基于TTP/C總線的開放式電子控制器的設計及H IL仿真試驗研究

余之杰，張天宏，陳 建，劉冬冬

（1.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；2.中航工業動力控制系統研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

目前航空發動機數字式電子控制器（Digital Electronic Engine Controller，DEEC）一般采用集中式架構，其計算任務集中在某1個處理器上。這種架構導致軟件設計難度大、故障檢測及系統重構設計復雜、維護升級成本高、系統可重用性差等問題[1-3]。先進的DEEC應具備較好的開放結構特性，一般具備以下特點：（1）硬件子模塊具備高度的通用性；（2）運行在硬件子模塊上的軟件代碼可以在不同的硬件平臺上移植；（3）任意1個子模塊的修改或更換不影響其它模塊[2-6]。

TTP/C總線是1種先進的基于時間觸發協議（Timer Trigger Protocol，TTP）的數據總線，其中C是指該協議達到了SAE的C類標準[7]。TTP/C總線具有嚴格時間確定性、安全關鍵性和完全分布式的特點，比TTCAN、Flex Ray總線具有更完備的容錯機制，比ARINC659總線具有體積小、可用性高和價格低的優勢[8]。因此，TTP/C總線更適合構建開放式DEEC，并已在航空航天領域得到應用[8]。

本文基于自主開發的TTP/C總線控制器[9]，設計了1種以FPGA+DSP為核心的智能節點，并構建了1個包含3個智能節點的開放式架構的DEEC。3個智能節點協同實現開放式控制發動機油針位置和轉速。最后通過接口模擬器進行HIL仿真驗證。

1 基于TTP/C總線的開放式DEEC設計

1.1 開放式DEEC架構

基于TTP/C總線的開放式DEEC的一般架構如圖1所示。控制器由多個智能節點通過TTP/C總線互連，每個智能節點包含TTP/C總線控制器和主機控制器。TTP/C總線控制器（以下簡稱TTP/C控制器）功能由FPGA實現，主機控制器功能由DSP實現[9]。

圖1 基于TTP/C總線的開放式DEEC的一般架構

1.2 智能節點設計

轉速控制回路是發動機最典型的控制回路，也是最基本、最重要的控制回路，其控制性能的優劣將直接影響發動機的性能和安全[10]。本文搭建的開放式DEEC包括3個智能節點，分別實現轉速信號采集、油針位置信號采集和閉環控制、轉速閉環控制功能。

智能節點設計的共同之處是TTP/C控制器、主機控制器與TTP/C控制器接口部分。智能節點控制器內部結構如圖2所示。基于FPGA的TTP/C控制器包括Nios II軟核處理器、冗余收發器和接口電路等。TTP/C控制器和主機控制器之間的數據交換通過通信網絡接口（Communication Net Interface，CNI）實現。CNI實質上是為主機與TTP/C控制器提供了一致性的虛擬共享內存，允許這2個控制器隨機訪問這個存儲空間。CNI內部包含3個數據區域：控制域、狀態域和消息域。

圖2 智能節點控制器內部結構

TTP/C控制器的異常狀態中斷信號也通過CNI傳遞給主機。每次中斷信號判斷有效后，主機從中斷服務程序中讀取TTP/C控制器狀態域中的中斷向量列表，并通過相應的協議判斷異常事件的類型，例如：控制器錯誤、啟動同步完成、同步異常、C狀態有效等。如果2個控制器同時訪問狀態域和數據域，讀取狀態可能不確定，為此必須建立主機和控制器讀取數據的互斥機制，防止其同時訪問。CNI接口互斥訪問示意圖如圖3所示。

圖3 CNI接口互斥訪問

CNI的實現方式多樣，但是在安全關鍵領域必須阻止TTP/C控制器和主機之間的故障傳遞。為此本文的TTP/C控制器在FPGA內部構建了1個雙口RAM作為公共數據區。主機DSP設置1個外部數據擴展區（XINTF），能夠對雙口RAM區的數據進行讀寫操作。DSP根據TTP/C控制器發送的中斷請求實現對雙口RAM讀寫操作[11]。

智能節點設計針對各智能節點實現的不同功能，設計相應的擴展接口電路。簡要描述3個智能節點的設計。

（1）節點1為轉速信號采集智能節點，用于采集轉速信號。轉速信號是周期性脈沖信號，本節點采用DSP的ECAP采集模塊，自動捕獲轉速信號周期，并采用中斷方式實現連續周期采集和濾波處理，以保證轉速測量的可靠性。

（2）節點2為油針位置信號采集和控制智能節點，用于采集油針位置和閉環控制。油針位置LVDT信號經過調理后是電壓信號，通過DSP的AD模塊采集位置信號。油針是通過驅動電流控制的，電流由DA芯片MAX532輸出的電壓信號經電路驅動電路提供。DSP通過SPI同步通訊模塊控制MAX532。

（3）節點3為轉速控制智能節點，是主控制節點，實現轉速閉環控制及與監控計算機通信。通過DSP的SCI異步通信模塊實現與監控計算機的串口通信。串口發送周期為20 ms，與轉速控制步長一致，而串口接收采用中斷方式，以防止數據覆蓋出錯。

在節點2和節點3中均采用PID閉環控制算法，因為PID算法簡單且魯棒性好，在實際工程中得到了廣泛應用。

2 HIL仿真試驗

2.1 構建HIL仿真試驗平臺

本文搭建了如圖4所示的開放式DEEC HIL仿真試驗平臺。節點3通過串行通信接口與監控計算連接，實現對開放式DEEC工作狀態的監控。節點1的轉速傳感器信號接口、節點2的位置傳感器及伺服閥接口與FADEC系統接口模擬器NFSIE-II連接[12]。

圖4 開放式DEEC的HIL仿真試驗平臺結構

FADEC系統接口模擬器NFSIE-II是南京航空航天大學針對某電子控制器原型樣機研制的仿真試驗設備，具有FADEC系統傳感器、執行機構及部分飛機系統的電氣信號接口模擬能力，同時具備強大的故障注入能力[13]。

2.2 HIL仿真試驗原理

試驗原理如圖5所示。由于轉速閉環試驗包含油針位置小閉環試驗，所以先進行油針位置閉環控制HIL試驗，整定油針位置控制PID參數，使油針位置能夠迅速響應階躍位置指令。油針位置閉環控制步長取5ms，以便能快速響應油針位置指令[14]。在油針位置閉環試驗響應速度達到要求的基礎上，再進行轉速閉環控制HIL試驗，轉速閉環控制步長取20ms。

圖5 開放式電子控制器HIL仿真試驗原理

開放式DEEC的HIL仿真試驗流程如下：

（1）由監控計算機通過串口發送轉速控制指令給節點3；

（2） 節點1將采集到的實際轉速信息廣播到TTP/C總線上；

（3）節點3的轉速控制器根據轉速控制指令和實際轉速信息產生油針位置控制指令，并將其廣播到TTP/C總線上；

（4）節點2從總線上獲取油針位置控制指令，進行油針位置小閉環控制，并將油針實際位置等信息廣播到TTP/C總線上；

（5）節點3將各節點的信息通過串口發送到監控計算機用于試驗監控。

2.3 HIL仿真試驗信號標定

在接口模擬器中，需要將模型內嵌到cRIO中，通過LabVIEW建立了油針位置模型和簡易的發動機模型[14-16]。試驗前需要進行信號標定，將模型輸入/輸出的工程量、接口模擬器電信號量和DSP采集/輸出的工程量一一對應。

（1）轉速信號標定。轉速信號與接口模擬器產生的頻率信號成正比，通過2組數據可以得到其對應關系。將接口模擬器發動機模型的轉速分別設定為0和120000 r/min（默認為滿轉速），DSP通過ECAP模塊采集這2個頻率量，分別對應實際百分比轉速的0和100%，得到

式中：N 為實際百分比轉速，范圍0～100%；f 為DSP采集到信號的頻率量，Hz。

（2）油針位置LVDT信號標定。油針位置信號與接口模擬器產生的電壓信號成正比，通過2組數據可以得到其對應關系。將接口模擬器中油針模型的油針位置分別設定為0和100%，DSP通過AD模塊分別采集其輸出電信號量，采集到的2個量分別對應實際油針位置的0和100%，最終得到

式中：Gt為實際油針位置，范圍0～100%；VAD為DSP采集的接口模擬器輸出電壓信號的數字量，12位AD的范圍為0～4095。

（3）電流信號標定。伺服閥驅動模塊所需的輸出電流范圍在-40～+40mA之間。控制器通過SPI控制MAX532產生電壓并經過驅動電路產生驅動電流。MAX532為12位DA轉換，控制指令為0～4095。通過接口模擬器界面觀察電流信號和控制指令，確定12位數字量與電流信號的關系。

式中：D 為數字控制量，范圍0～4095；I 為電流，mA。

2.4 HIL仿真結果及分析

3個智能節點控制信號與總線上的廣播信號如圖5所示。圖中上面3條曲線分別是3個節點的廣播控制信號，只有在其為高電平時，才允許該節點在總線上廣播數據，最下面的曲線是總線上的數據信號。從圖中可見，各節點的發送時段都限定在預設的時間槽內，TTP/C總線工作正常。

圖5 節點控制信號與總線上的廣播信號

油針模型簡化后是1個積分環節，所以在PID算法中，只要加入比例環節，就能實現快速無靜差控制[17]。通過整定P參數，優化控制效果，最終得到的油針位置閉環控制響應曲線如圖6所示。其調節時間小于0.5 s，無靜差、無超調。

圖6 油針位置閉環控制響應曲線

階躍位置給定時，期望油針位置與實際油針位置之間的差值較大，計算出的控制量也較大，圖中電流為控制量，初始時電流較大，甚至達到飽和值。隨著期望油針位置與實際油針位置接近，控制量減小，當差值為零時，控制電流為0mA。當給1個反向的階躍位置參考量時，控制電流為負值。

優化PID控制效果后轉速閉環控制響應曲線如圖7所示。從圖中可見，系統調節時間小于1 s，無靜差、無超調。

圖7 轉速閉環控制響應曲線

當給定轉速突然變大時，通過PID計算出來的期望油針位置也突然變大，實際油針位置開始變大，供油量增加，轉速增大，期望油針位置下降。最終實際油針位置等于期望油針位置，這時實際轉速也等于給定轉速。

3 結論

（1）基于TTP/C總線的開放式電子控制器各智能節點能夠可靠協同工作，實現對發動機實時、可靠地控制。

（2）這種開放式架構能夠快速實現功能的擴充或改進，而對其他節點沒有影響，極大地簡化了系統的維護、升級過程。

總之，開放式電子控制器具有計算性能高、可擴展性好、可維修性強、全壽命周期成本低、開發和驗證難度小、開發效率及可靠性高的優勢，是新一代FADEC系統的發展方向。

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