一种方向舵调整片操纵装置的数字化控制器的制作方法

2021-02-14 05:02:00|

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本发明涉及但不限于方向舵调整片操纵技术领域，尤指一种方向舵调整片操纵装置的数字化控制器及操纵装置。

背景技术：

方向舵一般安装在垂直尾翼的后部，当需要控制飞机的航向时，飞行员就可以通过脚蹬操纵垂直尾翼中的方向舵达到偏航的目的。

目前，国内运输机方向舵调整方式中已经广泛使用电动装置，通过模拟电路设计的电动装置调整运输机方向舵的方式存在精准度较差，以及控制的可靠性不高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的：本发明实施例提出一种方向舵调整片操纵装置的数字化控制器，适用于飞行器方向舵调整装置的操纵，以解决现有采用电动装置调整运输机方向舵的方式存在精准度较差，以及控制的可靠性不高等问题，从而实现了飞行器多电、全电的发展要求。

本发明的技术方案：

本发明实施例提供一种方向舵调整片操纵装置的数字化控制器，包括：主芯片电路模块3，以及分别与主芯片电路模块3连接的电源适配模块2、信号接收/发送模块1、反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4；其中，所述电源适配模块2还分别与信号接收/发送模块1、反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4连接，用于向与其连接的各模块供电；所述主芯片电路模块3中配置有数字化控制器控制电动机构6的控制律算法；

所述数字化控制器，用于通过信号接收/发送模块1从飞控系统接收到控制指令，通过主芯片电路模块3与反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4的配合工作，控制电动机构6工作，从而带动方向舵调整片偏转，从而卸掉或减小飞机驾驶员在控制方向舵时所提供的脚蹬力；还用于通过反馈信号处理模块5和主芯片电路模块3向飞控系统提供方向舵调整片的位置信号和中立位置指示信号。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述信号接收/发送模块1，包括：伸出指令隔离电路1-1、收回指令隔离电路1-2、伸出极限隔离电路1-3、收回极限隔离电路1-4、中立位置指示信号驱动电路1-5和位置信号驱动电路1-6。

所述功率放大/逆变模块4，包括：功率放大电路4-1、功率逆变电路4-2和离合器控制电路4-3；

所述反馈信号处理模块5，包括：速度采集电路5-1、光电开关采集电路5-2和位移采集电路5-3。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述数字化控制器，具体用于通过主芯片电路模块3对从飞控系统接收到的控制指令进行有效性判断，通过反馈信号处理模块5中的位移采集电路5-3进行方向舵调整片位置信号的采集，将采集到的位置信号经过反馈信号处理模块5的反馈和主芯片电路模块3的计算处理后，一方面，通过信号接收/发送模块1中的位置信号驱动电路1-6将位移采集电路5-3采集的位置信号发送给飞机的飞控系统，用于机上发动机显示和机组告警系统eicas进行显示；另一方面，主芯片电路模块3根据接收到的有效指令和位移采集电路5-3采集到的位置信号，执行位置与指令的逻辑运算，从而以确定电动机构6的控制方向位正转或反转，并确定控制电动机构6的步长长度。

其中，主芯片电路模块3的计算处理，包括：根据采集的位置信号判断方向舵调整片是否在中立位置，若方向舵调整片在中立位置，则通过信号接收/发送模块1向飞控系统发送中立位置指示信号，用于向飞行员提供中立判断。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述数字化控制器，还用于通过速度采集电路5-1采集到直流无刷电机的实际转速，并经过主芯片电路模块3的数学运算，得到目标转速与采集到的实际转速的差值，经过主芯片电路模块3中的脉冲宽度调制pwm产生模块产生pwm信号，该pwm信号经过功率放大电路4-1的功率放大后，作用在功率逆变电路4-2上进行能量转换，从而得到用于驱动直流无刷电机需要的交流电能量，使得电动机构6按照飞机驾驶员的控制指令进行相应的操作，所述电动机构6执行的操作，包括：伸出工作或者收回工作。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述数字化控制器控制电动机构执行伸出工作的方式，包括：驾驶员7-1通过飞控系统7发出伸出指令，伸出指令经信号接收/发送模块1的伸出指令隔离电路1-1传输到主芯片电路模块3，经过主芯片电路模块3的控制律处理，产生pwm信号，pwm信号经过功率放大电路4-1的功率放大后，作用在功率逆变电路4-2上进行能量转换，从而驱动电动机构6中直流无刷电机6-4正方向旋转，并经过传动机构6-5的转换，将旋转运动转化为直线伸出运动；

其中，在驱动直流无刷电机6-4旋转前，还通过主芯片电路模块3给离合器控制电路4-3控制信号，以控制直流无刷电机6-4中的离合器断开。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述数字化控制器控制电动机构执行伸出工作的方式，还包括：在控制电动机构6中传动机构6-5伸出至极限位置时，通过光电开关采集电路5-2采集传动机构6-5的伸出到位信号，传输到主芯片电路模块3，执行伸出到位的逻辑判定，判定结果通过信号接收/发送模块1的伸出极限隔离电路1-3，向飞控系统发送伸出到位信号。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述数字化控制器控制电动机构执行收回工作的方式包括：驾驶员7-1通过飞控系统7发出收回指令，收回指令经信号接收/发送模块1的收回指令隔离电路1-2传输到主芯片电路模块3，经过主芯片电路模块3的控制律处理，产生pwm信号，pwm信号经过功率放大电路4-1的功率放大后，作用在功率逆变电路4-2上进行能量转换，从而驱动电动机构6中直流无刷电机6-4反方向旋转，并经过传动机构6-5的转换，将旋转运动转化为直线收回运动；

其中，在驱动直流无刷电机6-4旋转前，还通过主芯片电路模块3给离合器控制电路4-3控制信号，以控制直流无刷电机6-4中的离合器断开。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述数字化控制器控制电动机构执行收回工作的方式，还包括：在控制电动机构6中传动机构6-5收回至极限位置时，通过光电开关采集电路5-2采集传动机构6-5的收回到位信号，传输到主芯片电路模块3，执行收回到位的逻辑判定，判定结果通过信号接收/发送模块1的收回极限隔离电路1-4，向飞控系统发送收回到位信号。

可选地，如上所述的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器中，

所述数字化控制器，还用于在控制电动机构6工作的同时，通过位移采集电路5-3采集方向舵调整片的位置信号，将采集到的位置信号经过主芯片电路模块3处理后，通过位置信号驱动电路1-6向飞控系统发送所述位置信号，并计算出中立位置区域，通过中立位置指示信号驱动电路1-5，向飞控系统发送中立位置指示信号。

本发明的优点：

本发明实施例提供一种方向舵调整片操纵装置的数字化控制器，通过数字化控制器中的主芯片电路模块3的控制律算法，以及与信号接收/发送模块1、反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4的配合工作，实现了控制电动机构作伸出、回收直线运动，从而带动方向舵调整片偏转，进而卸掉或减小飞机驾驶员在控制方向舵时所提供的脚蹬力，还实现了向飞机的飞行控制系统提供方向舵调整片的位置信号和中立位置指示信号的功能。为提升方向舵调整片操纵装置的控制可靠性、步长控制精度、电磁兼容性等能力，本发明实施例创新性的采用数字化的控制器实现了方向舵调整片操纵装置在步进式工作方式中对速度和位移量的精准控制。

附图说明：

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种方向舵调整片操纵装置的数字化控制器的结构示意图；

图2为本发明实施例中配置于主芯片电路模块中控制律算法的流程图；

图3为本发明实施例中主芯片电路模块执行控制律算法的原理示意图；

图4为本发明实施例中主芯片电路模块对控制指令进行有效性判断的逻辑示意图；

图5为本发明实施例提供的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器的工作原理示意图。

具体实施方式：

针对背景技术中现有采用电动装置调整运输机方向舵的方式存在精准度较差，以及控制的可靠性不高等问题。为提升方向舵调整片操纵装置的控制可靠性、步长控制精度、电磁兼容性等能力，本发明实施例创新性的采用数字化的控制器实现了方向舵调整片操纵装置在步进式工作方式中对速度和位移量的精准控制。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

在提出本发明实施例的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器之前，首先说明方向舵，方向舵一般安装在垂直尾翼的后部，当需要控制飞机的航向时，飞行员就可以通过脚蹬操纵垂直尾翼中的方向舵达到偏航的目的，方向舵调整的实施方式包括作为执行部件的方向舵调整片、用于响应飞行员脚蹬指令的方向舵调整操纵装置。

其中，方向舵调整片设置于方向舵上，方向舵调整片操纵装置功能的实施方案包括：数字化控制器和电动机构两部分。

图1为本发明实施例提供的一种方向舵调整片操纵装置的数字化控制器的结构示意图，图1示意出了数字化控制器与电动机构、方向舵的关系，及其配合工作的关系。本发明实施例提供的数字化控制器，包括：

主芯片电路模块3，以及分别与主芯片电路模块3连接的电源适配模块2、信号接收/发送模块1、反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4；其中，所述电源适配模块2还分别与信号接收/发送模块1、反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4连接，用于向与其连接的各模块供电；所述主芯片电路模块3中配置有数字化控制器控制电动机构6的控制律算法。

该数字化控制器，用于通过信号接收/发送模块1从飞控系统接收到控制指令，通过主芯片电路模块3与反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4的配合工作，控制电动机构6工作，从而带动方向舵调整片偏转，从而卸掉或减小飞机驾驶员在控制方向舵时所提供的脚蹬力；还用于通过反馈信号处理模块5和主芯片电路模块3向飞控系统提供方向舵调整片的位置信号和中立位置指示信号。

另外，本发明实施例中的电动机构6包括位移传感器6-1、限位开关6-2、速度传感器6-3、直流无刷电机6-4和传动机构6-5。

本发明实施例提供的数字化控制器中，电源适配模块2的作用是为满足产品对供电和电磁环境的适应性，保证产品具备良好的电源特性和电磁兼容性，对飞机提供的28v电源。首先，电源适配模块2进行预处理，包括防浪涌、电磁兼容、功率电源与控制电源分离等方面的处理，再进行电源转换处理，得到提供给信号接收/发送模块1、主芯片电路模块3、反馈信号处理模块5和功率放大/逆变模块4的电源，另外，电源适配模块2直接给电动机构6中各传感器、开关提供电源，电源适配模块2通过功率放大/逆变模块4的逆变向直流无刷电机6-4提供电源。

一方面，本发明实施例提供的数字化控制器中，信号接收/发送模块1是在通用离散量输入输出电路的设计上，增加强弱电隔离设计，充分考虑抗干扰能力，增大开关门限阈值设计，以光电耦合器为主要部件，主要用于采集和输出离散/开关量，该信号接收/发送模块1包括：伸出指令隔离电路1-1、收回指令隔离电路1-2伸出极限隔离电路1-3、收回极限隔离电路1-4、中立位置信号驱动电路1-5和位置信号驱动电路1-6。

另一方面，本发明实施例提供的数字化控制器中，反馈信号处理模块5是基于被控对象，即直流无刷电机6-4中的转子位置、速度传感器6-3的脉冲扑捉和传动机构6-5中的输出轴上配置位移传感器6-1的采集，以及基于限位开关6-2采集极限位置，而设计的专用模数转换电路和数字量的电平转换电路。

该数字化控制器中的反馈信号处理模块5，可以包括：根据被控的直流无刷电机6-4的特征设计专用的速度采集电路5-1，用于通过速度传感器6-3采集直流无刷电机6-4中的实际转速，并通过反馈信号处理模块5反馈到主芯片电路模块3；根据电动机构6-5中的光电开关的特征，设计专用的光电开关采集电路5-2，用于提供极限位置信号，根据电动机构6-5中的位移传感器6-1特征，设计专用的位移采集电路5-3，用于通过位移传感器6-1采集方向舵调整片的位置信号。

又一方面，本发明实施例提供的数字化控制器中，功率放大/逆变模块4为一种放大控制信号驱动能力的电路，由于主芯片电路模块3的输出为小电流信号，功率逆变需要的输入为大电流驱动信号，所以在主芯片电路模块3输出端与功率逆变电路4-2输入端之间设计信号隔离的功率放大电路4-1，实现弱电信号与强电信号之间的电气隔离和信号放大；功率逆变电路4-2具有输入阻抗高、开关速度快、通态压降小、耐高压和过流能力大等优点。

进一步的，功率放大/逆变模块4除功率放大电路4-1和功率逆变电路4-2外，还包括直流无刷电机离合器的离合器控制电路4-3，为根据直流无刷电机6-4离合器的电气特征设计离合器控制电路4-3。离合器控制电路4-3具有开通在指令信号之前，关断在指令信号之后的时序特点。

根据上述各模块中的电路及功能，本发明实施例中的电源适配模块2可分解为28v转5v模块，实现为主芯片电路模块3的供电能力。

进一步的，电源适配模块2可分解为28v转12v模块，实现为功率逆变电路4-2和直流无刷电机6-4、速度传感器6-3的供电能力；

进一步的，电源适配模块2可分解为28v转±15v模块，实现为功率放大电路4-1、反馈信号处理模块5的供电能力。

本发明实施例提供的数字化控制器主要具有以下三方面的功能：

功能一：控制电动机构6作伸出、回收直线运动，从而带动方向舵调整片偏转，进而卸掉或减小飞机驾驶员在控制方向舵时所提供的脚蹬力；

功能二：向飞机的飞行控制系统提供方向舵调整片的位置信号；

功能三：向飞机的飞行控制系统提供方向舵调整片的中立位置指示信号。

在具体实施例中，一方面，本发明提供的数字化控制器中，主芯片电路模块3中提供了数字化控制器的控制律的执行算法，例如通过主芯片电路模块3中的软件算法实现，用于控制电动机构6中的直流无刷电机6-4，以满足精确地位移和时间的需要，控制律算法包括直流无刷电机的速度pid调节和电动机构步长的设置。如图2所示，为本发明实施例中配置于主芯片电路模块中控制律算法的流程图，该控制律算法用于实现上述功能一。

另一方面，本发明提供的数字化控制器，还提供：方向舵调整片的位置检测与输出能力，并且采用区间显示技术向飞行控制系统提供方向舵调整片中立位置的指示信号，即上述功能二和功能三。

以下通过具体实施例对上述各功能的实现方式进行详细说明。

如图3所示，为本发明实施例中主芯片电路模块执行控制律算法的原理示意图。控制电动机构6的前提是接收到有效地工作指令，工作指令的提供者是飞机的驾驶员7-1，在算法开始之初，首先，通过主芯片电路模块3对从飞控系统接收到的控制指令的有效性判断，如图4所示，为本发明实施例中主芯片电路模块对控制指令进行有效性判断的逻辑示意图。同时，通过反馈信号处理模块5中的位移采集电路5-3进行方向舵调整片位置信号的采集，该位置信号由安装在电动机构6输出轴上的位移传感器6-1提供的，将采集到的位置信号经过反馈信号处理模块5的反馈和主芯片电路模块3的计算处理处理包括：根据采集的位置信号判断方向舵调整片是否在中立位置，若在中立位置，则通过信号接收/发送模块1向飞控系统发送中立位置指示信号，用于向飞行员提供中立判断，计算处理后：一方面：通过信号接收/发送模块1中的位置信号驱动电路1-6将位移采集电路5-3采集的位置信号提供给飞机的飞行控制系统，用于机上发动机显示和机组告警系统(简称为：eicas)进行显示；另一方面，主芯片电路模块3根据接收到的有效指令和位移采集电路5-3采集到的位置信号，执行位置与指令的逻辑运算，用以确定电动机构6的控制方向，即正转还是反转，以及用来确定控制的步长长度。

在步长长度确定之后，等同于电动机构6中的直流无刷电机6-4的目标转速值的标定，通过直流无刷电机速度采集电路5-1采集到直流无刷电机6-4的实际转速，此实际转速由速度传感器6-3反馈，经过主芯片电路模块3的数学运算，得出目标转速与采集到的实际转速的差值，经过主芯片电路模块3中的脉冲宽度调制pwm产生模块产生脉冲宽度调制信号(即pwm信号)，再经过功率放大电路4-1的功率放大后，最终作用在功率逆变电路4-2上进行能量转换，即将直流转换为交流，从而得到驱动直流无刷电机6-4需要的能量，使得电动机构6按照飞机驾驶员的指令要求进行相应的工作，即伸出工作或者收回工作。其中，伸出指令对应的是电动机构6输出轴伸出工作，收回指令对应的是电动机构6输出轴收回工作。

也就是说，上述实施例中功能一中对电动机构6的控制工作包括伸出工作和收回工作。如图5所示，为本发明实施例提供的方向舵调整片操纵装置的数字化控制器的工作原理示意图，该图示意出伸出工作模式、收回工作模式的具体实施方式。

本发明实施例提供的数字化控制器控制电动机构6执行伸出工作的具体实施方法是：驾驶员7-1提供伸出指令，伸出指令经过数字化控制器中的信号接收/发送模块1的伸出指令隔离电路1-1，送入数字化控制器中主芯片电路模块3，经过主芯片电路模块3的控制律处理，产生pwm信号该，pwm信号经过功率放大电路4-1的功率放大后，作用在功率逆变电路4-2上进行能量转换，从而驱动直流无刷电机6-4正方向旋转，再经过传动机构6-5的转换，将旋转运动转化为直线伸出运动。

需要说明的是，上述控制电动机构6执行伸出工作的过程中，驱动直流无刷电机6-4旋转前，还通过主芯片电路模块3给离合器控制电路4-3控制信号，控制直流无刷电机6-4中的离合器断开；如图5所示。

进一步地，数字化控制器在控制电动机构6中传动机构6-5伸出至设计极限位置时，通过光电开关采集电路5-2采集到传动机构6-5的伸出到位信号，送入数字化控制器中的主芯片电路模块3，执行伸出到位的逻辑判定，判定之后的结果通过数字化控制器中的信号接收/发送模块1的伸出极限隔离电路1-3，向飞控系统发送伸出到位信号，如图5所示。

本发明实施例提供的数字化控制器控制电动机构6执行收回工作的具体实施方法是：驾驶员7-1提供收回指令，该收回指令经过上述的数字化控制器中的信号接收/发送模块1的收回指令隔离电路1-2，送入上述的数字化控制器中主芯片电路模块，经过主芯片电路模块3的控制律处理，产生pwm信号，pwm信号经过功率放大电路4-1的功率放大后，作用在功率逆变电路4-2上进行能量转换，从而驱动直流无刷电机6-4反方向旋转，再经过传动机构6-5的转换，将旋转运动转化为直线收回运动。

需要说明的是，上述控制电动机构6执行收回工作的过程中，在驱动直流无刷电机6-4旋转前，还通过主芯片电路模块3给离合器控制电路4-3控制信号，控制控制电动机构6-4中的离合器断开；如图5所示。

进一步地，数字化控制器在控制电动机构6中传动机构6-5收回至设计极限位置时，通过光电开关采集电路5-2，采集6-5的收回到位信号，送入数字化控制器中的主芯片电路模块3，执行收回到位的逻辑判定，判定之后的结果通过数字化控制器中的信号接收/发送模块1的收回极限隔离电路1-4，向飞控系统发送收回到位信号，如图5所示。

本发明实施例的数字化控制器在执行上述功能二和功能三的实现方式为：在控制电动机构6工作的同时即上述伸出工作和收回工作的过程中，通过位移采集电路5-3采集方向舵调整片的位置信号，该位置信号由安装在电动机构6输出轴上的位移传感器6-1提供；随后，一方面，将采集到的位置信号经过主芯片电路模块3处理后，通过位置信号驱动电路1-6向飞控系统提供位置信号，另一方面，将采集到的位置信号经过主芯片电路模块3处理后，计算出中立位置区域，通过中立位置指示信号驱动电路1-5，向飞控系统提供中立位置指示信号，如图5所示。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

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