基于DSP和CAN的航空發動機分布式控制系統設計與實現

吳冬

（西安航空職業技術學院陜西西安710089）

航空發送機控制系統主要是在整個飛行包線中作用，并且也在發送機氣動、機械設計及熱力限制之內及發送機的所有功率范圍中，根據油門桿的指令及外界的干擾利用控制器對控制量進行改變，比如尾噴口的面積、供油量等，從而保證發送機的被控量和常數相同，或者根據預定功率的變化使發送機在工作過程中能夠可靠、安全且穩定，并且提高自身的性能。提高控制系統質量在促進發送機使用及發展過程中具有重要的作用。目前，航空發動機控制系統已經由純銅的機械液壓系統朝著數字化控制方式的方向轉變。在八十年代中，國外已經將全權限數字電子控制系統裝備在發動機中使用，國內相關方面的研究正在不斷地發展，也逐漸投入試飛驗證。發動機數字控制在充分發揮發動機性能千里、降低駕駛員負擔、提高飛機性能及控制系統可靠性的過程中都具有明顯的優勢。為了能夠進一步的提高航空發送機分布式控制系統的工作效率，本文就設計了基于DSP和CAN的航空發動機分布式控制系統。

1 分布式控制系統的結構及功能

現在大部分航空發動機控制系統都是使用集中的結構，詳見圖1。

圖1 傳統集中式控制系統的結構

其中數字電子控制（FADEC）和發動機現場執行機構及傳感器的輸出和輸入裝置相互連接，現場裝置不具有處理控制的作用，利用連線能夠和數字電子控制傳遞信號，通過數字電子控制實現全部處理控制的功能，包括高級和低級的功能，比如信息的收集和處理、信號輸出的控制、控制算法運算、參數的顯示、實現飛機接口、故障診斷、狀態監控及安全保護等[1]。

分布式控制系統將低級處理功能從數字電子控制中下放到現場執行結構及傳感器中，數字電子控制只是能夠完成高級的功能，在傳感器和執行機構中安裝微處理器，使其能夠智能化，并且利用數據總線和數字電子控制相互通訊，詳見圖2。

智能傳感器能夠將測量之后的信號轉變成為數字化的信號，并且將信號為數字電子控制提供。智能傳感器的主要目的就是能夠實現低級的功能，比如激發、冗余管理、解調和解碼、數據總線接口。使用智能傳感器替代數字電子控制，能夠降低電纜重量[2]。

圖2 現代化分布式控制系統的結構

智能執行機構能夠從數字電子控制中接受到位置的指令，實現執行結構的閉環控制。智能執行結構的主要目的也是實現低級的功能，比如冗余管理、閉環反饋、內測試、操作模式控制等。

數字電子控制的主要目的就是實現高級功能的執行，比如總線仲裁、控制計劃及發送命令等，其能夠利用冗余數據總線連接智能裝置，智能裝置工地那是利用冗余分布式電源實現[3]。

2 航空發動機的分布式控制系統的硬件設計

2.1 CAN總線

本文所設計的航空發送機分布式控制系統使用CAN總線能夠有效滿足航空發送機的可靠性，并且還能夠有效提高系統的實時響應、抗干擾能力、通訊速率，降低裝置重量，提高系統的擴展性。上位機利用在主板中安裝的CAN卡在CAN總線中安裝，CAN卡的操作就是對CAN控制器中寄存器的操作，對卡中段址進行撥動，能夠讀開關段址進行選擇，就能夠利用段址和偏址兩者相互融合的方式對寄存器進行訪問，通過查詢的方式實現數據的發送機接受。

其中的各個智能單元及CAN總線結構都是CAN模塊，其能夠和系統中使用的標準相互兼容，并且其中的郵箱都是相互獨立的，其中的接收屏蔽寄存器也是相互獨立的，通過郵箱能夠實現數據的發送及接收[4]。

2.2 智能傳感器及執行機構的設計

通過內置DSP芯片目標板能夠降低硬件的成本和開發的復雜度，也能夠便于原理性智能單元的創建。此目標板中具有F2541芯片，其能夠實現擴展，并且軟件也能夠在此平臺中運行，其中具有DSP擴展引腳，便于用戶外搭電路的創建。

2.2.1 智能溫度傳感器

對航空發動機渦輪溫度進行測量一般通過K型熱電偶實現，此種類型的熱電偶性能較為穩定，并且價格較低，電勢比較大，在0～1200℃測量溫度中，K型溫度傳感器輸出電壓信號為0～48.8 mV。因為DSP目標板中的A/D端口輸入信號的范圍為0～3 V，所以傳感器的信號無法對A/D端直接的傳輸，所有就要使用調節電路實現電壓的匹配[5]。圖3為智能溫度傳感器的結構圖。

圖3 智能溫度傳感器的結構圖

2.2.2 智能位置控制器

發動機尾噴口面積、燃油量及壓氣機的導葉片角度都要利用調節作動筒中的連接桿位置進行控制，目前控制系統中的調節作動筒的方式主要包括兩種，第一種為通過步進電機實現，第二種為利用點液伺服閥使液壓缸進行運動。本文通過Pnasonic交流伺服電機對作動筒的連桿位置進行控制。

航空發動機智能執行機構要能夠有效滿足閉環反饋控制、余度管理、自動校正、自動診斷、操作模式控制等多種功能。其交流伺服電機驅動器能夠實現模擬信號及PWM信號的輸入，并且獲得位置反饋信號，以此有效實現閉環控制[6]。圖4為智能化位置控制器的結構示意圖。

圖4 智能化位置控制器的結構示意圖

2.2.3 上位機

通過EEC能夠充分使用PC機中的豐富的軟件及硬件資源，為了能夠有效滿足航空發動機在20 ms控制周期中的需求，工控機就要具有硬件作為中斷源，要求此中斷源具有能夠調節定時周期的中斷信號。本文通過采集卡PCL實現，其具有外部觸發、中斷觸發及軟觸發3種方式，在中斷觸發方式的時候，A/D轉換結束之后將中斷信號對CPU發送，這個好時候CPU要實現此中斷信號的相應。將A/D轉換結束之后發出的中斷信號換成航空發動機控制周期信號，CPU就會對此中斷信號響應，之后進入到控制周期中[7]，圖5為上位機的設計流程。

圖5 上位機的設計流程

3 航空發電機分布式控制系統的軟件設計

3.1 分布式控制系統的底層CAN協議

分布式控制系統的底層CAN協議通過DSP的CAN模型硬件實現，這是分布式控制系統中的主要內容。系統高層協議軟件設計過程中主要包括時間同步、仲裁窗口容錯設計及事件發送等關鍵內容，圖6為分布式控制系統總線的同步原理，針對系統時間同步軟件的設計，可以使用16位T1定時器作為本地的定時器，并且每個幀的報文SOF信號在觸發的過程中要對T1定時器的值進行捕獲。充分使用DSP處理器的資源，使用定期器比較中斷方式實現報文的收發，處理器只處于適當時間才能夠對CAN模塊發送指令[8]。

圖6 分布式控制系統總線的同步原理

在某個節點進入到定時器的時候中斷服務程序的時候，就會對消息矩陣中的相應發送及接收報文操作進行執行，在完成操作之后根據某個時間標記對矩陣操作進行更新[9]，圖7為分布式控制系統總線中的時間同步方式。

圖7 時間同步方式

3.2 上位機軟件設計

圖8 為上位機主程序的流程圖，圖9為中斷服務程序的流程，通過圖8和圖9可以看出來，將軟件設計成為前后臺的系統，主程序能夠實現無限的循環，在循環過程中對函數的功能進行調用，這就是前臺的行為。程序處理實時事件的終端為從總線中取出智能傳感器的實時信號，對智能執行機構實現控制命令的發送，并且對故障進行處理[10]。

圖8 上位機主程序的流程圖

3.3 智能溫度傳感器和位置控制器

圖9 中斷服務程序的流程

智能溫度傳感器的主要功能為自檢、收集信號、非線性矯正、濾波、溫度補償、總線通訊及實時的故障檢測，其功能都是通過目標板軟件實現。如果系統發現異常，那么就要對總線發送故障信號；溫度信號的變化較為緩慢，所以不需要使用較為復雜濾波器實現，可以使用無線沖擊相應數字濾波器；熱電偶屬于較大慣性元件，具有較大的延遲，輸出信號較為緩慢，所以通過牛頓等距差值取點法對測量值進行預測[11-12]。

智能控制器的軟件流程為：在其接收到總線傳送的控制信號時候就進入到電機驅動器中，主程序為無限循環，在循環過程中要不斷的對接受到電機驅動器反饋信號進行故障診斷，從而找到故障對總線發出故障信號[13]。

4 系統測試

通過本文設計，創建基于DSP和CAN的航空發動機分布式控制系統的實驗平臺，詳見圖10。通過圖10可以看出來，控制系統中的智能傳感器及執行機構都在總線中，利用點對點通訊模式實現數據交換。根據傳感器和執行機構創建過度分布式系統總線消息矩陣，將系統最低需求作為基礎，并且還要考慮控制功能中需要實現的信號，之后對監控信號進行傳輸。假設能夠對計算時間進行合理的安排，實現總線數據的連續傳輸，從而提高系統可靠性[14-15]。

圖10 航空發動機分布式控制系統測試平臺

通過實驗結果表示，每個數據報文都能夠根據消息矩陣規定的時間窗進行接收和發送，并且數據的接收和發送正常，所有節點都能夠根據系統正常工作[16]。

5 結束語

本文創建了基于DSP和CAN的航空發動機分布式控制系統設計，并且實現了分布式系統軟件，結構化的設計軟件便于系統的擴展和升級，系統之間單位能夠相互協調，能夠有效滿足系統的分布式功能需求，實現了航空發動機分布式控制系統的可靠運行，為進一步的相關研究打下了相好的基礎。