基于DSP和CAN總線的航空發(fā)動機(jī)智能位置控制器*

楊全廷，龐 景，王雷濤，張金朋，翟旭升，蔡開龍

（1.空軍95927部隊(duì)，河北 滄州 061736;2.空軍93619部隊(duì)，天津 301716;3.空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710038）

0 引言

所謂智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就是把原有執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行微機(jī)化，在其中植入微處理器，并使其帶有數(shù)據(jù)總線通信接口和電源總線接口。在航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)中，智能裝置需要完成集中式控制中中央處理器的低級功能，主要是信號采集、信號傳輸、信號處理，此外，還要執(zhí)行自檢、余度管理、故障診斷、故障隔離和故障容錯等任務(wù)，而中央處理器僅僅完成高級功能，如控制計(jì)劃、總線仲裁、與飛機(jī)接口等［1～3］。

在某航空推進(jìn)系統(tǒng)中，進(jìn)入中央控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號和位置反饋信號有10多路［4］，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有進(jìn)氣道斜板角度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、主燃油流量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)/計(jì)量活門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、αF角度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、αC角度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、噴口面積控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及加力燃油量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。其中，αF角度調(diào)節(jié)是通過電磁活門控制作動筒伸出量大小，從而控制αF角度;αC角度調(diào)節(jié)和噴口面積調(diào)節(jié)也是通過液壓機(jī)械裝置控制作動筒伸出量大小實(shí)現(xiàn)的。由此可知，某航空推進(jìn)系統(tǒng)的幾何尺寸調(diào)節(jié)是通過控制作動筒伸出量大小實(shí)現(xiàn)的，為此，本文以作動筒為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了智能位置控制器。

1 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理

航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)中智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。中央處理器的指令通過CAN總線發(fā)送到智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)字信號處理器（DSP），DSP輸出數(shù)字控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路處理后送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制輸出經(jīng)敏感單元和信號調(diào)理后反饋回DSP，以此構(gòu)成對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的局部閉環(huán)控制。這樣，一方面可以消除執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸出的誤差，達(dá)到精確控制，另一方面，還可以對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障診斷［5］。CAN總線與執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)指令信號和數(shù)據(jù)信號的交換，電源總線給執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電。

圖1 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖Fig 1 Structure principle diagram of intelligent actuator

本文的微處理器采用TMS320LF2407A DSP，該DSP集成了CAN總線控制器和CAN總線通信接口，可以方便地組建基于CAN總線的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2 智能位置控制器設(shè)計(jì)

2.1 智能位置控制器結(jié)構(gòu)原理

智能位置控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是作動筒，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

由圖2可知，智能位置控制器主要包括TMS320LF2407A DSP、電磁活門控制信號調(diào)理電路、電磁活門、液壓伺服閥、作動筒、線性位移傳感器（LVDT）、線位移信號測量電路、DSP與CAN總線接口電路以及電源電路等部分。智能位置控制器通過CAN總線接收來自于中央控制器的作動筒位置控制指令，由DSP內(nèi)部的控制算法產(chǎn)生控制信號（占空比可調(diào)的脈沖信號），控制信號通過調(diào)節(jié)電磁活門閥芯位置來控制液壓伺服閥左右腔油壓，進(jìn)而控制作動筒伸出量大小，作動筒伸出量大小又通過LVDT和反饋信號測量電路反饋回DSP，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)對作動筒的閉環(huán)控制。

電磁活門的閥芯位置通過占空比可調(diào)的脈沖信號調(diào)節(jié)，當(dāng)脈沖信號的占空比等于50%時(shí)，作動筒位置不變;當(dāng)脈沖信號的占空比大于50%時(shí)，作動筒伸出量增加;當(dāng)脈沖信號的占空比小于50%時(shí)，作動筒伸出量減小。

2.2 電磁活門控制信號調(diào)理電路

電磁活門控制信號調(diào)理電路如圖3所示。TMS320LF2407A DSP的EVA模塊PWM1通道輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片AM26LS31放大后，調(diào)節(jié)電磁活門的閥芯位置，進(jìn)而控制作動筒的伸縮量。

圖3 電磁活門控制信號調(diào)理電路Fig 3 Control-signal modulation circuit of electromagnetic valve

2.3 LVDT與線位移信號測量電路

線位移信號調(diào)理電路主要處理LVDT的激勵信號和位置反饋信號。LVDT是電磁感應(yīng)式位移傳感器，利用差動變壓器原理進(jìn)行工作［6，7］。當(dāng)鐵心處在變壓器中間位置時(shí)，次級的兩匝線圈產(chǎn)生大小相等的感應(yīng)電動勢，變壓器輸出的電動勢為0;當(dāng)鐵心離開中間位置時(shí)，次級兩匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不等，變壓器輸出與鐵心位移成比例的電動勢。因此，通過檢測變壓器的輸出電動勢就可實(shí)現(xiàn)對LVDT的位移測量。針對WY—20T LVDT，其位置信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 智能位置控制器位置信號調(diào)理電路Fig 4 Position-signal modulation circuit of intelligent position actuator

圖4中，AD598［7］是ADI公司專為LVDT和RVDT設(shè)計(jì)的信號調(diào)節(jié)芯片。AD598內(nèi)部有一個用來產(chǎn)生LVDT初級激磁信號的低失真正弦波振蕩器及其輸出放大器和接收LVDT次級輸出的2個正弦信號的輸入級、除法器、濾波器及其輸出放大器。AD598將所有的電路功能都集中在一塊芯片上，只要增加幾個外接無源元件就能確定LVDT激磁信號的頻率和幅值。在芯片內(nèi)部，AD598能夠?qū)VDT次級輸出的機(jī)械位置信號按比例轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的直流電壓信號，然后將該電壓信號送往DSP 2407A的ADC0端口，經(jīng)過DSP 2407A的內(nèi)部處理后，又將數(shù)字量送入2407A中CAN控制器，通過發(fā)送郵箱發(fā)送到CAN總線上，實(shí)現(xiàn)與中央處理器之間的數(shù)據(jù)交換。

2.4 控制算法

由于智能位置控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是作動筒，它需要的是控制信號的增量形式，因此，采用增量式PID算法控制作動筒運(yùn)行;在數(shù)字PID控制系統(tǒng)中，由于積分環(huán)節(jié)的加入會產(chǎn)生較大的超調(diào)，這在實(shí)際的航空推進(jìn)系統(tǒng)分布式控制中是絕對不允許的，故為了減少作動筒運(yùn)行過程中積分環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，本文又引入了積分分離算法，在作動筒的大幅度位移運(yùn)行過程中采用積分分離的PID控制算法，只加比例和微分作用，取消積分環(huán)節(jié)，以減小或避免超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，而當(dāng)實(shí)際位移與期望位移的誤差較小時(shí)重新加入積分環(huán)節(jié)的作用，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;另外，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求作動筒運(yùn)動到位后，控制作用不要頻繁變動，只是在誤差累積超出一定范圍后才施加控制作用，所以，系統(tǒng)還要加上帶死區(qū)的PID控制。鑒于以上原因，本文采用帶死區(qū)的積分分離增量式PID控制算法［8］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)選取0～20 mm中11個典型的位移，由DSP發(fā)出位移指令數(shù)字信號，經(jīng)過AM26LS31產(chǎn)生相應(yīng)的電磁活門驅(qū)動信號（占空比可調(diào)的脈沖信號），通過調(diào)節(jié)電磁活門閥芯位置來控制液壓伺服閥左右腔油壓，進(jìn)而控制作動筒伸出量大小，作動筒伸出量大小又通過LVDT和反饋信號測量電路反饋回DSP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 DSP發(fā)送位移值和測量位移值Tab 1 Referential displacement value and measured value

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出:該機(jī)構(gòu)不僅控制響應(yīng)速度很快，控制精度也很高，發(fā)送位移值和測量位移值相對誤差不超過0.2%，總之，該智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全滿足航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)的速度和精度要求。

4 結(jié)束語

針對航空發(fā)動機(jī)分布式控制研究的需要，本文提出了一種基于CAN總線和DSP的智能位置控制器的設(shè)計(jì)方案，并給出了具體的硬件電路和軟件算法。DSP實(shí)現(xiàn)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的程序控制和自診斷，CAN總線完成發(fā)動機(jī)中央處理器與DSP的數(shù)據(jù)交換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的智能位置控制器不僅響應(yīng)速度快，控制精度也很高，在航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)中具有工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］黃金泉，徐 科.航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析［J］，航空動力學(xué)報(bào)，2003，18（5）:698 －704.

［2］崔 勇，黃金泉.航空發(fā)動機(jī)雙余度智能位置控制器設(shè)計(jì)［J］.推進(jìn)技術(shù)，2005，26（6）:535 －539.

［3］徐 科，黃金泉.基于分布式控制的航空發(fā)動機(jī)智能溫度傳感器［J］.傳感器技術(shù)，2004，23（1）:24 －27.

［4］張生良.某渦扇發(fā)動機(jī)綜合電子調(diào)節(jié)器控制規(guī)律研究［D］.西安:空軍工程大學(xué)，2003.

［5］沙占友.集成化智能傳感器原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［6］Analog Device.LVDT Signal Conditioner AD598［Z］.Analog Device，1999.

［7］蘭峰楓，張?zhí)旌?一種用于位移測量裝置校準(zhǔn)的LVDT模擬器［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（3）:68 －70.

［8］陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.