基于DSP的機(jī)電作動器控制與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李成茂 石山 劉德鵬

摘 要：現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)在對機(jī)電作動器有效控制的同時需要對機(jī)電作動器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。采用DSP芯片TMS320F28335設(shè)計多機(jī)電作動器實時監(jiān)控系統(tǒng)。通過PWM控制方式實現(xiàn)對機(jī)電作動器的控制，DSP片上集成ADC模塊及其前端預(yù)處理電路對系統(tǒng)中電流、電壓信號的數(shù)據(jù)采集，CAN總線實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式控制和數(shù)據(jù)共享。上位機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。通過實驗驗證，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多個機(jī)電作動器的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：機(jī)電作動器 DSP 監(jiān)控

中圖分類號：U674 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0041-02

飛機(jī)作動系統(tǒng)逐步由傳統(tǒng)的液壓作動方式向電力作動方式轉(zhuǎn)變[1-2]。為了提高電力作動系統(tǒng)的可靠性，國內(nèi)外許多先進(jìn)飛機(jī)采用多舵面，多余度的控制方式[3-4]，這一趨勢導(dǎo)致機(jī)電作動器控制數(shù)量的增加。同時，現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)對安全性能要求的提高，對機(jī)電作動器可靠性的要求也不斷提高。對多個機(jī)電作動器的有效控制以及狀態(tài)的實時監(jiān)控顯得尤為重要。傳統(tǒng)的檢測方式包括定期檢測和巡回檢測等，難以滿足系統(tǒng)安全性的要求[5]，為了提高工作效率、運行可靠性，設(shè)計了一種既能滿足多個機(jī)電作動器的控制需求又能對其運行狀態(tài)在線監(jiān)控與分析的系統(tǒng)。

1 總體介紹

機(jī)電作動系統(tǒng)中的機(jī)電作動器通過CAN總線進(jìn)行通信，從而實現(xiàn)各個機(jī)電作動器的協(xié)調(diào)控制，由于每個機(jī)電作動器采用相似結(jié)構(gòu)，所以多機(jī)電作動系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是單個機(jī)電作動器的硬件設(shè)計。單個機(jī)電作動器的控制系統(tǒng)由控制器、光電隔離電路、驅(qū)動電路、電機(jī)、傳動裝置以及傳感器組成?？刂破鞑捎肨MS320F28335控制芯片。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

機(jī)電作動器是由控制器，驅(qū)動電路、電機(jī)以及傳動裝置構(gòu)成[6]，系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括電源電路，數(shù)據(jù)采集電路，以及通信電路，從而實現(xiàn)對多機(jī)電作動系統(tǒng)的控制以及對其狀態(tài)的監(jiān)控。

2.1 電源電路

在機(jī)電作動系統(tǒng)中，DSP的I/O口供電電壓為+3.3 V，內(nèi)核供電電壓為+1.9 V，外圍電路的供電電壓是+5 V，驅(qū)動電路中的IGBT管則需要+15 V的供電電壓，所以電源電路需要提供的直流電壓有+15 V，+5 V，+3.3 V，+1.9 V。將電網(wǎng)中的交流電通過整流、濾波、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成直流電，提供+15 V，+5 V電壓。采用TPS73HD301芯片，它是一個雙通道電壓輸出變換器，輸入電壓為+5 V，輸出電壓分別是+3.3 V和+1.9 V，滿足了系統(tǒng)要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

F28335上集成16通道的ADC模塊，實現(xiàn)對系統(tǒng)中電流電壓等信息的采集。系統(tǒng)外部時鐘配置為30 MHz，采樣帶寬是12.5 MSPS。傳感器采集的信號多為模擬信號，而且信號噪聲較大，一般不能被控制器直接使用，所以需要通過信號調(diào)理電路對這些傳感器信號進(jìn)行放大或者縮小，達(dá)到指定的范圍內(nèi)，然后送入到控制器A/D轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號調(diào)理電路一般由放大器以及相關(guān)的濾波電容和濾波電阻組成，系統(tǒng)采用集成運算放大器OP4177。

2.3 通信電路

TMS320F28335上有兩個加強(qiáng)型CAN總線模塊eCAN，不僅可以實現(xiàn)機(jī)電作動器之間的通信的，同時還可以實現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。CAN總線和工控機(jī)之間的通信需要加入CAN/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換接口卡。CAN總線控制器采用PHILIPS公司的SJA1000。CAN總線和CAN控制器之間通過接口電路相連，根據(jù)CAN總線通信協(xié)議進(jìn)行信號的傳送和接收。CAN總線接口芯片采用PHILIPS公司PCA82C50。

2.4 抗干擾設(shè)計

在硬件設(shè)計中常常需要考慮電磁干擾的問題，在該系統(tǒng)中采取的抗干擾措施主要包括：（1）在設(shè)計PCB板設(shè)計的時候，導(dǎo)線間、元器件之間的間隔稍大些，設(shè)計地線時數(shù)字信號地和模擬信號地分開；（2）采取隔離措施，采用隔離元器件將部分大功率器件進(jìn)行隔離。（3）提高電源的抗干擾性，如采用濾波芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)級控制

系統(tǒng)控制程序主要包括以下幾個部分：系統(tǒng)初始化程序、中斷子程序、EV模塊數(shù)據(jù)采集子程序、ADC模塊數(shù)據(jù)采集子程序、狀態(tài)數(shù)據(jù)分析子程序、數(shù)據(jù)傳輸子程序。

3.2 信號處理

系統(tǒng)采集的信號噪聲較大，需要對這些信號進(jìn)行預(yù)處理工作，主要通過FFT算法來實現(xiàn)主要包括以下幾個部分。

（1）為了消除采集信號中不規(guī)則的隨機(jī)干擾噪聲信號，采用平均消除法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定變換，從而消除高頻噪聲。如式（1）所示：

均方根值亦稱為有效值，是噪聲信號的能量的一種表達(dá)。

離散隨機(jī)信號的方差表達(dá)式為：

系統(tǒng)采用離散傅里葉變換，對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到幅值和相位譜。幅值可以用來描述信號大小隨頻率變化的分布情況，相位譜反應(yīng)信號各個頻率相位角的分布情況。

4 實驗驗證

該實驗是對無刷直流電機(jī)A相繞組電流進(jìn)行分析。選擇采樣數(shù)據(jù)其中5 000個點，去均值后得到系統(tǒng)狀態(tài)的時域數(shù)據(jù)，求其均值、均方根植、方差獲得時域特征值。經(jīng)過傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析，通過上位機(jī)顯示模塊進(jìn)行顯示。并將生成的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以觀測系統(tǒng)的變化及其發(fā)展趨勢，系統(tǒng)畫出了連續(xù)采樣40組電流數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，每組5 000個數(shù)據(jù)點數(shù)，均方根值趨勢圖如圖1所示。趨勢圖采用定時刷新模式，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

5 結(jié)語

采用DSP芯片TMS320F28335設(shè)計多機(jī)電作動器實時監(jiān)控系統(tǒng)。利用DSP豐富的外設(shè)接口實現(xiàn)對機(jī)電作動器的控制以及信號采集，通過CAN總線實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式控制和數(shù)據(jù)共享以及和上位機(jī)的連接。通過上位機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。滿足了系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障監(jiān)控的需求。

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