基于PWM控制的飛機輸油泵控制技術研究

魯佩政　王進　陳迪

摘 要：分析了飛機輸油泵在不同工作狀態下的控制特點，采用STC89C52單片機的PWM技術，研究了油泵電機電流和轉速的雙閉環控制的方法，達到了油泵電機過壓、過流控制保護和告警的目的。

關鍵詞：輸油泵；PWM；單片機；雙閉環控制

引言

飛機輸油泵是用來給發動機輸送燃油的。隨著飛機飛行狀態的改變，發動機的供油量也需發生相應的變化。目前，飛機上的輸油泵始終以恒定的轉速運行，其輸油量的大小只受輸油控制活門的控制，無法根據發動機的需油量來調節輸油泵的供油量，只將影響油泵的使用壽命。為了這種工作狀態，使輸油泵能根據發動機供油量進行轉速的控制，使輸油泵工作在最佳轉速狀態，以延長輸油泵的使用壽命，進行了轉速電流雙閉環直流調速系統的研究。

轉速電流雙閉環直流調速系統是應用較廣泛的直流調速系統，應用較為廣泛。隨著微電子技術、微處理器的發展，使調速系統的各種功能幾乎都可以通過微處理器來實現。基于單片機PWM控制的雙閉環直流調速系統，能夠實現電機的四象限運行，完成對直流電機的轉速控制，具有動態響應速度快、輸出波形好、體積小、電機速度控制平穩、電機調速范圍寬等特點。該課題的研究，在提高飛機輸油泵的工作可靠性及自保護能力，減小耗電損失等方面都有著重要意義。同時也能提高本科學員專業能力和科研能力，為以后的機務工作以及開展科學研究打好基礎。

1 雙閉環直流調速系統基本原理

傳統的PI調節器的單閉環調速系統雖然能實現轉速的無靜差調速，但只能滿足一般生產機械的調速要求。為了提高生產效率，縮短起動、制動過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態轉矩）為允許的最大值，使系統以最大的加速度起動，達到穩態轉速后，進入轉矩和負載平衡的穩態運行狀態。要實現上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負反饋控制的方法，即采用轉速、電流雙閉環的調速系統。

圖中兩個調節器ASR和ACR分別為轉速調節器和電流調節器，二者串聯使用，即把轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器控制晶閘管，實現電機的雙閉環控制。

2 數字式雙閉環直流電機調速系統的硬件設計

2.1 數字控制雙閉環直流調速系統方框圖

本系統以STC89C52單片機為主控芯片。由單片機產生的PWM信號，經光耦隔離電路來驅動由BTS7960構成的驅動電路，控制油泵電機的轉速；采用差分放大電路來檢測電流信號，經轉換放大后通過A/D轉換電路，反饋到單片機，以實現油泵電機的電流檢測；通過單片機的計數器來監測由光電編碼器檢測到的輸油泵轉速，以實現單片機對油泵電機的轉速控制。其功能框圖如圖2所示。通過以上設計，實現了雙閉環直流調速。該控制方式不僅提高了系統的可靠性、靈活性，而且還為整個系統的多功能、智能化提供了必要條件。

2.2 功率放大電路和電流檢測電路

BTS7960是應用于電機驅動的大電流半橋高度集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅動IC。具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節、過壓、欠壓、過流及短路保護等功能。其原理電路如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 PWM的基本原理

PWN是通過固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩邊的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，比如：電機轉速、溫度控制、壓力控制等等。

在PWM驅動控制的調速系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓的大小，從而來控制電動機的轉速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。

3.2 基于單片機的PWM信號發生器設計

采用單片機生成PWM控制時，必須先確定好載波比N（或2N）。對于變頻器來說，如果頻率變化較大，那么在整個頻率范圍內若采用同一個載波比的同步調制方案，將難以兼顧高頻和低頻輸出時的性能。選用較高頻時往往會由于輸出PWM開關頻率極限過高，會造成開關的損耗增加，對器件開關頻率極限要求也會提高，而選擇較小的載波比，又會造成低頻輸出時過于稀疏，使電流脈動增大，諧波分量增加。最常用的方法是分段同步調制的方法，以獲得較好的控制特性。

PWM的載波周期是由載波周期定時器來控制的。本系統采用定時器0進行中斷，采用周期為1毫秒，當定時到來時，向CPU發出中斷申請，CPU響應中斷并執行中斷服務程序，該中斷服務程序的任務是將保存在內存中的PWM開關定時數據送至PWM波定時器，并啟動此定時器工作，然后再計算下一個載波周期的PWM數據并保存。PWM波的定時器根據載波周期定時中斷服務程序送來的開關數據進行定時控制，在中斷服務中完成對PWM的換相并輸出至中斷口。

4 過載保護盒誤告警設計

4.1 軟件保護

雙閉環系統本身就具有一定的過壓過流保護能力，為了減少故障率，通過單片機實現軟件級別保護。其軟件流程如圖4所示。

利用差分放大原理將采集到的油泵電流信號轉換成電壓信號，利用A/D轉換器，將模擬電流信號轉換成單片機能進行數據處理的數字信號，用單片機編程實現對電機的過壓過流進行軟件級別的保護。單片機軟件中設定好過流門限數值之后，軟件通過A/D實時采集電流檢測電路輸出的電壓信號，并計算得到對應的電流值，與設定的過壓過流保護門限值進行比較。如果電壓值和電流值大于門限值，則執行相應的電機保護動作，單片機輸出控制信號，使電極電路斷開，可以進行手動復位重啟；如果實時電壓電流值小于門限值，則繼續采集電壓電流值進行比較，以此循環。

4.2 硬件保護

軟件級別的過壓過流保護，響應速度較硬件級別保護慢，若在程序跑飛的情況下不能提供保護，所以在電機電路上串一個斷路器，程序跑飛時電路仍有自保護功能。

4.3 誤告警設計

在輸油過程中，系統會對輸油泵電機進行低轉速控制，從而造成輸油泵出口壓力過低，油壓信號傳感器會發出油壓過低，進而造成誤告警或啟動引射泵。為使在輸油泵電機進行調速控制時不會出現誤告警情況發生。系統進行了防誤告警設計。

在輸油過程中，當電機轉速降低時，輸油泵出口壓力也過低，這屬于正常情況。這時，不應輸出告警信號，也不應使油泵停止工作。此時，通過檢測電機電流來判斷系統的工作情況，避免誤報警。

單片機控制電機轉速升高時，電流變大，泵的輸出功率增大，電機電流增大。單片機通過檢測電機電流，來判斷系統正在使油泵電機轉速向增大的方向控制，這時出口壓力應逐漸變大，如果此時出口壓力過低則屬于不正常現象，應發出告警信號。

5 結束語

本設計采用單片機代替原模擬系統調速系統，實現了直流電動機數字化調速。系統采用雙閉環系統，實現了輸油泵能根據供油量進行轉速、電流的調節，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]爾桂花，竇曰軒.運動控制系統[M].北京：清華大學出版社，2002：362-379.

[2]倪忠遠.直流調速系統[M].北京：科技出版社，1996：98-113.

作者簡介：魯佩政（1990-），男，空軍第一航空學院航空儀電工程系學員十二隊學員，研究方向：航空特設。

指導教員：陳迪（1986-），男，空軍第一航空學院航空儀電工程系講師，研究方向：航空特設。