海空兩用固定翼飛行器過載電路的仿真設計＊

欒雨佳，劉清成，王 涵，曹竹浩，張芳洲，趙文龍，鄭璐瑤，陳正揚

（1.上海工程技術大學航飛學院，上海 201620；2.上海機電工程研究所，上海 201109）

飛行器的機動性（也稱敏捷性[1]）是指飛行器在一定的時間間隔內改變飛行狀態的能力。戰斗場對飛行器的機動性的要求較高，否則就容易被敵方火力擊中。飛行狀態變化范圍越大，改變狀態所需的時間越短，飛機的機動性越好，這是評價飛行器性能的主要指標之一。隨著海空兩用固定翼飛行器武器系統對抗的加劇，中國對飛行器機動性也逐漸提高要求，從而減小被武器系統摧毀的概率[2]，因此研發一套高機動過載控制系統迫在眉睫。

本文根據Multisum電子仿真軟件[3-5]，設計了基于NE555芯片[6-7]的可調PWM雙路差動油門電路原理圖，從而實現飛行器的側向過載，易于在各式過載飛行器進行推廣與應用。

1 海空兩用飛行器過載系統分析

目前市場上，海空一體固定翼飛機基本采用方向舵和副翼進行機動轉彎，而單電機或者多電機控制系統采用油門信號同時功率放大驅動，這樣加大了推力，但是對于轉彎機動過載設計不利，本項目采用雙電機差速控制電路設計，當油門遙桿左上或者右上撥動，可以實現察打機的左加速轉彎或者右加速轉彎，從而在不損失較大速度的前提下，完成飛機的機動轉彎，減小被武器系統摧毀的概率，增加海空一體固定翼無人機的生存力，其控制系統原理框圖如圖1所示。

如圖1所示，通過油門電路控制系統，產生PWMa和PWMb輸出，當油門桿朝右上撥動的時候，avg（PWMa）＞avg（PWMb），左電機轉速大于右電機轉速，飛機根據撥動的行程將向右偏轉或者急速向右偏轉；同理，當油門桿朝左上撥動的時候，avg（PWMb）＞avg（PWMa），右電機轉速大于左電機轉速，飛機根據撥動的行程將向左偏轉或者急速向左偏轉。

圖1 差速電機油門控制系統原理框圖

2 過載控制電路設計

本過載控制系統電路原理圖基于NE555芯片，參考相關PWM文獻原理圖[8]進行設計，通過改變左右搖桿帶動R6和R5的不同趨向阻值變化，從而實現PWM的不同占空比輸出。Reset接腳被連接到+VCC，因此它對電路沒有作用。當電路通電時，觸發點Pin2接腳是低電位，電容器C1開始放電，造成Pin3高電位。當第3引腳高電位時，電容器C1開始通過R1和對二極管D2充電。當在C1的電壓到+VCC的2/3時啟動Pin6，造成輸出接腳（Pin3）跟放電接腳（Pin7）成低電平，當Pin3接腳到低電位，電容器C1起動，通過R1和D1放電。當在C1的電壓下跌到+V的1/3以下，Pin3輸出接腳和放電接腳Pin7接腳到高電位并使電路周期重復。Pin5并沒有被外在電壓作輸入使用，因此它與10 nF電容器相接。電容器C1通過R1及二極管，二極管一邊為放電一邊為充電。充電和放電電阻總和是相同的，因此輸出信號的周期是恒定的。PWM信號的工作頻率隨R1和C1的數值變化，經過調試，R1的阻值取2 kΩ，C1的電容值取3 000 nF，可以實現PWM信號周期為20 ms，同理XSC2原理圖取值一樣，只要通過左右搖桿，控制R5和R6內部阻值按照相反方向變化即可。差速電機過載原理圖如圖2所示。

圖2 差速電機過載原理圖

3 過載控制電路仿真分析

設置滑動變阻器R6的滑片占總滑動變阻器100%（阻值為4.7 kΩ）時，滑動變阻器R5的滑片占總滑動變阻器0%（阻值為0 kΩ）時，仿真結果如圖3和圖4所示，xsc1的周期與xsc2的周期一致，均為20 ms。xsc1示波器的占空比約為20%，而xsc2示波器的的占空比約為80%，xsc2驅動信號平均電平大于xsc1驅動信號，因而，電機將向xsc1驅動電機進行側向過載機動。

圖3 差速電機過載電路（R R6＞R R5）xsc1示波器顯示圖

圖4 差速電機過載電路（R R6＞R R5）xsc2示波器顯示圖

當滑動變阻器R6和R5滑片占總滑動變阻器50%時，xsc1和xsc2的周期均為20 ms，占空比相等，均為50%，可以實現等速驅動無人機，即油門中位時，不產生側向過載。仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5 差速電機過載電路（R R6=R R5）xsc1示波器顯示圖

圖6 差速電機過載電路（R R6=R R5）xsc2示波器顯示圖

動變阻器R6的滑片占總滑動變阻器0%（阻值為0 kΩ）時，滑動變阻器R5的滑片占總滑動變阻器100%（阻值為4.7 kΩ）時，仿真結果如圖7和圖8所示，xsc1的周期與xsc2的周期一致，均為20 ms。xsc1示波器的的占空比約為80%，而xsc2示波器的的占空比約為20%，xsc2驅動信號平均電平小于xsc1驅動信號，因而，電機將向xsc2驅動電機進行側向過載機動。

圖7 差速電機過載電路（R R6＜R R5）xsc1示波器顯示圖

圖8 差速電機過載電路（R R6＜R R5）xsc2示波器顯示圖

綜上可知，通過改變左右搖桿帶動R6和R5的不同趨向阻值變化，實現xsc1和xsc2占空比的不同變化趨勢，進而完成有刷電機的差速側向過載機動。

4 結語

通過分析無人機的過載性能，提出過載的控制模型，并進行Multisum電路仿真，結果表明，通過控制左右搖桿，可以實現無人機的側向機動飛行。