航空電動絞車纏繞機構變張力控制系統

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、電控技術于一身，設備安全性要求高，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的摩擦阻力作用，會使鋼纜在絞車內部卷曲，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，需為絞車設置專門的張力機構[1]，實現輕載上升/下降時產生張力，張緊鋼纜；重載上升/下降時，不產生張力，則由重物直接作用使鋼纜張緊。國外的同類產品采用機械式實現這一功能，機構復雜，較為笨重；國內從論文來看，應用于紡布卷繞機，印刷機的閉環恒張力控制系統較為普遍[2-4]，而應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則較為少見。

該系統采用單片機為核心控制單元實現信號采集與控制信號輸出，以直流力矩電機為執行機構，結合雙極性可逆PWM控制，實現了一套基于力矩電機的可控變張力機構，可根據載重情況和轉速方向調節張力。

2 變張力控制系統原理

該系統實現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動，它們共同作用產生方向和大小恰當的摩擦力幫助鋼纜張緊。張力機構原理如圖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動，且V0＜V1；上升時，兩者同時逆時針轉動，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，設備運行安全可靠。

圖1 張力機構原理示意圖

3 單片機控制系統設計實現

根據張力機構原理，單片機讀入實時滾筒轉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或反轉，在單片機內對采集數據進行計算和修正，在滾筒轉速改變時同時改變張力電機控制信號，實現V0和V1恒定的速度差，從而實現高效靈活的控制，控制方案框圖如圖2。

圖2 系統硬件結構框圖

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。

正確采集轉速信號，實現V0和V1恒定速度差，是產生張力的關鍵，而纏繞機構在卷繞過程中，當繞滿一層時，滾筒半徑發生變化，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V0和V1恒定的速度差，影響控制效果。因此，在單片機內需根據卷繞圈數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；

S——當前滾筒轉動圈數；

D——滾筒長度；

d——鋼纜直徑。

PWM信號由單片機的定時/計數模塊實現，采用定頻調寬法。STC12C5A48S2中可編程計數陣列（PCA）提供了增強型計數功能，含有一個16位定時/計數器和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。系統運行過程中，根據采集到的當前載重和轉速信號，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%，即預置數值（CCAPnH）為0時；最小的占空比為0.39%，即預置數（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時鐘計數器的數值與預置值相等時，PWM輸出引腳為高電平，并持續到PCA0時鐘計數器溢出時恢復為低電平。

4 直流力矩電機驅動控制

經試驗，兩輪之間張力等效2 kg重量時可以保證鋼纜張緊；張力電機調速范圍在0～1.2m/s，張力輪與鋼纜之間設計15N壓力。另外，本系統屬于低速系統，張力系統的執行機構還需注意低速平穩性的問題。

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

在直流力矩電機的工作原理與直流伺服電機相同，直流伺服電機的轉矩公式為：

轉速公式為：

由上述公式可知，通過采用特殊的結構設計，即采用繞組支路a=1的單波繞組的扁平型結構可以使a最小，同時增加導體數N和極對數P，從而得到低速和大轉矩。可見，直流力矩電機是一種低轉速、大轉矩的直流電動機。在本系統中采用力矩電機作為執行機構有以下優點：（1）力矩電機可不需減速箱直接驅動負載，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，為低速平穩運行創造了條件；（2）采用直驅方式，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速時變信號；（3）力矩電機磁極對數多，磁場分布均勻，因此在低速轉動時，亦能保持轉速平穩。

本系統選用的直流力矩電機主要參數如下：

（1）峰值堵轉：電壓 28V，電流＜4A，轉矩＞2.5Nm

（2）連續堵轉：電壓15V，電流＜2.2A，轉矩＞1.3Nm

（3）最大空載轉速360r/min

（4）重量 0.7kg

（5）尺寸：φ110×φ45×20（外徑×內徑×軸長）

經試驗測定，系統所使用φ4 mm的鋼纜與鋁輪的滑動摩擦系數為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，當張力輪設計半徑36 mm時，輸出張力27.2 N；可實現約20 N張力，等效2kg重量，滿足使用要求。

4.2 直流力矩電機的驅動控制

為實現張力電機速度方向的改變，同時保證系統的低速平穩性，選用雙極性可逆PWM系統驅動直流電動機，這種驅動方式適于低速變張力控制系統[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，電動機反轉且轉速最大；當α=1時，U0=Us，電動機正傳且轉速最大；當α=1/2時，U0=0，電動機不轉，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，可以改變電機轉速。

驅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，連續工作電流為3A，峰值電流為6A，可滿足本系統需求。在同一芯片上集成了BiCMOS控制電路和DMOS功率器件，可方便實現直流電機的雙極性和單極性控制。本系統使用雙極性驅動方式，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；當占空比大于50%時，平均電壓大于0，電機正轉；反之，電動機反轉。電機驅動控制電路如圖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生，而直流電機的驅動電路直接引入28 V的電壓，如果驅動電路出現了故障，電流可能會串入單片機，對單片機造成損害，所以要使電機驅動電路同電機控制電路完全隔離。本設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，響應時間僅為45 ns，開關頻率可達10MHz，在傳輸速度上能完全滿足要求。

（2）驅動器保護：（a）為了防止感性負載開關工作瞬態過電壓對功率器件的損害，4個功率開關都設置有鉗位保護二極管，它們的反向恢復時間對上橋臂開關二極管約為70ns，對下橋臂開關二極管約為 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腳對地串聯取樣電阻，用來檢測過流情況；（c）內部過流保護電路設置的過流閾值為10 A左右，當電機出現過載情況時，會自動關斷功率開關，如果過流持續時間較長，過熱保護將關斷整個輸出；（d）芯片9腳在溫度達到145℃時，可發出過熱報警信號，它是集電極開路晶體管輸出，可用來向主控制器發出中斷請求，降低負載電流或命令張力電機停轉，溫度達到170℃時，將關閉輸出功率管。

圖3 電機驅動控制電路圖

5 結束語

變張力系統基于新型片上系統（Soc）單片機和LMD18200專用電機驅動芯片的直流電動機轉速控制系統，與其他單片機PWM系統相比，使用元器件少，電路可靠性高；設計采用雙極模式控制的直流力矩電機驅動，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，改善系統的低速平穩性。試驗結果表明，占空比可根據實時信號在0～100%之間調節，電機運行平穩，實現了一種重量輕，結構簡單，控制靈活，安全可靠的實時張力調節控制系統，是航空電動絞車和類似工程實踐中的理想方案。

[1]張文軍，呂印曉.某型電動絞車試驗驅動控制系統[J].機械設計與制造，2005（3）：20-21.

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

[3]郭艷萍.復卷機恒張力控制的設計及實現 [J].電氣傳動，2009，39（2）：65-67，71.

[4]張 磊.復合機生產線中的恒張力控制系統[J].電氣自動化，2003，25（5）：70-72.

[5]李 剛，孫 宇.摩擦收卷中柔幅材料力學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系列單片機簡介 [J].電子制作，2007（1）：24-25.

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

[8]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[9]王 磊，艾小庸，朱齊丹.基于LMD18200組件的直流電機驅動器的設計[J].自動化與儀表，2004（1）：26-28.