某小型涡扇发动机油门杆电动控制系统设计.pdf

某小型涡扇发动机油门杆电动控制系统设计幸 苏三买 (西北工业大学动力与能源学院，西安710072) 摘要：某小型涡扇发动机拟改型用作无人机动力装置，针对发动机燃油控制系统，作为全权限数控的过 渡方案，本文设计了基于双CPU主从式结构的油门杆电动控制系统．与发动机地面试验电动油门杆设计不同， 本设计主要考虑油门杆的位置精确控制、控制器断电油门杆保持原位、房主卡死、系统运行记录与故障报警等 余度与安全措施．论文详细介绍了系统设计指标、电机驱动及硬软件设计． 关键词：涡扇发动机； 油门杆： 电动控制器： 步进电机； 双CPU 1 背景 某型涡扇发动机控制系统为机械液压控制，属于有人控制。将发动机改型为无人机动力装置， 在控制方面将存在以下问题：由于无人机的工作特点，决定其发动机燃油调节系统必须采用电调， 理想的方案是采用全权限数字电子控制(FADEC)。而该发动机为纯机械液压控制，不能满足无人机 动力必须为电调的要求。 国内目前正在进行该发动机原型机全权限数控系统设计，计划十一五末完成电子控制器设计， 并进行试飞。该数控系统即使按期研制成功，如果要用到改型机上，必须考虑飞行高度、雷诺数、 控制模式的变化而对数控系统软硬件进行修改与验证，这势必还需要一定的时间。 近年来，国内多个部门对该型发动机需求迫切，作为过渡方案，我们提出对原机械液压控制系 统进行必要的适应性改进，试飞时油门杆采用电动控制。 针对上述背景与需求，本文进行发动机油门杆电动控制系统设计。 2任务需求与设计要求 2．1任务需求 根据发动机机械液压控制系统的技术特点，电动控制器应满足如下技术指标： ①最大转矩： 3N．朋 ②系统响应速度： 120‘／s ③油门杆转动范围：O‘～110‘ ④能够实现正转反转 2．2设计要求 油门杆电动控制单从技术的角度而言并不复杂，但用于飞机尤其是无人机控制时必须考虑与飞 控机的通讯、控制器断电后控制以及其它余度技术。因此，在设计控制器需要满足以下要求： ①实现与飞控计算机通讯，全数字控制； ‘西北工业大学英才培养基金资助 14／ ②向飞控计算机实时反馈当前油门杆角度； ③控制器断电后，保持油门杆位置不变： ④控制器失控后具有自复位功能，复位后从复位前正常状态接续控制： ⑤运转灵活、不卡死、体积小、重量轻，易于安装维护。 3实现方案与电机选型 对发动机机械液压控制系统分析可知，能够操作油门杆即可实现发动机在全工作范围的控制。 因此，在原燃油调节器结构上，卸掉驾驶员的油门操纵杆连接部分，相应地在燃油调节器的油门杆 ：’ -． ．’ 上安装电机，计算机控制电机的位置即可使油门杆控制由原手动改为电动，实现发动机电动操纵。 在发动机油门杆电动控制系统设计中，电机选型是最为关键的一环，它决定着整个系统的性能， 以及控制电路的没计和控制策略的选用。 步进电机是一种最常用的位置控制产品，精度高，抗干扰能力强，为增量式执行机构，可实现 发动机供油的精确控制，故本设计选择步进电机作为执行机构。根据上述需求，本系统选某型步距 角为1．8。的两相混合式步进电机。 系统传动部分中，由于步进电机每一步的分辨率为1．8u，直接带动油门杆时，步距太粗。需要 减速器：另；l-m于燃油调节器上的油门杆具有一定的圃零力矩，为了防止电动控制系统断电后油门 杆自动回零，需要有自锁机构。 为满足上述传动要求，本系统采用电机带小齿轮，小齿轮带扇形齿轮的方法进行物理硬件减速， 另一方面采用步进电机细分驱动提高旋转角度分辨率，既使油门杆在能推动的情况下，运转灵活， 电机的体积重量(对应扭矩)大大减小，同时使油门杆在电机无力矩输出(断电)时保持自锁。 为了实时反馈油门杆位置，在电机输出轴的另一端安装角位移传感器。 4系统硬件设计 4．1硬件总体方案