航空電動(dòng)絞車?yán)p繞機(jī)構(gòu)變張力控制系統(tǒng)

嚴(yán) 霜，廖俊必，林傳華

（四川大學(xué)制造學(xué)院，四川 成都 610065）

1 引 言

直升機(jī)電動(dòng)絞車作為直升飛機(jī)的外掛物，其體積小重量輕，集機(jī)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(jī)在目標(biāo)起吊物上空懸停，飛行員控制絞車放出鋼纜，達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度后，起吊人員或物資。當(dāng)絞車空載下降時(shí)，由于吊鉤自身重力不足和鋼纜導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的摩擦阻力作用，會(huì)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(huì)增加絞車自重，造成電機(jī)功率浪費(fèi)。因此，需為絞車設(shè)置專門的張力機(jī)構(gòu)[1]，實(shí)現(xiàn)輕載上升/下降時(shí)產(chǎn)生張力，張緊鋼纜；重載上升/下降時(shí)，不產(chǎn)生張力，則由重物直接作用使鋼纜張緊。國(guó)外的同類產(chǎn)品采用機(jī)械式實(shí)現(xiàn)這一功能，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，較為笨重；國(guó)內(nèi)從論文來看，應(yīng)用于紡布卷繞機(jī)，印刷機(jī)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(dòng)絞車以及類似高性能輕型起吊機(jī)的可控變張力機(jī)構(gòu)則較為少見。

該系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心控制單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與控制信號(hào)輸出，以直流力矩電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)合雙極性可逆PWM控制，實(shí)現(xiàn)了一套基于力矩電機(jī)的可控變張力機(jī)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(shí)現(xiàn)鋼纜張力的方法是在絞車出纜口加裝張力主動(dòng)輪和張力從動(dòng)輪，張力主動(dòng)輪由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們共同作用產(chǎn)生方向和大小恰當(dāng)?shù)哪Σ亮椭摾|張緊。張力機(jī)構(gòu)原理如圖1（a）、圖1（b）所示。在空載下降的時(shí)候，使張力輪與滾筒同時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，且V0＜V1；上升時(shí)，兩者同時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，且V0＞V1，因此滾筒和張力輪之間恒定速度差形成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為鋼絲繩提供張力[5]，在上/下行時(shí)保持同向運(yùn)動(dòng)又避免了拉力作用對(duì)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(yùn)行安全可靠。

圖1 張力機(jī)構(gòu)原理示意圖

3 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)張力機(jī)構(gòu)原理，單片機(jī)讀入實(shí)時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速信號(hào)和絞車載重信號(hào)，重載時(shí)不啟動(dòng)張力電機(jī)，輕載上升、下降時(shí)分別控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，在單片機(jī)內(nèi)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和修正，在滾筒轉(zhuǎn)速改變時(shí)同時(shí)改變張力電機(jī)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)V0和V1恒定的速度差，從而實(shí)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(jī)采用高性能STC系列STC12C5A48S2為核心控制單元[6]，該單片機(jī)具有高速，高可靠性，低功耗，抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，是全集成混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)，專門針對(duì)電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場(chǎng)合。工作時(shí)，單片機(jī)完成實(shí)時(shí)滾筒角速度信號(hào)采集與處理，實(shí)時(shí)重量信號(hào)采集，PWM輸出控制。

正確采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)V0和V1恒定速度差，是產(chǎn)生張力的關(guān)鍵，而纏繞機(jī)構(gòu)在卷繞過程中，當(dāng)繞滿一層時(shí)，滾筒半徑發(fā)生變化，而傳感器所測(cè)速度為滾筒角速度，若以恒定半徑帶入計(jì)算線速度，由式V0=ωR，將不能得到實(shí)時(shí)的V0值，不能實(shí)現(xiàn)V0和V1恒定的速度差，影響控制效果。因此，在單片機(jī)內(nèi)需根據(jù)卷繞圈數(shù)對(duì)當(dāng)前半徑進(jìn)行修正，以得到實(shí)時(shí)的線速度。修正公式為：

R0——滾筒未纏繞時(shí)的半徑；

m——纏繞盤數(shù)；

S——當(dāng)前滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；

D——滾筒長(zhǎng)度；

d——鋼纜直徑。

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

4 直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

經(jīng)試驗(yàn)，兩輪之間張力等效2 kg重量時(shí)可以保證鋼纜張緊；張力電機(jī)調(diào)速范圍在0～1.2m/s，張力輪與鋼纜之間設(shè)計(jì)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(jī)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(chǎng)尋著娘。娘不看他，說，看戲吧。戲臺(tái)上演的《清官頌》……

4.1 直流力矩電機(jī)的工作原理與參數(shù)

在直流力矩電機(jī)的工作原理與直流伺服電機(jī)相同，直流伺服電機(jī)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(jì)，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(shí)增加導(dǎo)體數(shù)N和極對(duì)數(shù)P，從而得到低速和大轉(zhuǎn)矩?？梢?，直流力矩電機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的直流電動(dòng)機(jī)。在本系統(tǒng)中采用力矩電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）力矩電機(jī)可不需減速箱直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，消除齒輪減速箱大大降低了重量，同時(shí)減小了摩擦力矩，消除了齒隙死區(qū)，為低速平穩(wěn)運(yùn)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(shí)變信號(hào)；（3）力矩電機(jī)磁極對(duì)數(shù)多，磁場(chǎng)分布均勻，因此在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，亦能保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

本系統(tǒng)選用的直流力矩電機(jī)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(zhǎng)）

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，系統(tǒng)所使用φ4 mm的鋼纜與鋁輪的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.48，可得張力輪與鋼纜之間滑動(dòng)摩擦力為約7.2 N；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在最大速度1.2m/s時(shí)，最小輸出力矩N=0.98Nm，當(dāng)張力輪設(shè)計(jì)半徑36 mm時(shí)，輸出張力27.2 N；可實(shí)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(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

為實(shí)現(xiàn)張力電機(jī)速度方向的改變，同時(shí)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(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，這種驅(qū)動(dòng)方式適于低速變張力控制系統(tǒng)[8]。在每個(gè)PWM周期里，電樞平均電壓U0為：

其中，α為占空比?？梢姡?dāng)α=0時(shí)，U0=-Us，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)α=1時(shí)，U0=Us，電動(dòng)機(jī)正傳且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)α=1/2時(shí)，U0=0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，當(dāng)單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的占空比改變時(shí)，由直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知，改變加在電機(jī)電樞的平均電壓，可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動(dòng)控制采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司NS推出的專用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的集成芯片LMD18200[9]，相比達(dá)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(jī)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(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的雙極性和單極性控制。本系統(tǒng)使用雙極性驅(qū)動(dòng)方式，PWM控制信號(hào)通過引腳3輸入，當(dāng)占空比為50%時(shí)，輸出平均電壓為0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比大于50%時(shí)，平均電壓大于0，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3所示。

4.3 保護(hù)電路

（1）主控制器保護(hù)。由于電機(jī)的控制信號(hào)直接由單片機(jī)產(chǎn)生，而直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路直接引入28 V的電壓，如果驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)了故障，電流可能會(huì)串入單片機(jī)，對(duì)單片機(jī)造成損害，所以要使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路同電機(jī)控制電路完全隔離。本設(shè)計(jì)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(shí)間僅為45 ns，開關(guān)頻率可達(dá)10MHz，在傳輸速度上能完全滿足要求。

（2）驅(qū)動(dòng)器保護(hù)：（a）為了防止感性負(fù)載開關(guān)工作瞬態(tài)過電壓對(duì)功率器件的損害，4個(gè)功率開關(guān)都設(shè)置有鉗位保護(hù)二極管，它們的反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)上橋臂開關(guān)二極管約為70ns，對(duì)下橋臂開關(guān)二極管約為 100ns；（b）LMD18200 的 8 腳為電流檢測(cè)輸出，功率輸出電流1 A對(duì)應(yīng)8腳輸出電流為377 μA，并且有良好的線性度。由8腳對(duì)地串聯(lián)取樣電阻，用來檢測(cè)過流情況；（c）內(nèi)部過流保護(hù)電路設(shè)置的過流閾值為10 A左右，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)過載情況時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)斷功率開關(guān)，如果過流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，過熱保護(hù)將關(guān)斷整個(gè)輸出；（d）芯片9腳在溫度達(dá)到145℃時(shí)，可發(fā)出過熱報(bào)警信號(hào)，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(qǐng)求，降低負(fù)載電流或命令張力電機(jī)停轉(zhuǎn)，溫度達(dá)到170℃時(shí)，將關(guān)閉輸出功率管。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路圖

5 結(jié)束語(yǔ)

變張力系統(tǒng)基于新型片上系統(tǒng)（Soc）單片機(jī)和LMD18200專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，與其他單片機(jī)PWM系統(tǒng)相比，使用元器件少，電路可靠性高；設(shè)計(jì)采用雙極模式控制的直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雖電流脈動(dòng)量較大，但在控制信號(hào)為零時(shí)，電路的高頻顫動(dòng)特性有助于克服靜摩擦，改善系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，占空比可根據(jù)實(shí)時(shí)信號(hào)在0～100%之間調(diào)節(jié)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了一種重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，安全可靠的實(shí)時(shí)張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，是航空電動(dòng)絞車和類似工程實(shí)踐中的理想方案。

[1]張文軍，呂印曉.某型電動(dòng)絞車試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（3）：20-21.

[2]盛衛(wèi)鋒，周一屆，姜 旻.印刷機(jī)械中的張力控制[J].包裝工程，2001，22（2）：4-7.

[3]郭艷萍.復(fù)卷機(jī)恒張力控制的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) [J].電氣傳動(dòng)，2009，39（2）：65-67，71.

[4]張 磊.復(fù)合機(jī)生產(chǎn)線中的恒張力控制系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化，2003，25（5）：70-72.

[5]李 剛，孫 宇.摩擦收卷中柔幅材料力學(xué)建模及張力控制策略研究[J].包裝工程，2009，30（10）：90-92，120.

[6]史曉楠.STC12C5410/12C2052系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 [J].電子制作，2007（1）：24-25.

[7]尹翔陵，王愛祥.直流力矩電機(jī)在精密跟蹤雷達(dá)中的應(yīng)用[J].電子工程師，2001，127（1）：55-57.

[8]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[9]王 磊，艾小庸，朱齊丹.基于LMD18200組件的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2004（1）：26-28.