基于DSP的扭矩-轉速復合信號模擬器設計*

劉淵，張天宏，田彥云

(南京航空航天大學 江蘇省航空動力系統重點實驗室, 南京 210016)

基于DSP的扭矩-轉速復合信號模擬器設計*

劉淵，張天宏，田彥云

(南京航空航天大學 江蘇省航空動力系統重點實驗室, 南京 210016)

介紹一種基于DSP的發動機控制器實物在回路仿真的扭矩-轉速復合信號模擬器，其將扭矩-轉速復合信號的一個周期信號分解為包含高-低-高-低4個時間段的2個脈沖，利用DSP的高速定時中斷精確控制每個脈沖的高低電平切換時刻；通過對輸出信號的精確測量，補償因中斷延遲造成的周期和相位的誤差；通過串口中斷接收模型計算機輸出的扭矩-轉速的特征參數，將其存儲于定義的一種先進先出緩沖區結構體中，并在定時中斷中對特征時間參數進行保護性更新。

DSP；扭矩-轉速模擬器；TMS320F28335；先進先出緩沖區

引 言

對于航空渦軸、渦槳發動機，為了進行扭矩和功率的匹配控制，會在其功率輸出軸上安裝一種扭矩-轉速復合信號傳感器。該傳感器的旋轉件是一個扭轉軸，扭轉軸在同一個截面上布置反映入口軸和出口軸扭轉角度大小的輪齒(一般有4個大致均勻錯開的齒，其中一對互成180°的齒對應入口軸，另一對齒對應出口軸)，傳感器的靜止件是一個磁感探頭，當扭轉軸旋轉時，磁感探頭基于磁電感應原理輸出感應電動勢信號，該信號表征了扭矩-轉速復合信號，即信號的脈沖頻率反映轉速大小，相鄰脈沖信號的相對相位的改變反映扭矩大小及其方向。在發動機控制器實物回路仿真試驗系統中，需要根據發動機仿真模型的輸出,動態地模擬輸出軸扭矩-轉速的信號變化，即需要動態地模擬脈沖信號的頻率和相鄰脈沖信號相對相位的改變，從而構成控制系統的閉環仿真回路，實現扭矩和功率的匹配控制。模擬的扭矩-轉速復合信號的頻率精度和相位精度將直接決定仿真系統的有效性和置信度。

目前，工程上針對扭矩-轉速信號模擬問題，一般采用以下兩種方法：

① 縮比物理模擬，即使用扭矩縮比的扭矩-轉速傳感器，通過電機驅動其旋轉，并通過測功器等扭矩加載裝置產生扭矩；

② 基于微控制器的電子模擬，即使用2路頻率信號發生器，其中一路頻率信號以邊沿中斷和可編程的相位延遲觸發第二路頻率信號，兩路頻率信號通過一個加法器合成電路得到扭矩-轉速復合信號。

方法①可提供扭矩縮比的復合信號，信號特征與真實機載傳感器一致，但需要電機驅動裝置和扭矩加載裝置，因此過于復雜且成本高，違背了硬件在線仿真的便利性原則，而且電機的轉速控制和扭矩加載的精度及實時性也難以保證。

方法②采用電子的方式進行模擬，因需要2路頻率信號發生器和1個中斷接口而占用較多資源，且需要額外的合成電路，增大了信號模擬的復雜程度；由于采用邊沿中斷控制相位延遲大小，中斷延遲等因素會造成相位精度的誤差；因兩路頻率信號發生器的頻率更新不同步會導致更新點信號周期不完整，從而可能會導致控制器測量錯誤。

因此，本文設計了一種簡潔、精確的扭矩-轉速模擬器，其不需要額外的合成電路，節省了控制器的資源。通過對輸出信號的精確測量補償了因中斷延遲造成的周期和相位誤差，從而有效提高了信號模擬的精度。此外，該模擬器不存在兩路頻率信號發生器頻率更新不同步的問題，而且在定時中斷中對特征時間參數進行保護性更新，從而在保證扭矩-轉速復合信號模擬具有較好實時性的同時，避免了更新不當導致周期信號不完整的問題。該模擬器的成功研制為航空發動機數字控制系統的設計開發提供了一定幫助，具有較高的工程價值。

1 系統總體方案設計

航空發動機扭矩-轉速復合信號模擬器系統原理框圖如圖1所示。扭矩-轉速復合信號模擬器首先通過串口中斷接收模型計算機輸出的扭矩-轉速的特征時間參數，當接收到一個完整數據幀后，再通過串口發送通信成功應答消息，然后根據接收到的特征時間參數進行數據處理，得到目標方波信號的高低電平脈寬值，最后根據高低電平脈沖寬度，定時器中斷服務程序分別置相應的端口為高電平和低電平，從而模擬出所需扭矩-轉速復合信號并提供給電子控制器。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

扭矩-轉速模擬器硬件電路采用了核心板加底板架構，硬件結構框圖如圖2所示。由于該模擬器是航空發動機數控系統開發中的一個重要工具，因此必須選擇運算速度快速且可靠性高的處理器。模擬器選擇TI公司的TMS320F28335作為CPU，其具備強大數據處理能力和較高的運行速度，并且擁有多個高精度定時器和多路SCI接口，可滿足定時和通信要求。模擬器的DSP核心板即為TMS320F28335的最小系統，其外設都以插座的形式預留給底板。底板電路模塊具備兩路輸出通道，主要包括USB轉串口模塊及電平轉換模塊。

圖2 硬件結構框圖

3 系統軟件設計

本系統的軟件流程如圖3所示。在程序運行機制上，采用前后臺編程模式，讓后臺主流程運行在一個無限循環當中，中斷服務程序作為前臺程序運行，這樣的運行機制保證了重要中斷事件響應速度快，提高了軟件的實時性。

圖3 系統軟件流程圖

圖4 輸出扭矩-轉速復合信號圖

輸出扭矩-轉速復合信號圖如圖4所示。圖中上方表示無扭矩時扭矩-轉速復合信號模擬器輸出的方波信號，下方則表示相同轉速下扭矩偏轉角為θ時所輸出的方波信號。其中，T為功率輸出軸轉動半圈時的方波周期，其反映了轉速大小；ΔT則為相對于無扭矩時的相位偏差，其反映了扭矩大小及方向。在一個周期信號內包含高-低-高-低4個時間段的2個脈沖，脈沖的高電平周期為一個相對于T較小的固定值，低電平脈寬值分別為T1和T2。

3.1 數據通信及處理模塊設計

扭矩-轉速復合信號模擬器通過串口中斷接收模型計算機輸出的扭矩-轉速的特征時間參數T和ΔT，當接收到一個完整數據幀后，通過串口發送通信成功應答消息。為減少串口通信時CPU的開銷，DSP的SCI支持16級接收FIFO，但由于扭矩-轉速復合模擬器在接收模型計算機發送的數據時需要對數據進行驗證，因此為保證接收數據的實時檢測，僅使用一級FIFO，波特率為36 400。共7個字節，以0x55、0xAA開頭，接著是兩個字節的T和兩個字節的ΔT(低位在前，高位在后)，最后為和校驗。具體通信協議如下所示。

01234560x550xAATΔT校驗字

區別于一般的SCI接收算法，本模擬器的軟件首先定義了一個先進先出緩沖區結構體，SCI接收到的數據最初均存儲于其中，在定時器1的作用下，每20 ms主流程根據緩沖區內數據長度及特征字，判斷出具有完整數據幀的最新有效特征時間參數，提取該特征時間參數并清理緩沖區。這種方法保證了數據的完整性和更新的實時性。

在得到T和ΔT值后，還不能直接提供給定時器中斷服務程序，必須對數據進行處理以得到低電平的周期，計算公式如下：

T1=T-2+ΔT

T1=T-2-ΔT

高電平脈寬值取一個相對于T較小的固定值，此處為100 μs。

3.2 模擬信號發生模塊設計

明確了方波信號的高低電平周期值后，將其提供給定時器0的中斷服務程序，通過switch語句對GPIO進行交替置位，從而達到方波信號模擬的效果。此外，在定時器中斷內，利用兩個全局變量保護性更新同一個周期內的兩個低電平特征時間參數，防止在一個周期內低電平周期被篡改，從而保證了方波信號每個周期的完整性與正確性。

具體程序如下：

interrupt voidcpu_timer0_isr(void){

switch(state1){

case0:

CpuTimer0Regs.PRD.all = 15000-360;

//設置高電平脈寬，中斷補償

CpuTimer0Regs.TCR.bit.TRB = 1;

//開中斷

GPIO_High1; //GPIO口置高

state1=1; //狀態位置位

T1_box=T1; //數據保護

T2_box=T2;

break;

case1:

CpuTimer0Regs.PRD.all = T2_box-360;

//設置低電平脈寬，中斷補償

CpuTimer0Regs.TCR.bit.TRB = 1;

//開中斷

GPIO_Low1; //GPIO口置低

state1=2; //狀態位置位

break;

case2:

CpuTimer0Regs.PRD.all = 15000-360;

//設置低電平脈寬，中斷補償

CpuTimer0Regs.TCR.bit.TRB = 1;

//開中斷

GPIO_High1; //GPIO口置高

state1=3; //狀態位置位

break;

case3:

CpuTimer0Regs.PRD.all = T1_box-360;

//設置低電平脈寬，中斷補償

CpuTimer0Regs.TCR.bit.TRB = 1;

//開中斷

GPIO_Low1; //GPIO口置低

state1=0; //狀態位重置

break;

default:

break;

}

PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;

//關中斷

}

當扭矩-轉速復合信號模擬器輸出模擬方波波形后，利用精密示波器測量輸出信號高低電平脈寬值，并將其與目標值作比較，在定時器中斷程序中補償因中斷延遲造成的周期和相位的誤差。由于中斷延遲造成的周期和相位的誤差基本不變，因此只需補償一次。不同目標值時，補償前后的脈寬值如表1所列 。

Torque-speed Composite Signal Simulator Based on DSP

Liu Yuan,Zhang Tianhong,Tian Yanyun

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

Composite signal simulator of torque-speed used in aero engine controller based on DSP is introduced in this paper.The design decomposes the periodic signal of torque-speed composite signal into two pulses containing high-low-high-low four intervals,and it uses high-speed interrupt timer of DSP to precise control high and low switching time of each pulse.Through precise measurement of its output signals,periodic and phase error caused by interruption delay can also be compensated.The simulator receives characteristic parameters from model computer by serial interrupt,restores them into a defined FIFO structure and protectively updates the parameter of characteristic time in timer interruption.

DSP;torque-speed simulator;TMS320F28335;FIFO buffer

表1 補償前后脈寬值

南京航空航天大學研究生創新基地(實驗室)開放基金資助(kfjj201462)，中央高校基本科研業務費專項資金資助。

TP216.8

A