刂齐娐返目刂菩酒琍2. O 口與L289N使能端ENA連接，通過(guò)該口控制L289N工作。 P2. 6 口與INl 口連接，P2. 7 口與IN2 口連接。通過(guò)改變INl 口與IN2 口的高低電平就可以控制轉(zhuǎn)矩電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)ENA 口為高電平，INl 口為高電平，IN2 口為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)矩電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，槳矩往高槳矩變化。當(dāng)ENA 口為高電平，INl 口為低電平，IN2 口為高電平時(shí)， 轉(zhuǎn)矩電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，槳矩往低槳矩變化。當(dāng)ENA 口為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋路上的四個(gè)晶體管全部截止，L289N不工作，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。電流檢測(cè)電路通過(guò)電流傳感器檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的電流，為PID算法提供參數(shù)。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路。
如圖4所示，過(guò)流保護(hù)電路主要由運(yùn)算放大器U5組成，控制芯片根據(jù)P6. O處的電壓值計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)矩電機(jī)電流。當(dāng)轉(zhuǎn)矩電機(jī)位于極限位置時(shí)，該電流值超過(guò)設(shè)定的閾值，控制芯片P2.0 口輸出低電平信號(hào)到L298N中，使L298N不再工作，轉(zhuǎn)矩電機(jī)停止，不再向該位置繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制芯片設(shè)置轉(zhuǎn)矩電機(jī)只能往相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
如圖5所示，指示電路主要由綠色發(fā)光二極管DS12和紅色發(fā)光二極管DS13組成的。紅色發(fā)光二極管為電源指示燈，當(dāng)系統(tǒng)上電后，紅色指示燈亮。同時(shí)在軟件中設(shè)計(jì)了自檢功能，當(dāng)系統(tǒng)在自檢時(shí)，綠色指示燈閃爍。自檢完畢時(shí)，綠色指示燈常亮表示自檢未通過(guò)， 小燈熄滅表示自檢正常。
本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。
權(quán)利要求
1.恒速螺旋槳變矩PID控制系統(tǒng)，其特征在于包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路、位置檢測(cè)電路； 控制電路接收飛行控制系統(tǒng)輸入的螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)，根據(jù)螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)的比例關(guān)系確定發(fā)動(dòng)機(jī)理論值；速度檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路分別將實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前速度以及當(dāng)前電流輸入至控制電路，位置檢測(cè)電路將實(shí)時(shí)檢測(cè)的螺旋槳當(dāng)前位置輸入至控制電路；控制電路判斷轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前電流，若出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，則發(fā)出控制信號(hào)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，否則讀入發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)電路檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)理論值之差選擇比例環(huán)節(jié)的數(shù)值，根據(jù)選擇的比例環(huán)節(jié)數(shù)值、螺旋槳當(dāng)前轉(zhuǎn)速、螺旋槳當(dāng)前位置以及轉(zhuǎn)矩電機(jī)當(dāng)前速度及當(dāng)前位置采用PID算法輸出PWM信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM信號(hào)控制轉(zhuǎn)矩電機(jī)的速度和方向，轉(zhuǎn)矩電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，形成新的螺旋槳轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，如此循環(huán)，當(dāng)控制電路檢測(cè)到螺旋槳轉(zhuǎn)速小于IOOrpm時(shí)，表示螺旋槳處于停止?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的恒速螺旋槳變矩PID控制系統(tǒng)，其特征在于所述的選擇比例環(huán)節(jié)的數(shù)值步驟如下 (1)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)理論值之差E; (2)對(duì)E進(jìn)行判斷，當(dāng)E> 200rpms時(shí)，設(shè)定比例環(huán)節(jié)P = P3 ;當(dāng)IOOrpm < E ^ 200rpm時(shí)，設(shè)定 P = P2 ;當(dāng) E < IOOrpm 時(shí)，設(shè)定 P = Pl ；P1 = O. 8，P2 = O. 86，P3 = O. 9。
全文摘要
恒速螺旋槳變矩PID控制系統(tǒng)，控制電路接收飛行控制系統(tǒng)輸入的螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)，根據(jù)螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)的比例關(guān)系確定發(fā)動(dòng)機(jī)理論值；速度檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路分別將實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前速度以及當(dāng)前電流輸入至控制電路，位置檢測(cè)電路將實(shí)時(shí)檢測(cè)的螺旋槳當(dāng)前位置輸入至控制電路；控制電路判斷轉(zhuǎn)矩電機(jī)的當(dāng)前電流，若出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，則發(fā)出控制信號(hào)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，否則讀入發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)電路檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)理論值之差選擇比例環(huán)節(jié)的數(shù)值，根據(jù)選擇的比例環(huán)節(jié)數(shù)值、螺旋槳當(dāng)前轉(zhuǎn)速、螺旋槳當(dāng)前位置以及轉(zhuǎn)矩電機(jī)當(dāng)前速度及當(dāng)前位置采用PID算法輸出PWM信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM信號(hào)控制轉(zhuǎn)矩電機(jī)的速度和方向。
文檔編號(hào)B64C11/44GK102923299SQ20121043099
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者蔡偉, 周乃恩 申請(qǐng)人:中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院