旋翼电动折叠控制方法研究

何也

（成都飞亚航空设备应用研究所有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

为了减小直升机运输和入库占用空间以及提高停放安全，需要将旋翼进行折叠。旋翼折叠的方式有手动折叠、液压折叠、电动折叠等方式。电动折叠方式自动化程度高、操作简便、结构紧凑、可靠性高、重量轻、维护方便。在国内，液压折叠方式已有成熟应用，但是对电动折叠研究起步较晚，电动折叠技术还处于研制试验阶段。

电动折叠机构是旋翼电动折叠系统的组成部分，折叠机构利用电机输出动力驱动直升机主桨叶折叠展开，通常在每片主桨叶的支臂上增加一个折叠接头，折叠机构安装到折叠接头内部。折叠接头在垂向有转轴，折叠接头绕转轴开合带动主桨叶折叠或展开。折叠接头还有两对连接耳，连接耳上有销孔，展开时销孔对正后销插入销孔即可锁定折叠接头。锁定了全部折叠接头后直升机才能飞行。

折叠机构驱动折叠接头开合动作，即折叠机构的折叠展开功能，折叠机构将销插入或拔出，即折叠机构的插销拔销功能。在飞行时，折叠机构将销插入销孔中锁定桨叶。折叠时，折叠机构先拔销再折叠桨叶到设定位置。展开时，折叠机构先展开桨叶直到桨叶旋转飞行位置同时销孔对正，再将销插入销孔。

飞行时，折叠接头的连接耳不能脱开，脱开会影响飞行安全，因此需要采取安全措施防止误拔销。

旋翼折叠时需要将主桨叶折叠到机尾方向，机尾方向有尾桨、整流罩等物件，若折叠到位的角度偏差较大，则会导致折叠过程主桨叶会与尾桨、整流罩等发生碰撞，也会导致折叠后的桨叶无法固定到机身，也会导致占用空间变大而不能正常入库，因此对折叠到位角度精度和折叠过程可靠性要求较高。

折叠机构需要具有拔销、折叠、展开、插销功能，电动折叠机构的动力来自于电机。折叠机构内部需要电机驱动电路，需要有传动机构，需要有传感器，需要有控制电路，即折叠机构是机电一体化产品。折叠机构具有机电一体化产品的共性，其控制方法也有特殊性。

1 功能和性能需求

折叠机构是旋翼电动折叠系统的组成部分，实现将桨叶折叠、展开和锁定。折叠机构需要满足功能需求和性能需求。其中,折叠机构功能需求如下：

（1）具有拔销、折叠、展开、插销、停止功能；

（2）接收和执行机电管理计算机指令功能；

（3）折叠角度读取功能；

（4）故障检测和上报功能；

（5）电气保护功能；

（6）销具有锁定功能；

（7）故障记录和折叠次数记录功能。

折叠机构性能需求主要有：折叠展开角度要求（140±0.2°），折叠展开时间要求（不大于50 s）。

2 硬件和软件设计

折叠机构采用的电机为永磁直流无刷电机，直流无刷电机功率密度大，有利于降低整机重量。传动机构需要驱动折叠接头的旋转和销的平移，传动原理如图1所示。

图1 折叠机构传动原理

电机输出动力经过直齿减速机构减速后，输入电磁离合器进行分动。电磁离合器1接通时，动力分配到轴1时，丝杆旋转驱动销直线运动，可以进行插销或拔销。电磁离合器2接通时，动力分配到轴2时，行星齿轮减速后驱动折叠接头折叠或展开。折叠接头的折叠或展开会带动角位移传感器，角位移传感器检测到折叠或展开的角度位置。电机到折叠接头的减速比为12000∶1。

折叠机构内部还设计有电磁制动器，制动器采用常闭式制动器，在电机旋转时电磁铁通电制动器释放，在不工作时或折叠机构未供电时制动器制动，禁止行星减速机构旋转。展开时为确保连接耳的销孔对正，采用了机械限位的方式来限制展开行程。

折叠机构控制原理如图2所示，微处理器电路选用DSP微处理器，控制电路采用了DSP+CPLD+IGBT架构，DSP为控制电路核心，内部固化有折叠机构控制软件，DSP微处理器电路实现通信和控制功能，CPLD实现无刷电机换向控制功能，IGBT构成桥式电路以实现驱动电机功能，电路中的E2PROM实现存储折叠机构的折叠目标角度、折叠次数和故障代码等。折叠机构控制软件流程如图3所示。折叠机构运行控制软件，与机电管理计算机通信，接收机电管理计算发出的指令并执行指令，控制软件每隔100 ms进行一次周期自检，周期自检检测内部硬件、监测电源电压和电机电流等。与机电管理计算机通信接口为RS422接口[6]，按照规定的通讯协议进行通信，实现接收指令和执行结果汇报。

图2 折叠机构控制原理

图3 折叠机构控制软件流程

3 理论分析

3.1 角度检测和转速检测精度分析

由折叠机构性能需求可知,折叠到位角度误差为±0.2°，角度位移传感器采用12位二进制量化，则角位移传感器精度为360/4096=0.088，其精度是折叠到位角度误差的2倍，不能满足精度要求。为提高检测精度，将角度位移传感器安装到末级行星轮传动的前级，末级行星轮传动比为5∶1，并且角度位移传感器采用多圈形式的角度位移传感器，则角度位移传感器的精度为360/（4096×5）=0.018,其精度是折叠到位角度误差的11倍，满足精度要求。折叠机构电机到折叠接头的减速比为12000∶1，则电机转1圈，则主轴旋转360/12000=0.03°。若电机旋转控制误差为1圈，则主轴的旋转角度误差为0.03°，其精度是折叠到位角度误差的7倍，满足精度要求。

电机旋转圈数的检测方法是对电机转子位置传感器脉冲进行计数，采用的电机是3对极无刷电机，即电机旋转1圈，电机转子位置传感器有3个脉冲输出，如图4所示[4]。将电机转子位置传感器输出的三相脉冲进行异或计算，则得到电机旋转1圈有9个脉冲。微处理器电路对异或计算后的脉冲进行计数，计数所得脉冲数是电机圈数的9倍。单位时间测得的脉冲数，就是电机转速，这样对电机的转速检测更灵敏了。若电机旋转精度控制在1个脉冲即九分之一圈，则对应到主轴的精度为360/（12000*9）=0.0033°，其精度是折叠到位角度误差的60倍，满足精度要求。

图4 电机转子位置传感器输出脉冲

由于桨叶转动惯性，在桨叶折叠到位时尽快停止电机，则需要尽量降低到位前的电机转速和及时将电机制动，尽量降低到位前的电机转速和及时将电机制动[4]。电机制动后，传动机构不会因振动而旋转导致误拔销，也可以防止风力吹动桨叶反向驱动折叠机构。

3.2 电机转速分配

折叠时折叠机构驱动主桨叶顺时针方向或逆时针方向转向机尾，因此折叠角度最大会大于90°，达到140°。展开时将主桨叶顺时针方向或逆时针方向展开，直到连接耳的销孔对正。为保证销孔对正，采用了机械限位的方式来限制展开行程，到达机械限位位置时，挤压机械限位装置，控制电路会检测到电机电流陡升，立即停止电机旋转，结合检测到的展开角度，可以判断展开是否到位。

由折叠机构性能需求可知,要求展开时间为不大于50 s，保留3 s的余量，按47 s进行时间分配。先需要转动桨叶，提高转速，最后还需要降低转速逐渐接近目标位置，即展开过程有加速段、匀速段、减速段、挤压段，每段分配的转速和时间是不同的。在最大折叠行程为140°情况下，展开角度与电机转速的关系如图5所示，展开过程的电机转速和时间分配见表1。

图5 展开角度与电机转速关系

表1 电机转速和时间分配

在展开时，折叠机构控制软件需要按此分配要求先规划电机转速，在挤压段，桨叶转速为0.07 r/min，电机转速为857 r/min，转速很低，也能避免挤压力过大。在折叠时，由于折叠过程无需挤压，低速渐进到目标位置即可。

展开过程中，先电机转速较高，再低速挤压机械限位达到目标位置，这样的控制方法可称为匀速展开低速挤压的控制方法。

3.3 电机转速控制

为了实现折叠过程速度和时间分配要求，以及折叠过程转动平稳，电机转速需进行闭环控制，本设计采用了PID闭环方式，如图6所示[1]。

图6 电机转速控制原理框

图6中，S（t）为给转速，M（t）为检测转速，E（t）为转速偏差值,Pwm（t）为电机控制量，Y（t）为主轴转速。Pwm=Kp*Error+Ki*Integral+Kd*Derivative。Error为误差项，Integral为积分项，Derivative为微分项。

3.4 3次挤压过程控制

展开过程经过挤压阶段后销孔完全对正才能进行插销，若销孔没有完全对正会影响插销是否能成功，为了提高插销成功率，采取了3次挤压控制方法。流程图如图7所示。

图7 3次展开控制流程

采用3次挤压控制方法需注意两个关键，即挤压力控制和再次挤压前折叠设定角度控制。

为控制好挤压力，需要在挤压过程中实时检测电机电流，电机电流越大则挤压力越大，若电机电流超过设定值，则认为此次挤压到机械限位位置，视为销孔已对正，展开过程成功可以进行插销。

重新插销前需要先折叠设定角度，然后停止，再开始再次展开。采用3次挤压控制方法将插销成功率提高到99.9%以上。

3.5 安全措施

折叠机构属于机载产品，发生故障后存在影响飞行安全的可能，通过FMECA分析，严酷度I类故障有在飞行中误拔销故障和折叠到位错误故障，因此必须采取防范措施降低发生概率[5]。

（1）安全销锁定措施

插销到位位置和拔销到位位置都安装有霍尔传感器和安全销，在插销到位位置时霍尔传感器送出开关量信号到微处理器电路，微处理器电路也会释放安全销，安全销内部的锁销在弹簧的作用下，插入槽内锁定输出销防止其平移，即防止了误拔销。同时，安全销内部的微动开关也会被接通，送出开关量信号到微处理器电路，以检测安全销已正常锁定，也间接检测到处于插销到位状态。霍尔传感器信号作为拔销和插销的到位停止触发条件，安全销内部的微动开关信号作为确认条件。在飞行时，折叠机构处于插销到位状态，供电被停止，安全销保持在锁定位置，这些措施都能防止销发生平移，即防范误拔销故障发生。

（2）到位开关确认措施

角位移传感器内部有角度传感器，实时送出桨叶角度位置，桨叶角度位置作为折叠到位的触发条件，折叠到正确的角度范围时，安装在到位位置的霍尔传感器还会送出折叠到位开关信号作为折叠到位的确认条件，控制软件可以检测到折叠到位开关信号，并将其作为判断折叠是否成功的必要条件，这样提高折叠到位检测的可靠性，防范折叠到位错误故障发生。

（3）电机旋转圈数和时间确认措施

折叠机构在执行拔销、折叠、展开、插销过程中，电机旋转圈数和时间都有监测，并与正确的圈数和时间比对，若出现异常会报失败故障，也防范了误拔销故障和折叠到位错误故障发生。

（4）周期自检措施

折叠机构控制软件每隔100 ms进行一次周期自检[3]，周期自检的检测点有电源电压、电机转速、电机电流、角位移传感器、电磁线圈电流、安全销位置、霍尔位置传感器等，在检测到硬件故障时及时处理和汇报，保证了硬件的完好，也防范了误拔销故障和折叠到位错误故障发生。

4 试验验证

折叠机构在研制过程中，进行了功能试验、耐久试验、半实物故障注入试验、试飞试验等验证[2]。

4.1 功能试验

折叠机构样机在折叠试验台上进行了功能试验，折叠试验台由电脑、折叠接头工装、力矩传感器、增速器、磁粉离合器、角位移传感器等组成，可以模拟折叠、展开过程中的负载，实现对折叠机构的检测和试验。功能试验测试了拔销、折叠、展开、插销等功能，记录了折叠角度、电机转速、展开时间、工作电流等参数，所有参数均合格。将测得的角度位置和电机转速绘制成曲线，如图8所示。从图8中，可以看出，在加速段与匀速段过渡时和高速段向减速段过渡时均有过冲现象，但是在机上试验时未感觉到有转速跳动现象，这样的过冲可以接受。

图8 实测的转动角度与电机转速关系

4.2 耐久试验

折叠机构样机在折叠试验台上进行了耐久试验，按照载荷谱，试验台模拟不同载荷，共进行了5800次拔销、折叠、展开、插销，折叠机构工作均正常。

4.3 半实物故障注入试验

将折叠机构样机的电路板放在开放环境下，通过改变电路元件或接入电气信号，以注入故障。先后注入了电源故障、霍尔传感器故障、微动开关故障、电机过流故障、角位移传感器故障、电磁线圈开路故障等，折叠机构均能检测并汇报故障。

4.4 试飞试验

折叠机构安装在直升机上，在有风载和机身摇晃情况下，进行了旋翼折叠试验，折叠机构拔销、折叠、展开、插销工作正常，折叠到位位置精度满足要求。

5 结论

电动折叠机构采用主桨叶折叠展开过程电机转速分配方法和折叠角度检测方法提高折叠展开角度检测精度，采取快速展开低速挤压控制方法和采用三次挤压控制方法大大提高插销成功率，安全销锁定措施和折叠到位开关确认措施是有效的防范故障措施。采用本控制方法经过试验验证，旋翼电动折叠机构能够满足直升机旋翼折叠系统的要求。