一种直升机旋翼防除冰电控子系统验证技术

2018-07-27刘搏

电子制作 2018年13期

刘搏

(中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001)

1 背景

直升机旋翼防除冰技术作为保证直升机在结冰气象条件下安全飞行的关键技术，在经历“十五”和“十一五”预先研究工作之后，首次应用于直升机上。

目前作为直升机旋翼防除冰的监控及执行部件，旋翼防除冰电控子系统其供电控制系统设计是否合理、控制律的设计是否正确以及旋翼防除冰工作时对机上电源系统的影响等验证工作变得十分必要。然而国内关于旋翼防除冰电控子系统地面验证工作均未能提出一套完整的验证方案。

鉴于上述问题，在充分理解直升机旋翼防除冰工作原理的前提下，本文提供了一种旋翼防除冰电控子系统验证技术，能使该系统在地面试验室得到验证。

2 设计方法

目前直升机旋翼防除冰组成及原理框图见图1，按照功能划分为以下几个子系统：探测子系统、电控子系统以及加热子系统。

探测子系统用于探测直升机所处环境的大气温度及结冰情况，由大气温度传感器和结冰探测器组成：大气温度传感器用于探测直升机所处环境的大气温度，由PT100铂电阻、壳体及连接器组成，其基本原理为PT100铂电阻受到温度变化后引起阻值变化，通过测量其阻值，能准确反映出当前传感器所处环境的温度；结冰探测器用于给出结冰告警信号，其基本原理为结冰探测器探头以固有的额定频率振动，当探头处受到冰层覆盖后，探头的振动频率会发生变化，通过振动频率的改变反应探头处的结冰厚度，当结冰厚度到达告警阈值时，同时给出告警信号。

大气温度传感器和结冰探测器将相应的信号发送给电控子系统。电控子系统作为旋翼防除冰的重要部件，由旋翼防除冰控制器、防除冰控制面板、防除冰配电盒、主桨集流环和尾桨集流环组成：旋翼防除冰控制器在接收到探测子系统大气温度及结冰告警数据后，依据给定的控制律将主、尾桨加热控制指令发送给防除冰配电盒，同时将工作状态发送给综合显示及告警系统；防除冰配电盒根据旋翼防除冰控制器发出的控制指令，将旋翼防除冰加热电源分配给主桨集流环和尾桨集流环。

主桨集流环由静止部件和旋转部件组成，静止部件连接防除冰配电盒，旋转部件连接主桨加热组件，静止部件与旋转部件通过电刷接触，用于将防除冰配电盒输出的主桨加热电源传输至主桨加热组件中，从而实现主桨防除冰的供电及控制功能。

尾桨集流环由静止部件和旋转部件组成，静止部件连接防除冰配电盒，旋转部件连接尾桨加热组件，静止部件与旋转部件通过电刷接触，用于将防除冰配电盒输出的尾桨加热电源传输至尾桨加热组件中，从而实现尾桨防除冰的供电及控制功能。

加热子系统由安装在主桨叶内部的主桨加热组件和安装在尾桨叶内的尾桨加热组件组成，均由高精度航空电阻组成，用于将主、尾桨加热电源转化成热能，旋翼防除冰工作时主、尾桨叶内部的加热组件发热导致桨叶表面温度高于桨叶表面结冰温度，从而实现主、尾桨叶的防除冰功能。

图1 旋翼防除冰原理框图

根据当前直升机旋翼防除冰系统组成及原理，为了验证电控子系统，需要对旋翼防除冰电控子系统的输入条件即探测子系统进行模拟，因此，本文采用了电力电子技术、计算机技术、智能化数字信号发生器等实现对结冰信号和大气温度信号的模拟，建立防除冰系统工作的输入条件：选用高精度电阻对大气温度传感器进行模拟；选用智能化数字信号发生器对结冰探测器的振动频率进行模拟，完成了旋翼防除冰电控子系统输入环境的搭建。

其次，本文选用了大功率阻性负载，用于模拟加热子系统，完成了旋翼防除冰电控子系统输出环境的搭建。

第三，考虑实际工作情况时，主、尾桨集流环均处于旋转状态，因此，本文采用了伺服电机与集散式控制系统（DCS）技术、计算机技术实现对集流环组件运转的驱动和控制，其中运转部分为空心电机直接驱动，最大程度的模拟了产品在直升机上的真实安装情况。

最后，由于旋翼防除冰实际工作时，加热子系统的主、尾桨加热组件均安装在旋转的主、尾桨叶中，在试验室的验证过程中，考虑试验的可实施性及安全性，无法将模拟加热子系统的大功率阻性负载同实际情况的主、尾桨叶一样处于旋转状态，因此，本文采用大功率多路工艺集流环实现动态到静态的转换，解决主、尾桨加热组件实际运转工作状态下模拟负载的加载问题。实现了旋翼防除冰电控系统成品验证的功能。

基于上述设计思路，本文提出的验证技术包含信号模拟器、低速运转台、高速运转台、测试控制台、中频地面电源、主桨模拟负载和尾桨模拟负载，原理框图见图2。

（1）信号模拟器

模拟防除冰探测子系统输出的相关参数，包括大气温度信号及结冰告警信号，由高精度电阻、数字信号发生器、指示灯和工控机组成：高精度电阻用于模拟大气温度传感器；数字信号发生器用于模拟结冰探测器；指示灯用于模拟机上的告警指示灯；工控机用于模拟旋翼防除冰控制器的上位机，与旋翼防除冰控制器进行RS422通信，实时显示旋翼防除冰控制器与机上的通讯信息。

（2）低速运转台

低速运转台用于模拟主桨集流环组件安装环境，由低速伺服电机和大功率工艺集流环组成。低速伺服电机用于模拟机上主桨转速；大功率工艺集流环由静环和动环组成：动环与主桨集流环的旋转部件相连，静环与主桨模拟负载相连，低速运转台工作时，主桨加热电源由防除冰配电盒（静止）—主桨集流环静止部件（静止）—主桨集流环旋转部件（旋转）—大功率工艺集流环动环（旋转）—大功率工艺集流环静环（静止）—主桨模拟负载。从而实现主桨加热电信号从动态到静态的转换功能。

（3）高速运转台

高速运转台用于模拟尾桨集流环组件安装环境，由高速伺服电机和大功率工艺集流环组成。高速伺服电机用于模拟机上尾桨转速；大功率工艺集流环由静环和动环组成：动环与尾桨集流环的旋转部件相连，静环与尾桨模拟负载相连，高速运转台工作时，尾桨加热电源由防除冰配电盒（静止）—尾桨集流环静止部件（静止）—尾桨集流环旋转部件（旋转）—大功率工艺集流环动环（旋转）—大功率工艺集流环静环（静止）—尾桨模拟负载。从而实现尾桨加热电信号从动态到静态的转换功能。

（4）测试控制台

控制高、低速运转台的启/停，并通过计算机操作界面设置转速及实时显示实际运转速度。

（5）中频地面电源

模拟机上交流电源系统给旋翼防除冰系统提供三相115V/400Hz交流中频电源。

（6）主桨模拟负载

模拟主桨的加热组件的用电功率。

（7）尾桨模拟负载

模拟尾桨的加热组件的用电功率。