何也

（成都飛亞航空設(shè)備應(yīng)用研究所有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

為了減小直升機(jī)運(yùn)輸和入庫占用空間以及提高停放安全，需要將旋翼進(jìn)行折疊。旋翼折疊的方式有手動折疊、液壓折疊、電動折疊等方式。電動折疊方式自動化程度高、操作簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、重量輕、維護(hù)方便。在國內(nèi)，液壓折疊方式已有成熟應(yīng)用，但是對電動折疊研究起步較晚，電動折疊技術(shù)還處于研制試驗(yàn)階段。

電動折疊機(jī)構(gòu)是旋翼電動折疊系統(tǒng)的組成部分，折疊機(jī)構(gòu)利用電機(jī)輸出動力驅(qū)動直升機(jī)主槳葉折疊展開，通常在每片主槳葉的支臂上增加一個折疊接頭，折疊機(jī)構(gòu)安裝到折疊接頭內(nèi)部。折疊接頭在垂向有轉(zhuǎn)軸，折疊接頭繞轉(zhuǎn)軸開合帶動主槳葉折疊或展開。折疊接頭還有兩對連接耳，連接耳上有銷孔，展開時銷孔對正后銷插入銷孔即可鎖定折疊接頭。鎖定了全部折疊接頭后直升機(jī)才能飛行。

折疊機(jī)構(gòu)驅(qū)動折疊接頭開合動作，即折疊機(jī)構(gòu)的折疊展開功能，折疊機(jī)構(gòu)將銷插入或拔出，即折疊機(jī)構(gòu)的插銷拔銷功能。在飛行時，折疊機(jī)構(gòu)將銷插入銷孔中鎖定槳葉。折疊時，折疊機(jī)構(gòu)先拔銷再折疊槳葉到設(shè)定位置。展開時，折疊機(jī)構(gòu)先展開槳葉直到槳葉旋轉(zhuǎn)飛行位置同時銷孔對正，再將銷插入銷孔。

飛行時，折疊接頭的連接耳不能脫開，脫開會影響飛行安全，因此需要采取安全措施防止誤拔銷。

旋翼折疊時需要將主槳葉折疊到機(jī)尾方向，機(jī)尾方向有尾槳、整流罩等物件，若折疊到位的角度偏差較大，則會導(dǎo)致折疊過程主槳葉會與尾槳、整流罩等發(fā)生碰撞，也會導(dǎo)致折疊后的槳葉無法固定到機(jī)身，也會導(dǎo)致占用空間變大而不能正常入庫，因此對折疊到位角度精度和折疊過程可靠性要求較高。

折疊機(jī)構(gòu)需要具有拔銷、折疊、展開、插銷功能，電動折疊機(jī)構(gòu)的動力來自于電機(jī)。折疊機(jī)構(gòu)內(nèi)部需要電機(jī)驅(qū)動電路，需要有傳動機(jī)構(gòu)，需要有傳感器，需要有控制電路，即折疊機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化產(chǎn)品。折疊機(jī)構(gòu)具有機(jī)電一體化產(chǎn)品的共性，其控制方法也有特殊性。

1 功能和性能需求

折疊機(jī)構(gòu)是旋翼電動折疊系統(tǒng)的組成部分，實(shí)現(xiàn)將槳葉折疊、展開和鎖定。折疊機(jī)構(gòu)需要滿足功能需求和性能需求。其中,折疊機(jī)構(gòu)功能需求如下：

（1）具有拔銷、折疊、展開、插銷、停止功能；

（2）接收和執(zhí)行機(jī)電管理計(jì)算機(jī)指令功能；

（3）折疊角度讀取功能；

（4）故障檢測和上報功能；

（5）電氣保護(hù)功能；

（6）銷具有鎖定功能；

（7）故障記錄和折疊次數(shù)記錄功能。

折疊機(jī)構(gòu)性能需求主要有：折疊展開角度要求（140±0.2°），折疊展開時間要求（不大于50 s）。

2 硬件和軟件設(shè)計(jì)

折疊機(jī)構(gòu)采用的電機(jī)為永磁直流無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)功率密度大，有利于降低整機(jī)重量。傳動機(jī)構(gòu)需要驅(qū)動折疊接頭的旋轉(zhuǎn)和銷的平移，傳動原理如圖1所示。

圖1 折疊機(jī)構(gòu)傳動原理

電機(jī)輸出動力經(jīng)過直齒減速機(jī)構(gòu)減速后，輸入電磁離合器進(jìn)行分動。電磁離合器1接通時，動力分配到軸1時，絲桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動銷直線運(yùn)動，可以進(jìn)行插銷或拔銷。電磁離合器2接通時，動力分配到軸2時，行星齒輪減速后驅(qū)動折疊接頭折疊或展開。折疊接頭的折疊或展開會帶動角位移傳感器，角位移傳感器檢測到折疊或展開的角度位置。電機(jī)到折疊接頭的減速比為12000∶1。

折疊機(jī)構(gòu)內(nèi)部還設(shè)計(jì)有電磁制動器，制動器采用常閉式制動器，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時電磁鐵通電制動器釋放，在不工作時或折疊機(jī)構(gòu)未供電時制動器制動，禁止行星減速機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。展開時為確保連接耳的銷孔對正，采用了機(jī)械限位的方式來限制展開行程。

折疊機(jī)構(gòu)控制原理如圖2所示，微處理器電路選用DSP微處理器，控制電路采用了DSP+CPLD+IGBT架構(gòu)，DSP為控制電路核心，內(nèi)部固化有折疊機(jī)構(gòu)控制軟件，DSP微處理器電路實(shí)現(xiàn)通信和控制功能，CPLD實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)換向控制功能，IGBT構(gòu)成橋式電路以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)功能，電路中的E2PROM實(shí)現(xiàn)存儲折疊機(jī)構(gòu)的折疊目標(biāo)角度、折疊次數(shù)和故障代碼等。折疊機(jī)構(gòu)控制軟件流程如圖3所示。折疊機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制軟件，與機(jī)電管理計(jì)算機(jī)通信，接收機(jī)電管理計(jì)算發(fā)出的指令并執(zhí)行指令，控制軟件每隔100 ms進(jìn)行一次周期自檢，周期自檢檢測內(nèi)部硬件、監(jiān)測電源電壓和電機(jī)電流等。與機(jī)電管理計(jì)算機(jī)通信接口為RS422接口[6]，按照規(guī)定的通訊協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)接收指令和執(zhí)行結(jié)果匯報。

圖2 折疊機(jī)構(gòu)控制原理

圖3 折疊機(jī)構(gòu)控制軟件流程

3 理論分析

3.1 角度檢測和轉(zhuǎn)速檢測精度分析

由折疊機(jī)構(gòu)性能需求可知,折疊到位角度誤差為±0.2°，角度位移傳感器采用12位二進(jìn)制量化，則角位移傳感器精度為360/4096=0.088，其精度是折疊到位角度誤差的2倍，不能滿足精度要求。為提高檢測精度，將角度位移傳感器安裝到末級行星輪傳動的前級，末級行星輪傳動比為5∶1，并且角度位移傳感器采用多圈形式的角度位移傳感器，則角度位移傳感器的精度為360/（4096×5）=0.018,其精度是折疊到位角度誤差的11倍，滿足精度要求。折疊機(jī)構(gòu)電機(jī)到折疊接頭的減速比為12000∶1，則電機(jī)轉(zhuǎn)1圈，則主軸旋轉(zhuǎn)360/12000=0.03°。若電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制誤差為1圈，則主軸的旋轉(zhuǎn)角度誤差為0.03°，其精度是折疊到位角度誤差的7倍，滿足精度要求。

電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的檢測方法是對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用的電機(jī)是3對極無刷電機(jī)，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器有3個脈沖輸出，如圖4所示[4]。將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的三相脈沖進(jìn)行異或計(jì)算，則得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈有9個脈沖。微處理器電路對異或計(jì)算后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)所得脈沖數(shù)是電機(jī)圈數(shù)的9倍。單位時間測得的脈沖數(shù)，就是電機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣對電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測更靈敏了。若電機(jī)旋轉(zhuǎn)精度控制在1個脈沖即九分之一圈，則對應(yīng)到主軸的精度為360/（12000*9）=0.0033°，其精度是折疊到位角度誤差的60倍，滿足精度要求。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出脈沖

由于槳葉轉(zhuǎn)動慣性，在槳葉折疊到位時盡快停止電機(jī)，則需要盡量降低到位前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和及時將電機(jī)制動，盡量降低到位前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和及時將電機(jī)制動[4]。電機(jī)制動后，傳動機(jī)構(gòu)不會因振動而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致誤拔銷，也可以防止風(fēng)力吹動槳葉反向驅(qū)動折疊機(jī)構(gòu)。

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速分配

折疊時折疊機(jī)構(gòu)驅(qū)動主槳葉順時針方向或逆時針方向轉(zhuǎn)向機(jī)尾，因此折疊角度最大會大于90°，達(dá)到140°。展開時將主槳葉順時針方向或逆時針方向展開，直到連接耳的銷孔對正。為保證銷孔對正，采用了機(jī)械限位的方式來限制展開行程，到達(dá)機(jī)械限位位置時，擠壓機(jī)械限位裝置，控制電路會檢測到電機(jī)電流陡升，立即停止電機(jī)旋轉(zhuǎn)，結(jié)合檢測到的展開角度，可以判斷展開是否到位。

由折疊機(jī)構(gòu)性能需求可知,要求展開時間為不大于50 s，保留3 s的余量，按47 s進(jìn)行時間分配。先需要轉(zhuǎn)動槳葉，提高轉(zhuǎn)速，最后還需要降低轉(zhuǎn)速逐漸接近目標(biāo)位置，即展開過程有加速段、勻速段、減速段、擠壓段，每段分配的轉(zhuǎn)速和時間是不同的。在最大折疊行程為140°情況下，展開角度與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖5所示，展開過程的電機(jī)轉(zhuǎn)速和時間分配見表1。

圖5 展開角度與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

表1 電機(jī)轉(zhuǎn)速和時間分配

在展開時，折疊機(jī)構(gòu)控制軟件需要按此分配要求先規(guī)劃電機(jī)轉(zhuǎn)速，在擠壓段，槳葉轉(zhuǎn)速為0.07 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為857 r/min，轉(zhuǎn)速很低，也能避免擠壓力過大。在折疊時，由于折疊過程無需擠壓，低速漸進(jìn)到目標(biāo)位置即可。

展開過程中，先電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，再低速擠壓機(jī)械限位達(dá)到目標(biāo)位置，這樣的控制方法可稱為勻速展開低速擠壓的控制方法。

3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

為了實(shí)現(xiàn)折疊過程速度和時間分配要求，以及折疊過程轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速需進(jìn)行閉環(huán)控制，本設(shè)計(jì)采用了PID閉環(huán)方式，如圖6所示[1]。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理框

圖6中，S（t）為給轉(zhuǎn)速，M（t）為檢測轉(zhuǎn)速，E（t）為轉(zhuǎn)速偏差值,Pwm（t）為電機(jī)控制量，Y（t）為主軸轉(zhuǎn)速。Pwm=Kp*Error+Ki*Integral+Kd*Derivative。Error為誤差項(xiàng)，Integral為積分項(xiàng)，Derivative為微分項(xiàng)。

3.4 3次擠壓過程控制

展開過程經(jīng)過擠壓階段后銷孔完全對正才能進(jìn)行插銷，若銷孔沒有完全對正會影響插銷是否能成功，為了提高插銷成功率，采取了3次擠壓控制方法。流程圖如圖7所示。

圖7 3次展開控制流程

采用3次擠壓控制方法需注意兩個關(guān)鍵，即擠壓力控制和再次擠壓前折疊設(shè)定角度控制。

為控制好擠壓力，需要在擠壓過程中實(shí)時檢測電機(jī)電流，電機(jī)電流越大則擠壓力越大，若電機(jī)電流超過設(shè)定值，則認(rèn)為此次擠壓到機(jī)械限位位置，視為銷孔已對正，展開過程成功可以進(jìn)行插銷。

重新插銷前需要先折疊設(shè)定角度，然后停止，再開始再次展開。采用3次擠壓控制方法將插銷成功率提高到99.9%以上。

3.5 安全措施

折疊機(jī)構(gòu)屬于機(jī)載產(chǎn)品，發(fā)生故障后存在影響飛行安全的可能，通過FMECA分析，嚴(yán)酷度I類故障有在飛行中誤拔銷故障和折疊到位錯誤故障，因此必須采取防范措施降低發(fā)生概率[5]。

（1）安全銷鎖定措施

插銷到位位置和拔銷到位位置都安裝有霍爾傳感器和安全銷，在插銷到位位置時霍爾傳感器送出開關(guān)量信號到微處理器電路，微處理器電路也會釋放安全銷，安全銷內(nèi)部的鎖銷在彈簧的作用下，插入槽內(nèi)鎖定輸出銷防止其平移，即防止了誤拔銷。同時，安全銷內(nèi)部的微動開關(guān)也會被接通，送出開關(guān)量信號到微處理器電路，以檢測安全銷已正常鎖定，也間接檢測到處于插銷到位狀態(tài)?；魻杺鞲衅餍盘栕鳛榘武N和插銷的到位停止觸發(fā)條件，安全銷內(nèi)部的微動開關(guān)信號作為確認(rèn)條件。在飛行時，折疊機(jī)構(gòu)處于插銷到位狀態(tài)，供電被停止，安全銷保持在鎖定位置，這些措施都能防止銷發(fā)生平移，即防范誤拔銷故障發(fā)生。

（2）到位開關(guān)確認(rèn)措施

角位移傳感器內(nèi)部有角度傳感器，實(shí)時送出槳葉角度位置，槳葉角度位置作為折疊到位的觸發(fā)條件，折疊到正確的角度范圍時，安裝在到位位置的霍爾傳感器還會送出折疊到位開關(guān)信號作為折疊到位的確認(rèn)條件，控制軟件可以檢測到折疊到位開關(guān)信號，并將其作為判斷折疊是否成功的必要條件，這樣提高折疊到位檢測的可靠性，防范折疊到位錯誤故障發(fā)生。

（3）電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和時間確認(rèn)措施

折疊機(jī)構(gòu)在執(zhí)行拔銷、折疊、展開、插銷過程中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和時間都有監(jiān)測，并與正確的圈數(shù)和時間比對，若出現(xiàn)異常會報失敗故障，也防范了誤拔銷故障和折疊到位錯誤故障發(fā)生。

（4）周期自檢措施

折疊機(jī)構(gòu)控制軟件每隔100 ms進(jìn)行一次周期自檢[3]，周期自檢的檢測點(diǎn)有電源電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、角位移傳感器、電磁線圈電流、安全銷位置、霍爾位置傳感器等，在檢測到硬件故障時及時處理和匯報，保證了硬件的完好，也防范了誤拔銷故障和折疊到位錯誤故障發(fā)生。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

折疊機(jī)構(gòu)在研制過程中，進(jìn)行了功能試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、半實(shí)物故障注入試驗(yàn)、試飛試驗(yàn)等驗(yàn)證[2]。

4.1 功能試驗(yàn)

折疊機(jī)構(gòu)樣機(jī)在折疊試驗(yàn)臺上進(jìn)行了功能試驗(yàn)，折疊試驗(yàn)臺由電腦、折疊接頭工裝、力矩傳感器、增速器、磁粉離合器、角位移傳感器等組成，可以模擬折疊、展開過程中的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對折疊機(jī)構(gòu)的檢測和試驗(yàn)。功能試驗(yàn)測試了拔銷、折疊、展開、插銷等功能，記錄了折疊角度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、展開時間、工作電流等參數(shù)，所有參數(shù)均合格。將測得的角度位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速繪制成曲線，如圖8所示。從圖8中，可以看出，在加速段與勻速段過渡時和高速段向減速段過渡時均有過沖現(xiàn)象，但是在機(jī)上試驗(yàn)時未感覺到有轉(zhuǎn)速跳動現(xiàn)象，這樣的過沖可以接受。

圖8 實(shí)測的轉(zhuǎn)動角度與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

4.2 耐久試驗(yàn)

折疊機(jī)構(gòu)樣機(jī)在折疊試驗(yàn)臺上進(jìn)行了耐久試驗(yàn)，按照載荷譜，試驗(yàn)臺模擬不同載荷，共進(jìn)行了5800次拔銷、折疊、展開、插銷，折疊機(jī)構(gòu)工作均正常。

4.3 半實(shí)物故障注入試驗(yàn)

將折疊機(jī)構(gòu)樣機(jī)的電路板放在開放環(huán)境下，通過改變電路元件或接入電氣信號，以注入故障。先后注入了電源故障、霍爾傳感器故障、微動開關(guān)故障、電機(jī)過流故障、角位移傳感器故障、電磁線圈開路故障等，折疊機(jī)構(gòu)均能檢測并匯報故障。

4.4 試飛試驗(yàn)

折疊機(jī)構(gòu)安裝在直升機(jī)上，在有風(fēng)載和機(jī)身搖晃情況下，進(jìn)行了旋翼折疊試驗(yàn)，折疊機(jī)構(gòu)拔銷、折疊、展開、插銷工作正常，折疊到位位置精度滿足要求。

5 結(jié)論

電動折疊機(jī)構(gòu)采用主槳葉折疊展開過程電機(jī)轉(zhuǎn)速分配方法和折疊角度檢測方法提高折疊展開角度檢測精度，采取快速展開低速擠壓控制方法和采用三次擠壓控制方法大大提高插銷成功率，安全銷鎖定措施和折疊到位開關(guān)確認(rèn)措施是有效的防范故障措施。采用本控制方法經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，旋翼電動折疊機(jī)構(gòu)能夠滿足直升機(jī)旋翼折疊系統(tǒng)的要求。