CN108750086B - 一种直升机电动尾桨变距变速协同控制方法及装置 - Google Patents

一种直升机电动尾桨变距变速协同控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

该发明公开了一种直升机电动尾桨变距变速协同控制方法，属于直升机技术领域，更为具体的讲，是一种针对直升机的电动式尾桨的控制方法。本发明提出的电动尾桨控制方法，一方面，能够保证尾桨转速，在大部分工况下，较传统的机械传动式尾桨转速低，从而降低直升机尾桨***需用功率，节约能耗；另一方面，该控制方法考虑了由于桨叶惯性导致调速响应慢，以及单纯的在低桨速调距导致控制余量的问题，提出协同变距变速机制，保证了电动尾桨的动态响应性能和足够的控制余量。

Description

一种直升机电动尾桨变距变速协同控制方法及装置
技术领域
本发明属于直升机技术领域，更为具体的讲，是一种针对直升机的电动式尾桨的控制方法。
技术背景
传统的直升机尾桨操纵较复杂，其转速因与主旋翼传动链相耦合而不能实现独立调速，而独立式电驱动尾桨，可以减少大部分机械传动部件、降低机构的复杂性，从而提高直升机的安全性和可靠性，但电动式尾桨的控制方法一直是个难点技术问题，专利《直升机的尾桨驱动***及其控制方法》(授权号：CN 105667786B)提出的尾桨控制方法，采用的是根据直升机飞行状态确定最优转速、继而控制电机调速，再通过偏航通道的陀螺仪反馈的数据，确定桨距角控制量。该方法并没有考虑到旋翼惯性和桨距角余量的问题，在尾桨需用推力急剧上升情况下，偏航通道的动态性能难以保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种直升机电动尾桨装置的设计方案，以及变距变速协同控制方法，它只需根据偏航通道的飞控指令和陀螺仪数据，实时确定桨速、桨距角的调节量，减少了原有方法计算的复杂性和实用性，同时保证尾桨快速的动态响应。
本发明通过以下技术方案来实现：一种直升机电动尾桨装置，该装置包括尾桨、电动机-减速器一体机、动力电逆变器、控制器、动力蓄电池、起动/发电机及整流器、低压二次电源；所述的尾桨包括尾旋翼以及舵机在内的变距机构，舵机带动变距机构调节尾旋翼的桨距角，尾旋翼与电动机-减速器一体机连接；所述动力电逆变器一边与电动机-减速器一体机连接，另一边与动力蓄电池连接，动力电逆变器可将动力蓄电池中的电力提供给电动机-减速器一体机，也可以将电动机-减速器一体机减速时产生的电力存储到动力蓄电池中；所述控制器控制动力电逆变器的电流方向；所述低压二次电源为动力电逆变器、控制器提供电力；所述起动/发电机及整流器为尾桨提供稳定的电力，在动力蓄电池电量不够的情况下，为动力蓄电池充电。
一种直升机电动尾桨变距变速协同控制方法，控制器集成了实时计算尾桨桨距角和转速的优化匹配模块，即变距变速协同机制，以及对舵机的位置闭环控制方法、对电机的速度、电流闭环控制方法。控制器输入包括由直升机总控制器传递的偏航指令rd、主旋翼变距信息δm，以及直升机偏航通道的陀螺仪实时反馈的角速率信息rbf。通过输入的信息，确定尾桨所需产生推力的变化，结合尾桨当前转速ωfd与舵机转角反馈值δfd，利用变距变速协同机制实时确定桨速和桨距角的调节量Δω、Δδ，然后将所需桨速ωped和桨距δped信息分别传递给电机转速控制模块和舵机控制模块，电机和舵机同时驱动尾桨、变距机构运动，实现变距变速协同控制的目的，完成电动尾桨平衡主旋翼扭矩和偏航的功能。
本发明中的变距变速协同机制是电动尾桨实现调节偏航通道推力或拉力的关键之处，本发明技术方案为：一种直升机电动尾桨变距变速协同控制方法，该方法为当电动尾桨控制器接受到来自直升机总控制器发出的偏航速率指令rd与主旋翼变距信息δm、陀螺仪反馈的角速率信息rbf，首先计算尾桨所需推力较上一周期应该减小(TL-)或增大(TL+)；
当尾桨推力需要减小时，首先判断当前尾桨速是否已达到许用最低桨速ω0，若尾桨速已达到ω0则减小桨距角(Δδ-)，若桨速还未达到ω0，首先减小桨速(Δω-)，此时对于桨叶由于存在惯性，桨速不一定能够快速降低到目标值，需要调节桨距角协助改变尾桨推力TL，根据陀螺仪反馈的角速率信息rbf确定需要减小的桨距角值(Δδ-)；
当尾桨推力需要增大时，首先根据控制输入u＝u(rd、δm、rbf)计算较上一控制周期推力增大的程度(ΔTL(k)＝TL(k)-TL(k-1))，针对尾桨参数与直升机实际工况，预先划分了尾桨推力增量的三个区域范围：小增量区域fL(Δu，ε1)、中增量区域fM(Δu，ε2)、大增量区域fH(Δu，ε3)，以及桨距角变化区域：低(δ0,δ1)、中(δ1,δ2)、高(δ2,δ3)三个区域，判断所需推力增量ΔTL+属于以上哪个区域，同时根据舵机位置反馈信号δfd判断桨距角处于低、中、高哪个区域，再根据如下情况决策桨距角Δδ、转速Δω各自增大顺序，而增大程度通过修改各自作用函数的作用因子实现；
当尾桨推力增量为小增量区域，桨距角变化为低区域时，直接改变桨距角；
当尾桨推力增量为小增量区域，桨距角变化为中区域时，首先改变桨距角，其次再改变转速；
当尾桨推力增量为小增量区域，桨距角变化为高区域时，首先改变转速，其次改变桨距角；
当尾桨推力增量为中增量区域，桨距角变化为低区域时，首先改变桨距角，其次再改变转速；
当尾桨推力增量为中增量区域，桨距角变化为中区域时，改变桨距角或转速；
当尾桨推力增量为中增量区域，桨距角变化为高区域时，首先改变转速，其次改变桨距角；
当尾桨推力增量为大增量区域，桨距角变化为低区域时，首先改变桨距角，其次再改变转速；
当尾桨推力增量为大增量区域，桨距角变化为中区域时，改变桨距角或转速；
当尾桨推力增量为大增量区域，桨距角变化为高区域时，首先改变转速，其次改变桨距角。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明提出的电动尾桨控制方法，一方面，能够保证尾桨转速，在大部分工况下，较传统的机械传动式尾桨转速低，从而降低直升机尾桨***需用功率，节约能耗；另一方面，该控制方法考虑了由于桨叶惯性导致调速响应慢，以及单纯的在低桨速调距导致控制余量的问题，提出协同变距变速机制，保证了电动尾桨的动态响应性能和足够的控制余量。
附图说明
图1为直升机电动尾桨及供电方案示意图；
图2为电动尾桨供电***及控制结构示意图；
图3为变距变速协同控制机制示意图；
图4为增大尾桨推力变距变速协同控制机制示意图。
图中：1.尾桨，2.高功率密度电机(减速器)，3.动力电逆变器，4.控制器，5.二次电源，6.动力蓄电池，7.起动/发电机及整流器，8.偏航通道角速率信号，9.偏航指令信号，10.主旋翼变距信号，11.变距变速协同算法模块，12.电动尾桨控制算法模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种直升机电动尾桨装置，该装置包括尾桨、电动机-减速器一体机、动力电逆变器、控制器、动力蓄电池、起动/发电机及整流器、低压二次电源等。
如图1所示，给出了直升机电动尾桨及供电方案示意图，其包括：尾桨1、高功率密度电机(减速器)2、动力电逆变器3、控制器4、二次电源5、动力蓄电池6、起动/发电机及整流器7。各部件主要连接方式为：带变距机构的尾桨和电机连接，电机为尾桨提供动力，实现调速；动力电逆变器与电机和舵机电气连接，提供各自的驱动电压，逆变器母线电压通过发电机经整流器输入，整流器输出直流电压经直流-直流(DC-DC)变换器将多余电能存入动力蓄电池，当母线电压不足时，蓄电池能够反馈电能到母线电路；控制器综合逆变器电流、电压参数、舵机位置信息、电机的速度与电流信息控制、直升机总控命令、偏航通道陀螺仪数据等信息，控制逆变器为电机、舵机产生所需的驱动电压，控制器以及逆变器的控制电路由直升机低压二次电源供电。
如图2所示，给出了电动尾桨供电***及控制结构，其包括偏航通道角速率信号8、偏航指令信号9、主旋翼变距信号10、变距变速协同算法模块11、电动尾桨控制算法模块12。各部件的主要连接方式为：陀螺仪反馈的角速率信息rbf、主旋翼变距信息δm、直升机总控的偏航指令信号rd作为变距变速协同算法模块的输入，变距变速协同算法模块计算出尾桨所需桨速ωped和桨距δped，结合电机及舵机当前状态，将其当前状态反馈给电动尾桨控制算法模块以得到尾桨电机与舵机实际转速和桨距角变化量，将得到的电机转速输入电机、得到的桨距角变化量输入舵机，以实现变距变速协同控制。
如图3、如图4所示，首先根据控制输入u＝u(rd、δm、rbf)计算得出尾桨推力TL较上一周期应该减小(TL-)或增大(TL+)。如果尾桨推力较上一周期需要减小判断尾桨速度是否达到可用最低桨速ω0，若桨速已到ω0，减小桨距角(Δδ-)，若桨速未到ω0，先减小桨速(Δω-)。如果尾桨推力较上一周期需要增大，估算出较上一控制周期推力增大的程度(ΔTL(k)＝TL(k)-TL(k-1))，针对尾桨参数与直升机实际工况，预先划分了尾桨推力变化的三个区域范围：小增量区域fL(Δu，ε1)、中增量区域fM(Δu，ε2)、大增量区域fH(Δu，ε3)，以及桨距角变化区域：低(δ0,δ1)、中(δ1,δ2)、高(δ2,δ3)，得到推力增量ΔTL+和舵机位置反馈信号δfd属于图4状态表state(δ，fx(Δu，εi))的哪个区域，结合各自作用函数的作用因子调节推力增量和桨距角增量的增大程度。

Claims (2)

1.一种直升机电动尾桨变距变速协同控制方法，该方法为当电动尾桨控制器接受到来自直升机总控制器发出的偏航速率指令与主旋翼变距信息、陀螺仪反馈的角速率信息，首先计算尾桨所需推力较上一周期应该减小或增大；
当尾桨推力需要减小时，首先判断当前尾桨速是否已达到许用最低桨速，若尾桨速已达到则减小桨距角，若桨速还未达到，首先减小桨速，此时对于桨叶由于存在惯性，桨速不一定能够快速降低到目标值，需要调节桨距角协助改变尾桨推力，根据陀螺仪反馈的角速率信息确定需要减小的桨距角值；
当尾桨推力需要增大时，首先根据控制输入计算较上一控制周期推力增大的程度，针对尾桨参数与直升机实际工况，预先划分了尾桨推力增量的三个区域范围：小增量区域、中增量区域、大增量区域，以及桨距角变化区域：低、中、高三个区域，判断所需推力增量属于以上哪个区域，同时根据舵机位置反馈信号判断桨距角处于低、中、高哪个区域，再根据如下情况决策桨距角、转速各自增大顺序，而增大程度通过修改各自作用函数的作用因子实现；
当尾桨推力增量为小增量区域，桨距角变化为低区域时，直接改变桨距角；
当尾桨推力增量为小增量区域，桨距角变化为中区域时，首先改变桨距角，其次再改变转速；
当尾桨推力增量为小增量区域，桨距角变化为高区域时，首先改变转速，其次改变桨距角；
当尾桨推力增量为中增量区域，桨距角变化为低区域时，首先改变桨距角，其次再改变转速；
当尾桨推力增量为中增量区域，桨距角变化为中区域时，改变桨距角或转速；
当尾桨推力增量为中增量区域，桨距角变化为高区域时，首先改变转速，其次改变桨距角；
当尾桨推力增量为大增量区域，桨距角变化为低区域时，首先改变桨距角，其次再改变转速；
当尾桨推力增量为大增量区域，桨距角变化为中区域时，改变桨距角或转速；
当尾桨推力增量为大增量区域，桨距角变化为高区域时，首先改变转速，其次改变桨距角。
2.一种应用如权利要求1所述方法的直升机电动尾桨装置，该装置包括尾桨、电动机-减速器一体机、动力电逆变器、控制器、动力蓄电池、起动/发电机及整流器、低压二次电源；所述的尾桨包括尾旋翼以及舵机在内的变距机构，舵机带动变距机构调节尾旋翼的桨距角，尾旋翼与电动机-减速器一体机连接；所述动力电逆变器一边与电动机-减速器一体机连接，另一边与动力蓄电池连接，动力电逆变器可将动力蓄电池中的电力提供给电动机-减速器一体机，也可以将电动机-减速器一体机减速时产生的电力存储到动力蓄电池中；所述控制器控制动力电逆变器的电流方向；所述低压二次电源为动力电逆变器、控制器提供电力；所述起动/发电机及整流器为尾桨提供稳定的电力，在动力蓄电池电量不够的情况下，为动力蓄电池充电。
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