全尺寸旋翼智能變距拉桿設計及驗證技術

陳家東，莫勝波，魏婧玲，曹至明，周 誠，于宗寶

(蘭州飛行控制有限責任公司，蘭州 730070)

0 引言

直升機是利用旋轉機翼提供升力、推進力和操縱的飛行器[1]。由于旋翼的作用，使得直升機具有良好的懸停和垂直起降功能。也正是因為有了旋翼，不可避免得給直升機帶來了振動及噪聲等負面問題，這些問題會造成人員不舒適，儀器儀表工作環境惡劣等問題[2-3]。

假定旋翼槳葉是理想對稱的，由N片槳葉構成的旋翼系統的旋轉頻率是:

ω=mNΩ,m=1,2,3…

合成在槳轂力及力矩包含了NΩ的整數倍的諧波成分，這個激振力也就是直升機的主要振源[4]。

為了降低直升機的振動水平，應用的技術可以分為兩類：1)被動控制；2)主動控制。由于飛行狀態、旋翼頻率、結構動態響應等原因，被動控制技術的效率不高。隨著計算機技術及伺服技術的發展，主動控制技術逐漸發展起來，解決被動控制中不能很好解決的問題。主動控制的很多方法都可以顯著改善直升機的振動水平，而最重要的優勢是可以適應不同的飛行速度狀態，不同的旋翼狀態和結構動態響應狀態。

這些振動主動控制技術主要有高階諧波控制(HHC)、單片槳葉控制(IBC)、主動后緣襟翼控制(AFC)、旋翼主動扭轉控制(ATR)、主動式動力吸振器(ADA)和結構響應主動控制(ACSR)等[5]。

近幾年出現了一種直升機旋翼實時調整(in-flight tuning，IFT)系統，通過采取主動式動態調整智能變距拉桿(smart pitch rod，SPR)長度恢復旋翼系統動平衡狀態的手段，以達到減振的目的，取得了不錯的減振效果。國外已經實現智能變距拉桿的關鍵技術突破和產品研制，開展了直升機旋翼平衡實時監測與調整技術研究、集成及實現。其中，由德國ZF公司研制的智能變距拉桿，采用了機電一體化設計，其極限載荷達到了25 kN，控制精度0.01 mm。IFT系統成功應用在CH-53G 超大型直升機上[6-11]，在提高飛行安全，降低全機振動水平，延長旋翼使用壽命以及降低維護成本等體現出了良好效果。根據預計，IFT系統的研究成果應用于單架直升機每年能降低發動機地面開車損耗18小時以上，節省燃油費20萬元。另外，使用效率提升帶來的間接效益更是無法估計。

國內直升機旋翼平衡測量與調整技術領域的研究主要集中在理論上[12]，目前還未開展任何關于IFT系統方面的技術研究，需要突破一些關鍵技術，其中就包括高精度、大負載、小體積的智能變距拉桿的設計與驗證。本文基于10噸級直升機平臺的旋翼IFT系統，設計了用于旋翼不平衡實時調整的全尺寸智能變距拉桿，通過地面加載平臺和旋翼塔試驗驗證了變距拉桿的伺服性能和調整旋翼不平衡的有效性。

1 全尺寸智能變距拉桿設計

1.1 IFT系統工作原理

直升機旋翼實時調整系統，是一種獨立微調直升機槳葉迎角，通過空氣動力使旋翼椎體達到平衡狀態的振動主動控制系統，可以從根本上減弱直升機旋翼不平衡帶來的振動影響。

基于旋翼智能變距拉桿(SPR)的直升機旋翼實時調整(IFT)控制技術其組成圖如圖1所示。

圖1 IFT系統組成

其中，智能變距拉桿是IFT系統的重要組成部分。除此之外，IFT系統還包含了旋翼平衡感知單元、集流環、控制單元、人機交互裝置，地面維護終端等部分。智能變距拉桿取代了傳統機械式變距拉桿，其調整旋翼平衡的原理是，IFT系統通過對基于光學跟蹤的旋翼錐體實時監測，在控制單元內進行實時調整系統控制律計算，最終通過智能變距拉桿調整槳葉槳距，通過空氣動力作用使槳葉達到預期的平衡狀態。

1.2 智能變距拉桿的工作原理和技術指標

智能變距拉桿取代了原旋翼系統的機械式拉桿，其特點是可以通過電控的方式精確調整拉桿長度，而且調整過程是在直升機飛行階段自動在線進行的，可以彌補機械式拉桿必須在地面離線調整的不足，降低旋翼平衡調整的維護成本。

智能變距拉桿的控制系統是一種具有自主閉環控制功能的設備單元，可以提供位置測量和控制、健康監控、通訊等功能。

本文介紹的全尺寸智能變距拉桿是一種用于某10噸級中大型直升機平臺IFT系統的高精度直線伺服裝置，采用機電一體化結構，28 V直流電源驅動，采用RS 485通訊，單工模式。全尺寸變距拉桿的直線伺服指令來自于IFT控制計算機，智能變距拉桿按照指令進行直線位置伺服，并可將執行結果和狀態監測結果反饋給IFT系統。

使用過程中，變距拉桿隨旋翼系統一同運動，處于高速旋轉的環境，所以施加在變距拉桿上的載荷一方面來自于由于自身質量和旋轉角速度、角加速度帶來的慣性力，另一方面來自于帶動槳葉周期變距運動而產生的軸向載荷。全尺寸變距拉桿的特點是載荷體積比大，控制精度高。直線伺服精度達到了0.01 mm以上，最大載荷達到了25 000 N，且主體結構部分體積不大于Φ140╳444 mm。

智能變距拉桿的主要技術指標如下：

表1 主要技術指標

1.3 智能變距拉桿的結構及原理

1.3.1 結構及組成

全尺寸智能變距拉桿采用了反饋閉環控制，主要由控制器、電機、傳動系統、傳感器、通訊接口、殼體組件等組成，如圖2所示。

圖2 變距拉桿結構示意

上下關節軸承連接槳葉和自動傾斜器，具有一定的初始安裝角。通過電纜連接樣機插座和集流環，實現28 V DC供能和RS 485總線信號傳輸。手動調整螺紋和鎖緊螺母配合實現地面維護狀態下變距拉桿的手動行程調整。保護罩不承受軸向拉壓載荷，主要作用是保護內部印制電路板及其他組件。變距拉桿的軸向拉壓力主要由結構主體承載。

變距拉桿可實現自主位置閉環控制，內部集成了電源處理功能、控制功能和總線收發功能。

1.3.2 主要功能及實現方法

變距拉桿作為自動傾斜器動環與槳葉的連接件，首先具備操縱傳遞功能，將自動傾斜器的操縱位移傳遞到槳葉槳距上，達到槳葉周期變距的目的。智能變距拉桿通過兩端的關節軸承與自動傾斜器動環和槳葉固定。

手動調整功能通過變距拉桿兩端軸和軸套的螺紋配合實現，通過旋轉變距拉桿本體實現長度調整，最大螺紋長度超過15 mm，在手動調整結束后可通過兩端的雙耳止動墊片鎖止。手動調整模式需維護人員在地面調整智能變距拉桿長度，其最大調整范圍為±7.5 mm。

智能變距拉桿在通電情況下，從RS 485總線接收來自IFT控制計算機的控制指令，驅動無刷直流電機，帶動輸出軸運動到指定的位置，并通過RS 485總線上報輸出軸位置及狀態監控信息。此模式下最大調整范圍為1.32 mm，精度0.01 mm，最大速度0.13 mm/s。

每個智能變距拉桿通過2路RS 485總線與IFT控制計算機通訊。通訊信息包括來自IFT控制計算機的控制指令，智能變距拉桿反饋的位置信息和工作狀態等。為了防止變距拉桿上電后自動執行總線指令，在通訊協議中增加了“使能”位，在“使能”狀態有效時，變距拉桿的功率驅動模塊才會控制電機運轉。

變距拉桿還具有自監控功能，自監控功能分為兩種模式，一種為上電自檢，在智能變距拉桿通電后，CPU自動進行上電自檢測，并通過RS 485總線向IFT控制計算機上報上電自檢測結果。另一種為飛行中自檢測，主要通過對指令和位置反饋的結果進行模型監控，并通過RS 485總線向IFT控制計算機上報飛行中自檢測結果。

變距拉桿具有位置鎖定/解鎖功能。鎖定方法：通過安裝在電機軸一端的制動器保證斷電情況下電機軸鎖止，鎖止力大于最大拉壓力下的電機軸所受轉矩，以確保變距拉桿不會因為旋翼產生的拉壓力而發生輸出軸位置漂移。解鎖方法：通電后，在識別到變距拉桿工作狀態正常的情況下，制動器釋放，電機軸可自由轉動。

安全性方面，變距拉桿的控制速度極慢(小于0.13 mm/s)，不會與槳葉周期變距控制頻率重合，不影響旋翼的正常操縱。變距拉桿的電控行程權限(1.32 mm)也很小，且同時使用軟件限幅和機械限位的方法嚴格控制其最大行程，所以即便在極端的情況下，也不會因變距拉桿控制功能失效而影響旋翼系統的安全。

1.4 結構設計

變距拉桿以直流無刷電機為動力源，經行星齒輪、直齒減速齒輪減速后，通過行星滾柱絲杠副將旋轉運動轉化為拉桿輸出軸的直線往復運動，機械限位組件保證拉桿行程控制，制動器保證拉桿的自鎖能力；通過拉桿兩端的桿端軸承實現手動調節功能；通過拉桿輸出軸處的角度編碼器實現輸出軸位置的實時探測與產品的閉環控制。其工作原理簡圖如圖4所示。

圖3 智能變距拉桿原理圖

圖4 智能變距拉桿原理框圖

變距拉桿使用行星滾柱絲杠副作為旋轉運動轉化為直線運動的機械裝置，行星滾柱絲杠副效率高、摩擦小、壽命長[13-14]，改善了低速時摩擦力的非線性影響，有利于實現高精度伺服控制。行星滾柱絲杠的載荷傳遞元件是螺紋滾柱，這樣可以大幅增加絲杠受力的接觸面，從而承載能力比普通滾珠絲杠成倍提高，特別適合高精度、高承載力的場合，非常適合航空的傳動機構。變距拉桿采用了循環式的行星滾柱絲杠，與普通行星滾柱絲杠比，滾柱結構是“溝槽”狀，并沿軸線排列，這種結構可以提供更高的位置精度，而且嚙合點更多，承載力更強。

直尺傳動采用漸開線直齒輪，該齒輪傳動效率高，運動平穩、靈活。齒輪材料選用了不銹鋼40Cr13，齒形表面采用硫氮共滲工藝，提高使用壽命、降低傳動磨損和噪聲。

電機端傳動采用了4級行星減速器，具有體積小，重量輕，傳動速比大等優勢，而且減速器與電機集成化的設計優化了空間布局，有效減小了傳動系統的重量。

1.5 控制系統設計

智能變距拉桿的控制系統硬件包括了主控制器、驅動控制器、通訊接口模塊、電源模塊、位置傳感器、電機速度傳感器等組成。

圖5 控制系統結構

1.5.1 控制電路

智能變距拉桿的控制電路以TMS320F28335作為主控芯片，該芯片為浮點DSP控制器，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據及程序存儲量大、AD轉換更精準、快速的優點，可支持150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力。具有3路SCI串行總線接口，可滿足與上位機的通訊及在線軟件升級的要求。

圖6 硬件電路結構

RS232串口通訊模塊用于維護狀態下加載程序，RS 485通訊模塊負責與IFT控制計算機進行通訊。

變距拉桿的位置傳感器選用SSI數字接口的磁感應高精度絕對式角度編碼器，通過絲桿-螺母之間的傳動關系間接測量輸出軸的位置。這種磁感應角度編碼器由定子和轉子兩部分組成，通過定子和轉子的磁場變化感知角度變化量。定子部分集成了信號處理電路，按照時鐘頻率調制角度位置信號。SSI通訊是以RS-422總線硬件為基礎的特殊總線格式，其時序如圖7所示。T為時鐘周期，Trc為數據周期，數據結構中，D23為有效位，D22為零位默認位，編碼器有兩種零位狀態，一種是出廠零位，其零位是固定的；另一種是人工零位，可以根據用戶使用需要設定特定位置為零位。D21～D0 為數據位，D0為LSB。

圖7 SSI數據時序

針對SSI格式數據，設計了一種基于GPIO接口的解調電路，具有簡單、體積小、成本低的特點。其原理是利用DSP的GPIO接口模擬SSI所需的時鐘信號，并通過電平轉換芯片和MAX485芯片作為角度編碼器和DSP間的轉換電路。

驅動模塊負責電機功率驅動和霍爾控制換向，并通過霍爾信號解算電機的速度大小，完成速度和電流環的閉環控制。速度和電流環的PI控制參數可以通過工控機離線配置，以達到最佳的控制效果。除此以外，還可以配置電機起動速度、變速和延遲、最大電流等參數，以保護電機、軟化起動過程。

1.5.2 控制方法

變距拉桿的位置伺服控制采用經典的PID控制方法[15-17]，并采用位置—速度—電流三環串級控制方案，解決低速高精度中速度波動變大、平穩性降低、控制精度變差、小信號軌跡難以跟蹤的問題[18-19]。

位置環為系統的外環，由于對位置伺服的快速性要求不高，但精度要求很高，采用了PID控制器，確保位置跟隨無靜差，且為了保證動態過程無超調，P環節采用了分段控制參數。速度環使用PI控制器，并通過限制最大占空比對最大速度進行限幅。電流環也采用PI控制器，同時限制最大持續電流保護電機不過載。

伺服系統的動力學方程可以寫成：

(1)

其中:Tem是電機的電磁轉矩，J∑是系統的總轉動慣量，TL是負載轉矩,Tf是摩擦轉矩。

直流伺服電機的電樞回路方程可以寫成：

(2)

其中:Ke=CeΦ是反電勢常數，U是外加電壓，Rα是電樞內阻，Lα是電感，iα是電樞電流，ω是電機轉速。

由此可以得到控制系統的框圖如圖8所示。

1.6 軟件設計

1.6.1 軟件總體結構

變距拉桿軟件由BIT模塊、通訊模塊、控制模塊、系統管理模塊和模型監控模塊組成。BIT模塊完成對變距拉桿的自檢測。控制軟件實現對其他控制功能的實時計算和管理。軟件主要完成通訊、位置信號采集處理、閉環控制運算和監控、控制信號輸出、軟件維護加載等功能。

圖8 系統的控制框圖

圖9 軟件結構

1.6.2 BIT模塊

BIT模塊分為上電BIT(PUBIT)和周期任務飛行中BIT(IFBIT)兩部分，PUBIT是變距拉桿電源接通后對自身資源的檢測，結果計入NVRAM中，PUBIT按預先安排的檢測順序自動的執行各檢測項目。IFBIT是系統在運行周期內完成的自檢測，即實時進行的在線自監控。

1.6.3 通訊模塊

IFT控制器與變距拉桿通過RS 485進行通訊，單工模式，波特率115 200 bps。共有兩路RS 485總線，一路RS 485總線用于接收來自IFT控制計算機的控制和使能信號，另一條RS 485總線通訊用于向IFT控制計算機發送實時和狀態信息，這些信息包含了位置傳感器的位置信息、變距拉桿的故障狀態和控制板溫度，用于IFT系統的綜合健康診斷。

1.6.4 系統管理模塊

系統管理模塊包括系統初始化、設備驅動、中斷處理、硬件管理4個功能模塊，完成變距拉桿軟件的初始化，為變距拉桿正常工作建立必要的環境。設備驅動包括串行通訊驅動程序、離散量驅動程序、模擬量驅動程序以及看門狗驅動程序，完成系統外部設備和內部資源的驅動。硬件管理包括系統的硬件資源管理(片上資源管理、外界設備資源管理)和故障信號管理。

1.6.5 控制模塊

控制模塊完成來自上位機指令的解析預處理，并運行1.5.2節中的控制律，輸出相應的控制信號，驅動電機運動。

1.6.6 模型監控模塊

伺服回路是一個具有動態特性的控制對象，以伺服回路動態響應模型為參考，對比模型響應與真實測量結果的差異就是模型監控方法的核心思想。變距拉桿的模型監控原理是將變距拉桿輸出的位置反饋信號和上位機控制指令經過伺服回路模型后的輸出值進行時域范圍的比較，判斷伺服回路是否正常。

2 地面加載測試設備設計

為了能夠驗證變距拉桿在負載力下的伺服指標是否滿足設計要求，研制了用于變距拉桿加載試驗的專用測試加載臺，專用測試加載臺具備拉壓力加載和直線測量等功能，其直線測量精度不低于0.005 mm，最大加載力超過了25 000 N。

根據智能變距拉桿的工作特點，加載臺的設計具備以下功能：

1)加載功能：靜態加載能力不小于±25 kN，并具備加載力隨時間變化可編程功能，方便項目后期擴展使用；

2)直線測量功能：線位移測量精度為±0.005 mm；

3)人機交互界面：具備友好的人機交互界面，方便試驗人員操作及監控測試過程(能實時顯示位移測量結果、加載力、加載臺狀態等)；

4)具備RS 485總線通訊功能，模擬上位機通訊，具備后期對加載力隨時間變化編程功能，方便后期擴展。

圖10 直線加載臺外形圖

加載測試平臺系統分為軟件部分、電氣部分和機械部分。軟件部分主要包括實時下位機軟件和非實時上位機軟件，負責數據的采集和處理、控制算法的運算和執行以及控制量的變換和輸出；電氣部分主要包括控制柜、工控機、下位機、電源模塊、濾波模塊、隔離模塊、傳感器、驅動器和電機以及各組件之間的線纜，負責功率放大、能量轉換以及信號隔離和濾波。

圖11 直線加載測試臺原理框圖

3 試驗結果與分析

3.1 地面加載試驗結果

為了驗證變距拉桿在負載情況下的伺服性能，在加載測試平臺上進行了智能變距拉桿的性能測試試驗。

加載狀態分為逆載和順載兩種情況，在每種加載狀態下測量變距拉桿的伺服精度和速度。通過加載測試平臺的模擬測試界面人工輸入加載指令，經RS 485總線輸入到變距拉桿的接收端口。

圖12 變距拉桿加載試驗

圖13是25 000 N加載力下的直線伺服精度測試結果，測試結果顯示，不論在順載還是逆載情況下變距拉桿的伺服精度都達到了±0.01 mm以內。試驗從±0.6 mm的行程位置開始加載，待加載力穩定后以Δ=0.1 mm為梯度改變控制信號，加載測試平臺光柵測量值與控制指令之差就是直線伺服的誤差。可以看出，誤差值的絕對值都小于0.01 mm。

圖13 25 000 N加載精度測量結果

3.2 槳葉不平衡控制試驗結果

為了驗證變距拉桿對旋翼平衡調整的效果，在某10噸級旋翼平臺上進行了旋翼平衡實時調整的試驗。基于變距拉桿和旋翼錐體、振動頻域分量之間的線性關系，提出了一種帶有約束的旋翼錐體和動平衡的主動調整方法，以1/rev旋翼振動為控制目標，槳尖高度互差為約束條件，通過控制算法自動小幅調整智能變距拉桿長度來達到旋翼錐體調整和減振的目的[20]。其主要目標是降低1/rev 振動，并將旋翼錐體(每片槳葉槳尖高度互差)控制在允許范圍內。

圖14是變距拉桿安裝在旋翼塔的示意圖，變距拉桿與自動傾斜器和槳葉相連，控制槳葉槳距，可以通過IFT控制計算機微調變距拉桿的長度。振動傳感器安裝在旋翼平臺上，可以測量x，y，z3個方向上的振動量值。試驗選取了懸停、前飛兩種狀態，對比了控制變距拉桿前后旋翼平臺的振動量值大小。

圖14 變距拉桿旋翼塔試驗

圖15的試驗結果顯示，無論在前飛還是懸停狀態，控制后的旋翼振動值在x，y，z3個方向上均能減小80%以上的1/rev振動幅值，且不同槳葉的槳尖高度互差也控制在約束范圍以內。

圖15 控制前后的槳轂1/rev振動幅值對比

4 結束語

根據IFT系統使用要求設計的旋翼智能變距拉桿，通過地面加載試驗，驗證了在最大25 000 N的負載力下的各項性能指標，試驗結果顯示其伺服精度達到了0.01 mm。在某10噸級直升機旋翼平臺上進行的旋翼平衡實時調整試驗結果顯示，通過特定的控制算法調整變距拉桿的長度可以降低80%以上1/rev旋翼振動。

旋翼智能變距拉桿首次在國內試制成功，并在IFT系統上完成了旋翼平衡實時調整試驗，驗證了IFT系統的有效性和可行性，提升了技術成熟度，為解決直升機錐體不平衡問題提供了新的技術手段。變距拉桿的高精度、大推力伺服控制經驗可以推廣應用到其他控制領域，為高載荷體積比、高精度控制場景提供了一種新的參考方案。