[發明專利]恒速螺旋槳變矩PID控制系統

有效

• 申請號: 201210430996.0
• 申請日: 2012-10-31
• 公開（公告）號: CN102923299A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 蔡偉;周乃恩
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: B64C11/44
• 分類號: B64C11/44
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

技術領域

本發明涉及一種適用于無人飛行器的恒速螺旋槳變矩控制系統。

背景技術

當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。定矩螺旋槳的槳矩不可變，具有成本低，結構簡單的優點，缺點為只在特定的速度范圍內效率較高。變矩螺旋槳的槳矩可變，通過內含的一套由液壓或電力驅動的變矩機構對槳矩進行調節。變矩螺旋槳一般帶有變矩控制系統，通過該控制系統調節槳矩，可以使發動機在不同油門下維持在恒定速度。因此控制系統工作效率在很大程度上決定了該螺旋槳的工作效率。

目前常見的變矩螺旋槳控制系統或為有人機使用，或設計過于簡單，不能滿足實際飛行的需要。有人機用變矩控制系統需要通過飛行員在空中進行手動設定以獲得需要的發動機轉速。該控制系統結果改造后，可以滿足無人飛行器的要求。但改造后的控制系統可靠性下降，對飛行器的安全構成了一定的威脅。設計簡單的變矩控制系統內部只引入螺旋槳轉速的反饋值。其原理為當螺旋槳轉速低于設定值時，調節轉矩電機往低槳矩變化，使發動機轉速升高。當螺旋槳轉速高于設定值時，調節轉矩電機往高槳矩變化，使發動機轉速降低。該控制系統缺點為調節速度與效率一般，很容易受到外界干擾的影響。甚至出現發動機轉速振蕩的情形。

近年來無人飛行器得到了快速發展，因此設計出恒速螺旋槳變矩控制系統成為動力系統中亟需解決的問題。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種抗干擾能力強、控制精度高、可靠性高的恒速螺旋槳變矩PID控制系統。

本發明的技術解決方案是：恒速螺旋槳變矩PID控制系統，包括控制電路、驅動電路、電流檢測電路、速度檢測電路、位置檢測電路；

控制電路接收飛行控制系統輸入的螺旋槳轉速設定信號，根據螺旋槳與發動機的比例關系確定發動機理論值；速度檢測電路、電流檢測電路分別將實時檢測轉矩電機的當前速度以及當前電流輸入至控制電路，位置檢測電路將實時檢測的螺旋槳當前位置輸入至控制電路；控制電路判斷轉矩電機的當前電流，若出現過流現象，則發出控制信號關閉驅動電路，否則讀入發動機檢測電路檢測的發動機的當前轉速，根據當前轉速與發動機理論值之差選擇比例環節的數值，根據選擇的比例環節數值、螺旋槳當前轉速、螺旋槳當前位置以及轉矩電機當前速度及當前位置采用PID算法輸出PWM信號至驅動電路，由驅動電路根據PWM信號控制轉矩電機的速度和方向，轉矩電機通過減速器驅動螺旋槳槳葉轉動，形成新的螺旋槳轉速以及發動機轉速，如此循環，當控制電路檢測到螺旋槳轉速小于100rpm時，表示螺旋槳處于停止狀態，關閉驅動電路。

所述的選擇比例環節的數值步驟如下：

(1)計算發動機當前轉速與發動機理論值之差E；

(2)對E進行判斷，當E＞200rpms時，設定比例環節P＝P3；當100rpm＜E≤200rpm時，設定P＝P2；當E≤100rpm時，設定P＝P1；P1＝0.8，P2＝0.86，P3＝0.9。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)本發明將轉矩電機的一系列反饋值引入到該控制系統中，不僅提高了控制系統精度和效率，并且提高了抗干擾能力，大大提高了控制系統的可靠性及效率。并且本發明通過引入可調比例環節值，即P值，根據實際發動機值與設定值之差選擇不同的P值提高系統快速響應能力。

(2)本發明采用PID控制器，通過改變控制器的參數，使其特性和實際控制過程相匹配，達到系統動態性能和靜態性能最優的目標。

(3)本發明通過驅動電路采用PWM信號，根據不同占空比調節轉矩電機的轉速和控制電機的正反轉，使螺旋槳轉速趨近設定值，防止在空中出現螺旋槳失速的情形。

附圖說明

圖1是本發明系統組成框圖；

圖2是本發明控制電路原理圖

圖3是本發明驅動電路原理圖；

圖4是轉矩電機過流保護電路原理圖；

圖5是指示電路原理圖；

圖6是本發明控制電路的工作流程框圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明系統包括控制電路、驅動電路、電流檢測電路、速度檢測電路、位置檢測電路；

控制電路接收飛行控制系統輸入的螺旋槳轉速設定信號，根據螺旋槳與發動機的比例關系確定發動機理論值；對于具體的無人飛行器，螺旋槳與發動機的轉速比例關系是一固定值，所以可以根據螺旋勁轉速設定信號以及比例關系簡單的確定發動機的理論值。