基于PWM控制的飞机输油泵控制技术研究

鲁佩政　王进　陈迪

摘 要：分析了飞机输油泵在不同工作状态下的控制特点，采用STC89C52单片机的PWM技术，研究了油泵电机电流和转速的双闭环控制的方法，达到了油泵电机过压、过流控制保护和告警的目的。

关键词：输油泵；PWM；单片机；双闭环控制

引言

飞机输油泵是用来给发动机输送燃油的。随着飞机飞行状态的改变，发动机的供油量也需发生相应的变化。目前，飞机上的输油泵始终以恒定的转速运行，其输油量的大小只受输油控制活门的控制，无法根据发动机的需油量来调节输油泵的供油量，只将影响油泵的使用寿命。为了这种工作状态，使输油泵能根据发动机供油量进行转速的控制，使输油泵工作在最佳转速状态，以延长输油泵的使用寿命，进行了转速电流双闭环直流调速系统的研究。

转速电流双闭环直流调速系统是应用较广泛的直流调速系统，应用较为广泛。随着微电子技术、微处理器的发展，使调速系统的各种功能几乎都可以通过微处理器来实现。基于单片机PWM控制的双闭环直流调速系统，能够实现电机的四象限运行，完成对直流电机的转速控制，具有动态响应速度快、输出波形好、体积小、电机速度控制平稳、电机调速范围宽等特点。该课题的研究，在提高飞机输油泵的工作可靠性及自保护能力，减小耗电损失等方面都有着重要意义。同时也能提高本科学员专业能力和科研能力，为以后的机务工作以及开展科学研究打好基础。

1 双闭环直流调速系统基本原理

传统的PI调节器的单闭环调速系统虽然能实现转速的无静差调速，但只能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产效率，缩短起动、制动过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统以最大的加速度起动，达到稳态转速后，进入转矩和负载平衡的稳态运行状态。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用電流负反馈控制的方法，即采用转速、电流双闭环的调速系统。

图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串联使用，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器控制晶闸管，实现电机的双闭环控制。

2 数字式双闭环直流电机调速系统的硬件设计

2.1 数字控制双闭环直流调速系统方框图

本系统以STC89C52单片机为主控芯片。由单片机产生的PWM信号，经光耦隔离电路来驱动由BTS7960构成的驱动电路，控制油泵电机的转速；采用差分放大电路来检测电流信号，经转换放大后通过A/D转换电路，反馈到单片机，以实现油泵电机的电流检测；通过单片机的计数器来监测由光电编码器检测到的输油泵转速，以实现单片机对油泵电机的转速控制。其功能框图如图2所示。通过以上设计，实现了双闭环直流调速。该控制方式不仅提高了系统的可靠性、灵活性，而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。

2.2 功率放大电路和电流检测电路

BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高度集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、过压、欠压、过流及短路保护等功能。其原理电路如图3所示。

3 软件设计

3.1 PWM的基本原理

PWN是通过固定电压的直流电源开关频率，改变负载两边的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机转速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调速系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压的大小，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

3.2 基于单片机的PWM信号发生器设计

采用单片机生成PWM控制时，必须先确定好载波比N（或2N）。对于变频器来说，如果频率变化较大，那么在整个频率范围内若采用同一个载波比的同步调制方案，将难以兼顾高频和低频输出时的性能。选用较高频时往往会由于输出PWM开关频率极限过高，会造成开关的损耗增加，对器件开关频率极限要求也会提高，而选择较小的载波比，又会造成低频输出时过于稀疏，使电流脉动增大，谐波分量增加。最常用的方法是分段同步调制的方法，以获得较好的控制特性。

PWM的载波周期是由载波周期定时器来控制的。本系统采用定时器0进行中断，采用周期为1毫秒，当定时到来时，向CPU发出中断申请，CPU响应中断并执行中断服务程序，该中断服务程序的任务是将保存在内存中的PWM开关定时数据送至PWM波定时器，并启动此定时器工作，然后再计算下一个载波周期的PWM数据并保存。PWM波的定时器根据载波周期定时中断服务程序送来的开关数据进行定时控制，在中断服务中完成对PWM的换相并输出至中断口。

4 过载保护盒误告警设计

4.1 软件保护

双闭环系统本身就具有一定的过压过流保护能力，为了减少故障率，通过单片机实现软件级别保护。其软件流程如图4所示。

利用差分放大原理将采集到的油泵电流信号转换成电压信号，利用A/D转换器，将模拟电流信号转换成单片机能进行数据处理的数字信号，用单片机编程实现对电机的过压过流进行软件级别的保护。单片机软件中设定好过流门限数值之后，软件通过A/D实时采集电流检测电路输出的电压信号，并计算得到对应的电流值，与设定的过压过流保护门限值进行比较。如果电压值和电流值大于门限值，则执行相应的电机保护动作，单片机输出控制信号，使电极电路断开，可以进行手动复位重启；如果实时电压电流值小于门限值，则继续采集电压电流值进行比较，以此循环。

4.2 硬件保护

软件级别的过压过流保护，响应速度较硬件级别保护慢，若在程序跑飞的情况下不能提供保护，所以在电机电路上串一个断路器，程序跑飞时电路仍有自保护功能。

4.3 误告警设计

在输油过程中，系统会对输油泵电机进行低转速控制，从而造成输油泵出口压力过低，油压信号传感器会发出油压过低，进而造成误告警或启动引射泵。为使在输油泵电机进行调速控制时不会出现误告警情况发生。系统进行了防误告警设计。

在输油过程中，当电机转速降低时，输油泵出口压力也过低，这属于正常情况。这时，不应输出告警信号，也不应使油泵停止工作。此时，通过检测电机电流来判断系统的工作情况，避免误报警。

单片机控制电机转速升高时，电流变大，泵的输出功率增大，电机电流增大。单片机通过检测电机电流，来判断系统正在使油泵电机转速向增大的方向控制，这时出口压力应逐渐变大，如果此时出口压力过低则属于不正常现象，应发出告警信号。

5 结束语

本设计采用单片机代替原模拟系统调速系统，实现了直流电动机数字化调速。系统采用双闭环系统，实现了输油泵能根据供油量进行转速、电流的调节，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]尔桂花，窦曰轩.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2002：362-379.

[2]倪忠远.直流调速系统[M].北京：科技出版社，1996：98-113.

作者简介：鲁佩政（1990-），男，空军第一航空学院航空仪电工程系学员十二队学员，研究方向：航空特设。

指导教员：陈迪（1986-），男，空军第一航空学院航空仪电工程系讲师，研究方向：航空特设。