魯佩政　王進　陳迪

摘 要：分析了飛機輸油泵在不同工作狀態(tài)下的控制特點，采用STC89C52單片機的PWM技術，研究了油泵電機電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制的方法，達到了油泵電機過壓、過流控制保護和告警的目的。

關鍵詞：輸油泵；PWM；單片機；雙閉環(huán)控制

引言

飛機輸油泵是用來給發(fā)動機輸送燃油的。隨著飛機飛行狀態(tài)的改變，發(fā)動機的供油量也需發(fā)生相應的變化。目前，飛機上的輸油泵始終以恒定的轉(zhuǎn)速運行，其輸油量的大小只受輸油控制活門的控制，無法根據(jù)發(fā)動機的需油量來調(diào)節(jié)輸油泵的供油量，只將影響油泵的使用壽命。為了這種工作狀態(tài)，使輸油泵能根據(jù)發(fā)動機供油量進行轉(zhuǎn)速的控制，使輸油泵工作在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài)，以延長輸油泵的使用壽命，進行了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究。

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是應用較廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)，應用較為廣泛。隨著微電子技術、微處理器的發(fā)展，使調(diào)速系統(tǒng)的各種功能幾乎都可以通過微處理器來實現(xiàn)?；趩纹瑱CPWM控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的四象限運行，完成對直流電機的轉(zhuǎn)速控制，具有動態(tài)響應速度快、輸出波形好、體積小、電機速度控制平穩(wěn)、電機調(diào)速范圍寬等特點。該課題的研究，在提高飛機輸油泵的工作可靠性及自保護能力，減小耗電損失等方面都有著重要意義。同時也能提高本科學員專業(yè)能力和科研能力，為以后的機務工作以及開展科學研究打好基礎。

1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)基本原理

傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但只能滿足一般生產(chǎn)機械的調(diào)速要求。為了提高生產(chǎn)效率，縮短起動、制動過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態(tài)轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使系統(tǒng)以最大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，進入轉(zhuǎn)矩和負載平衡的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。要實現(xiàn)上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負反饋控制的方法，即采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)。

圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串聯(lián)使用，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器控制晶閘管，實現(xiàn)電機的雙閉環(huán)控制。

2 數(shù)字式雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計

2.1 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖

本系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控芯片。由單片機產(chǎn)生的PWM信號，經(jīng)光耦隔離電路來驅(qū)動由BTS7960構(gòu)成的驅(qū)動電路，控制油泵電機的轉(zhuǎn)速；采用差分放大電路來檢測電流信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后通過A/D轉(zhuǎn)換電路，反饋到單片機，以實現(xiàn)油泵電機的電流檢測；通過單片機的計數(shù)器來監(jiān)測由光電編碼器檢測到的輸油泵轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)單片機對油泵電機的轉(zhuǎn)速控制。其功能框圖如圖2所示。通過以上設計，實現(xiàn)了雙閉環(huán)直流調(diào)速。該控制方式不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性，而且還為整個系統(tǒng)的多功能、智能化提供了必要條件。

2.2 功率放大電路和電流檢測電路

BTS7960是應用于電機驅(qū)動的大電流半橋高度集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、過壓、欠壓、過流及短路保護等功能。其原理電路如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 PWM的基本原理

PWN是通過固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩邊的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應用在許多方面，比如：電機轉(zhuǎn)速、溫度控制、壓力控制等等。

在PWM驅(qū)動控制的調(diào)速系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓的大小，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅(qū)動裝置”。

3.2 基于單片機的PWM信號發(fā)生器設計

采用單片機生成PWM控制時，必須先確定好載波比N（或2N）。對于變頻器來說，如果頻率變化較大，那么在整個頻率范圍內(nèi)若采用同一個載波比的同步調(diào)制方案，將難以兼顧高頻和低頻輸出時的性能。選用較高頻時往往會由于輸出PWM開關頻率極限過高，會造成開關的損耗增加，對器件開關頻率極限要求也會提高，而選擇較小的載波比，又會造成低頻輸出時過于稀疏，使電流脈動增大，諧波分量增加。最常用的方法是分段同步調(diào)制的方法，以獲得較好的控制特性。

PWM的載波周期是由載波周期定時器來控制的。本系統(tǒng)采用定時器0進行中斷，采用周期為1毫秒，當定時到來時，向CPU發(fā)出中斷申請，CPU響應中斷并執(zhí)行中斷服務程序，該中斷服務程序的任務是將保存在內(nèi)存中的PWM開關定時數(shù)據(jù)送至PWM波定時器，并啟動此定時器工作，然后再計算下一個載波周期的PWM數(shù)據(jù)并保存。PWM波的定時器根據(jù)載波周期定時中斷服務程序送來的開關數(shù)據(jù)進行定時控制，在中斷服務中完成對PWM的換相并輸出至中斷口。

4 過載保護盒誤告警設計

4.1 軟件保護

雙閉環(huán)系統(tǒng)本身就具有一定的過壓過流保護能力，為了減少故障率，通過單片機實現(xiàn)軟件級別保護。其軟件流程如圖4所示。

利用差分放大原理將采集到的油泵電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，利用A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬電流信號轉(zhuǎn)換成單片機能進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號，用單片機編程實現(xiàn)對電機的過壓過流進行軟件級別的保護。單片機軟件中設定好過流門限數(shù)值之后，軟件通過A/D實時采集電流檢測電路輸出的電壓信號，并計算得到對應的電流值，與設定的過壓過流保護門限值進行比較。如果電壓值和電流值大于門限值，則執(zhí)行相應的電機保護動作，單片機輸出控制信號，使電極電路斷開，可以進行手動復位重啟；如果實時電壓電流值小于門限值，則繼續(xù)采集電壓電流值進行比較，以此循環(huán)。

4.2 硬件保護

軟件級別的過壓過流保護，響應速度較硬件級別保護慢，若在程序跑飛的情況下不能提供保護，所以在電機電路上串一個斷路器，程序跑飛時電路仍有自保護功能。

4.3 誤告警設計

在輸油過程中，系統(tǒng)會對輸油泵電機進行低轉(zhuǎn)速控制，從而造成輸油泵出口壓力過低，油壓信號傳感器會發(fā)出油壓過低，進而造成誤告警或啟動引射泵。為使在輸油泵電機進行調(diào)速控制時不會出現(xiàn)誤告警情況發(fā)生。系統(tǒng)進行了防誤告警設計。

在輸油過程中，當電機轉(zhuǎn)速降低時，輸油泵出口壓力也過低，這屬于正常情況。這時，不應輸出告警信號，也不應使油泵停止工作。此時，通過檢測電機電流來判斷系統(tǒng)的工作情況，避免誤報警。

單片機控制電機轉(zhuǎn)速升高時，電流變大，泵的輸出功率增大，電機電流增大。單片機通過檢測電機電流，來判斷系統(tǒng)正在使油泵電機轉(zhuǎn)速向增大的方向控制，這時出口壓力應逐漸變大，如果此時出口壓力過低則屬于不正?，F(xiàn)象，應發(fā)出告警信號。

5 結(jié)束語

本設計采用單片機代替原模擬系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)了直流電動機數(shù)字化調(diào)速。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了輸油泵能根據(jù)供油量進行轉(zhuǎn)速、電流的調(diào)節(jié)，具有一定的實用價值。

參考文獻

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[2]倪忠遠.直流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：科技出版社，1996：98-113.

作者簡介：魯佩政（1990-），男，空軍第一航空學院航空儀電工程系學員十二隊學員，研究方向：航空特設。

指導教員：陳迪（1986-），男，空軍第一航空學院航空儀電工程系講師，研究方向：航空特設。