嚴 霜，廖俊必，林傳華

（四川大學制造學院，四川 成都 610065）

1 引 言

直升機電動絞車作為直升飛機的外掛物，其體積小重量輕，集機械、電控技術(shù)于一身，設(shè)備安全性要求高，其工作過程是：直升機在目標起吊物上空懸停，飛行員控制絞車放出鋼纜，達到預定長度后，起吊人員或物資。當絞車空載下降時，由于吊鉤自身重力不足和鋼纜導向機構(gòu)的摩擦阻力作用，會使鋼纜在絞車內(nèi)部卷曲，引起如鋼纜不能自由下放、排線混亂等一系列問題，使絞車不能安全工作。直接增加吊鉤配重可以解決這一問題，但是會增加絞車自重，造成電機功率浪費。因此，需為絞車設(shè)置專門的張力機構(gòu)[1]，實現(xiàn)輕載上升/下降時產(chǎn)生張力，張緊鋼纜；重載上升/下降時，不產(chǎn)生張力，則由重物直接作用使鋼纜張緊。國外的同類產(chǎn)品采用機械式實現(xiàn)這一功能，機構(gòu)復雜，較為笨重；國內(nèi)從論文來看，應(yīng)用于紡布卷繞機，印刷機的閉環(huán)恒張力控制系統(tǒng)較為普遍[2-4]，而應(yīng)用于電動絞車以及類似高性能輕型起吊機的可控變張力機構(gòu)則較為少見。

該系統(tǒng)采用單片機為核心控制單元實現(xiàn)信號采集與控制信號輸出，以直流力矩電機為執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)合雙極性可逆PWM控制，實現(xiàn)了一套基于力矩電機的可控變張力機構(gòu)，可根據(jù)載重情況和轉(zhuǎn)速方向調(diào)節(jié)張力。

2 變張力控制系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)實現(xiàn)鋼纜張力的方法是在絞車出纜口加裝張力主動輪和張力從動輪，張力主動輪由力矩電機驅(qū)動，它們共同作用產(chǎn)生方向和大小恰當?shù)哪Σ亮椭摾|張緊。張力機構(gòu)原理如圖1（a）、圖1（b）所示。在空載下降的時候，使張力輪與滾筒同時順時針轉(zhuǎn)動，且V0＜V1；上升時，兩者同時逆時針轉(zhuǎn)動，且V0＞V1，因此滾筒和張力輪之間恒定速度差形成的相對運動為鋼絲繩提供張力[5]，在上/下行時保持同向運動又避免了拉力作用對鋼纜的損害，從而確保卷盤上的鋼絲繩排列緊湊有序，設(shè)備運行安全可靠。

圖1 張力機構(gòu)原理示意圖

3 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)張力機構(gòu)原理，單片機讀入實時滾筒轉(zhuǎn)速信號和絞車載重信號，重載時不啟動張力電機，輕載上升、下降時分別控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，在單片機內(nèi)對采集數(shù)據(jù)進行計算和修正，在滾筒轉(zhuǎn)速改變時同時改變張力電機控制信號，實現(xiàn)V0和V1恒定的速度差，從而實現(xiàn)高效靈活的控制，控制方案框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

單片機采用高性能STC系列STC12C5A48S2為核心控制單元[6]，該單片機具有高速，高可靠性，低功耗，抗干擾強等特點，是全集成混合信號片上系統(tǒng)單片機，專門針對電機控制和強干擾場合。工作時，單片機完成實時滾筒角速度信號采集與處理，實時重量信號采集，PWM輸出控制。

正確采集轉(zhuǎn)速信號，實現(xiàn)V0和V1恒定速度差，是產(chǎn)生張力的關(guān)鍵，而纏繞機構(gòu)在卷繞過程中，當繞滿一層時，滾筒半徑發(fā)生變化，而傳感器所測速度為滾筒角速度，若以恒定半徑帶入計算線速度，由式V0=ωR，將不能得到實時的V0值，不能實現(xiàn)V0和V1恒定的速度差，影響控制效果。因此，在單片機內(nèi)需根據(jù)卷繞圈數(shù)對當前半徑進行修正，以得到實時的線速度。修正公式為：

R0——滾筒未纏繞時的半徑；

m——纏繞盤數(shù)；

S——當前滾筒轉(zhuǎn)動圈數(shù)；

D——滾筒長度；

d——鋼纜直徑。

PWM信號由單片機的定時/計數(shù)模塊實現(xiàn)，采用定頻調(diào)寬法。STC12C5A48S2中可編程計數(shù)陣列（PCA）提供了增強型計數(shù)功能，含有一個16位定時/計數(shù)器和2個捕捉/比較模塊，每個模塊都有獨立的I/O口，當PCA用在PWM模式下，可設(shè)定為8位或16位PWM輸出[2]。對8位PWM，使用外部時鐘源PWM頻率為：PCA時鐘輸入源頻率/256。系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)采集到的當前載重和轉(zhuǎn)速信號，改變寫入寄存器CCAPnH和CCAPnL的值可以改變PWM波的占空比，計算公式為：占空比=（256-CCAPnH）/256。由該公式可知，8位PWM輸出時，最大的占空比為100%，即預置數(shù)值（CCAPnH）為0時；最小的占空比為0.39%，即預置數(shù)（CCAPn）為255時，當向比較/捕捉模式寄存器ECOMn寫“0”時，可使PWM輸出0%的占空比。當PCA時鐘計數(shù)器的數(shù)值與預置值相等時，PWM輸出引腳為高電平，并持續(xù)到PCA0時鐘計數(shù)器溢出時恢復為低電平。

4 直流力矩電機驅(qū)動控制

經(jīng)試驗，兩輪之間張力等效2 kg重量時可以保證鋼纜張緊；張力電機調(diào)速范圍在0～1.2m/s，張力輪與鋼纜之間設(shè)計15N壓力。另外，本系統(tǒng)屬于低速系統(tǒng)，張力系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)還需注意低速平穩(wěn)性的問題。

他僥幸越獄，連夜逃跑回家，娘不在，看戲去了。他摸黑到戲場尋著娘。娘不看他，說，看戲吧。戲臺上演的《清官頌》……

4.1 直流力矩電機的工作原理與參數(shù)

在直流力矩電機的工作原理與直流伺服電機相同，直流伺服電機的轉(zhuǎn)矩公式為：

轉(zhuǎn)速公式為：

由上述公式可知，通過采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即采用繞組支路a=1的單波繞組的扁平型結(jié)構(gòu)可以使a最小，同時增加導體數(shù)N和極對數(shù)P，從而得到低速和大轉(zhuǎn)矩?？梢姡绷髁仉姍C是一種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的直流電動機。在本系統(tǒng)中采用力矩電機作為執(zhí)行機構(gòu)有以下優(yōu)點：（1）力矩電機可不需減速箱直接驅(qū)動負載，消除齒輪減速箱大大降低了重量，同時減小了摩擦力矩，消除了齒隙死區(qū)，為低速平穩(wěn)運行創(chuàng)造了條件；（2）采用直驅(qū)方式，理論加速度大，過渡過程中快速性好[7]，能夠快速跟隨滾筒轉(zhuǎn)速時變信號；（3）力矩電機磁極對數(shù)多，磁場分布均勻，因此在低速轉(zhuǎn)動時，亦能保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

本系統(tǒng)選用的直流力矩電機主要參數(shù)如下：

（1）峰值堵轉(zhuǎn)：電壓 28V，電流＜4A，轉(zhuǎn)矩＞2.5Nm

（2）連續(xù)堵轉(zhuǎn)：電壓15V，電流＜2.2A，轉(zhuǎn)矩＞1.3Nm

（3）最大空載轉(zhuǎn)速360r/min

（4）重量 0.7kg

（5）尺寸：φ110×φ45×20（外徑×內(nèi)徑×軸長）

經(jīng)試驗測定，系統(tǒng)所使用φ4 mm的鋼纜與鋁輪的滑動摩擦系數(shù)為0.48，可得張力輪與鋼纜之間滑動摩擦力為約7.2 N；當系統(tǒng)運行在最大速度1.2m/s時，最小輸出力矩N=0.98Nm，當張力輪設(shè)計半徑36 mm時，輸出張力27.2 N；可實現(xiàn)約20 N張力，等效2kg重量，滿足使用要求。

4.2 直流力矩電機的驅(qū)動控制

為實現(xiàn)張力電機速度方向的改變，同時保證系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性，選用雙極性可逆PWM系統(tǒng)驅(qū)動直流電動機，這種驅(qū)動方式適于低速變張力控制系統(tǒng)[8]。在每個PWM周期里，電樞平均電壓U0為：

其中，α為占空比。可見，當α=0時，U0=-Us，電動機反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當α=1時，U0=Us，電動機正傳且轉(zhuǎn)速最大；當α=1/2時，U0=0，電動機不轉(zhuǎn)，當單片機輸出的PWM信號的占空比改變時，由直流力矩電機的轉(zhuǎn)速公式可知，改變加在電機電樞的平均電壓，可以改變電機轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動控制采用美國國家半導體公司NS推出的專用于直流電機驅(qū)動的集成芯片LMD18200[9]，相比達林頓管或MOS管搭制的H橋電路，體積更小，可靠性更高。其電機電源電壓為0～55V，連續(xù)工作電流為3A，峰值電流為6A，可滿足本系統(tǒng)需求。在同一芯片上集成了BiCMOS控制電路和DMOS功率器件，可方便實現(xiàn)直流電機的雙極性和單極性控制。本系統(tǒng)使用雙極性驅(qū)動方式，PWM控制信號通過引腳3輸入，當占空比為50%時，輸出平均電壓為0，電動機不轉(zhuǎn)；當占空比大于50%時，平均電壓大于0，電機正轉(zhuǎn)；反之，電動機反轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動控制電路如圖3所示。

4.3 保護電路

（1）主控制器保護。由于電機的控制信號直接由單片機產(chǎn)生，而直流電機的驅(qū)動電路直接引入28 V的電壓，如果驅(qū)動電路出現(xiàn)了故障，電流可能會串入單片機，對單片機造成損害，所以要使電機驅(qū)動電路同電機控制電路完全隔離。本設(shè)計選用了超高速光電耦合器HCPL2630。HCPL2630是雙通道超快速型光電耦合器，響應(yīng)時間僅為45 ns，開關(guān)頻率可達10MHz，在傳輸速度上能完全滿足要求。

（2）驅(qū)動器保護：（a）為了防止感性負載開關(guān)工作瞬態(tài)過電壓對功率器件的損害，4個功率開關(guān)都設(shè)置有鉗位保護二極管，它們的反向恢復時間對上橋臂開關(guān)二極管約為70ns，對下橋臂開關(guān)二極管約為 100ns；（b）LMD18200 的 8 腳為電流檢測輸出，功率輸出電流1 A對應(yīng)8腳輸出電流為377 μA，并且有良好的線性度。由8腳對地串聯(lián)取樣電阻，用來檢測過流情況；（c）內(nèi)部過流保護電路設(shè)置的過流閾值為10 A左右，當電機出現(xiàn)過載情況時，會自動關(guān)斷功率開關(guān)，如果過流持續(xù)時間較長，過熱保護將關(guān)斷整個輸出；（d）芯片9腳在溫度達到145℃時，可發(fā)出過熱報警信號，它是集電極開路晶體管輸出，可用來向主控制器發(fā)出中斷請求，降低負載電流或命令張力電機停轉(zhuǎn)，溫度達到170℃時，將關(guān)閉輸出功率管。

圖3 電機驅(qū)動控制電路圖

5 結(jié)束語

變張力系統(tǒng)基于新型片上系統(tǒng)（Soc）單片機和LMD18200專用電機驅(qū)動芯片的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，與其他單片機PWM系統(tǒng)相比，使用元器件少，電路可靠性高；設(shè)計采用雙極模式控制的直流力矩電機驅(qū)動，雖電流脈動量較大，但在控制信號為零時，電路的高頻顫動特性有助于克服靜摩擦，改善系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性。試驗結(jié)果表明，占空比可根據(jù)實時信號在0～100%之間調(diào)節(jié)，電機運行平穩(wěn)，實現(xiàn)了一種重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，安全可靠的實時張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，是航空電動絞車和類似工程實踐中的理想方案。

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