基于PXI總線架構(gòu)的螺旋槳電子控制器便攜仿真設(shè)備研究

常博博，趙剛，時培燕

（中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所,陜西西安，710065）

基于PXI總線架構(gòu)的螺旋槳電子控制器便攜仿真設(shè)備研究

常博博，趙剛，時培燕

（中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所,陜西西安，710065）

針對螺旋槳電子控制器研制、調(diào)試、外場試驗、驗收等要求，設(shè)計基于PXI總線架構(gòu)的螺旋槳電子控制器便攜仿真設(shè)備。本文以某型螺旋槳數(shù)控系統(tǒng)為對象，從架構(gòu)設(shè)計、總體硬件接口設(shè)計、軟件設(shè)計、仿真驗證四個方面開展工作，結(jié)果表明所設(shè)計的便攜仿真設(shè)備仿真結(jié)果正確，滿足設(shè)計要求，具有工程應(yīng)用價值。

螺旋槳系統(tǒng)；電子控制器

1 研究背景

渦槳發(fā)動機螺旋槳系統(tǒng)的主要作用為將發(fā)動機輸出功率轉(zhuǎn)化為飛機所需的拉力及功率。為了保證螺旋槳系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行，需設(shè)計螺旋槳控制系統(tǒng)。在開展螺旋槳系統(tǒng)數(shù)字電子控制器的研制、調(diào)試、外場試驗、驗收等過程中，仿真驗證已成為必不可少的支撐手段，可有效地規(guī)避將控制器直接應(yīng)用于被控設(shè)備所帶來的高投入、高風險等因素。

2 便攜仿真設(shè)備架構(gòu)設(shè)計

基于PXI總線架構(gòu)的便攜仿真設(shè)備平臺主要組成包括一臺PXI總線機箱、一塊PXI總線控制器及多塊功能接口模塊構(gòu)成。PXI總線機箱主要安裝PXI控制器及各種接口控制模塊，主要實時完成接口測試、控制運算、通信等功能，多塊功能接口模塊主要完成螺旋槳電子控制器外圍接口特性的調(diào)理。

對于本螺旋槳電子控制器便攜仿真設(shè)備，除上述PXI架構(gòu)所必需的組成外，增加了信號調(diào)理箱，其主要目的為模擬電子控制器接口中的電磁閥等大功率負載。螺旋槳電子控制器便攜仿真設(shè)備主要架構(gòu)組成如圖1所示。

螺旋槳電子控制器便攜仿真設(shè)備主要組成包括硬件組成和軟件組成兩部分。硬件組成完成接口信號模擬、調(diào)理、運算，執(zhí)行機構(gòu)的模擬、負載系統(tǒng)的模擬等功能。軟件主要完成系統(tǒng)自動測試、手動測試、仿真驗證等工作。在總體架構(gòu)設(shè)計完成的基礎(chǔ)上首先建立螺旋槳電子控制器的硬件接口測試環(huán)境，并模擬控制器各類需求信號；其次在仿真平臺搭建完成的前提下，實現(xiàn)螺旋槳系統(tǒng)仿真功能的驗證。

圖1 螺旋槳電子控制器便攜式硬件在環(huán)仿真平臺結(jié)構(gòu)圖

3 便攜仿真設(shè)備硬件平臺組成

對于本文研究的螺旋槳仿真平臺，主要包括飛控端和螺旋槳端信號的模擬。硬件平臺主要包括信號PXI系統(tǒng)組成、信號模擬系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)模擬系統(tǒng)組成。

3.1 PXI控制器

PXI控制器采用PXI-3950，用于整個便攜仿真設(shè)備的綜合控制運算。

3.2 信號模擬系統(tǒng)

3.2.1 轉(zhuǎn)速信號模擬

轉(zhuǎn)速信號為頻率和幅值變化的高頻正弦信號，由螺旋槳模型實時計算并將轉(zhuǎn)速值輸出轉(zhuǎn)換為控制器可識別的正弦信號，轉(zhuǎn)速信號的頻率值大小隨轉(zhuǎn)速增大而增加。頻率信號通過DDS技術(shù)實現(xiàn)，采用FPGA加DA控制輸出。

3.2.2 扭矩信號模擬

扭矩信號也為頻率和幅值變化的高頻正弦信號，模型根據(jù)螺旋槳功率和轉(zhuǎn)速等參數(shù)計算對應(yīng)的扭矩值，并轉(zhuǎn)換為電子控制器可識別的正弦信號，轉(zhuǎn)速信號的頻率值大小隨轉(zhuǎn)速增大而增加，最終頻率信號通過DDS技術(shù)實現(xiàn)，采用FPGA加DA控制輸出。

3.2.3 槳葉角LVDT信號

螺旋槳槳葉角通過LVDT傳感器，工作方式為六線制。LVDT采用CPCI-75DL1模擬卡實現(xiàn)。

3.3 執(zhí)行機構(gòu)模擬

執(zhí)行機構(gòu)為槳距控制器伺服電磁閥，控制電流-40mA~40mA，通過模擬負載匹配電磁閥阻抗實現(xiàn)。同時通過PXI-6251實現(xiàn)負載電壓的采集運算。

4 便攜仿真設(shè)備軟件設(shè)計

4.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

仿真軟件采用NI公司的Labwinds/CVI平臺開發(fā)。仿真軟件包括測試軟件和仿真軟件兩部分組成。測試軟件完成控制器接口手動、自動測試，仿真軟件完成電子控制器硬件在回路仿真驗證功能。仿真軟件具備系統(tǒng)自檢、控制功能運算、任務(wù)調(diào)度、人機界面、數(shù)據(jù)保存和系統(tǒng)服務(wù)等功能。

4.2 軟件組成及功能要求

4.2.1 測試軟件

測試軟件應(yīng)能完成電子控制器所有接口信號的手動、自動測試，通過手動/自動輸入或輸出實現(xiàn)電子控制器的單路信號測試，主要用于控制器調(diào)試、驗收等工作。

4.2.2 仿真軟件

仿真軟件完成電子控制器硬件在回路仿真驗證功能。該軟件內(nèi)嵌螺旋槳實時數(shù)學(xué)模型及執(zhí)行機構(gòu)模型軟件，實現(xiàn)螺旋槳在不同工作狀態(tài)下的功能性能仿真驗證。該仿真軟件調(diào)用周期為20ms。

4.2.2.1 螺旋槳實時數(shù)學(xué)模型

螺旋槳實時數(shù)學(xué)模型是進行電子控制器硬件在回路仿真的核心組成部分，模型實時計算控控制器所需的信號大小，仿真設(shè)備將數(shù)值信號轉(zhuǎn)換為電子控制器所需的電信號，最后通過信號調(diào)理箱輸入給螺旋槳電子控制器。螺旋槳實時數(shù)學(xué)模型包括螺旋槳起動過程模型、穩(wěn)態(tài)運行非線性實時數(shù)學(xué)模型、停車過程模型。根據(jù)螺旋槳工作的條件，本文所建立的螺旋槳模型對外輸入?yún)?shù)為：高度（ALTP）、馬赫數(shù)（AM）、槳葉角（Beta）、需求功率（HpExt）、轉(zhuǎn)速（XNDP）等，實際輸出參數(shù)包括螺旋槳轉(zhuǎn)速(NP)、扭矩(TQ)等參數(shù)信息。

4.2.2.2 槳距執(zhí)行機構(gòu)模型

螺旋槳槳葉角變化主要通過槳距控制電液伺服閥。電子控制器根據(jù)輸入?yún)?shù)值，實時計算相應(yīng)的控制輸出指令，將電流信號輸出給電液伺服閥，電液伺服閥控制角度變化大小。本文通過槳距控制器工作特性，建立伺服閥電流與角度變化關(guān)系方程，即Δβ=f（PCU_I）。Δβ為槳葉角變化量，PCU_I為伺服閥電流。

5 仿真驗證

本文以某螺旋槳數(shù)字電子控制系統(tǒng)為研究對象，進行該型螺旋槳硬件在回路仿真的驗證。仿真功能主要包括慢車、起飛、爬升等狀態(tài)驗證，最終獲得螺旋槳全過程的仿真結(jié)果，其中典型階段仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 全狀態(tài)下轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖3 全狀態(tài)下槳葉角仿真結(jié)果

通過仿真驗證，表明硬件在回路仿真數(shù)據(jù)計算準確，能夠有效的進行螺旋槳系統(tǒng)和電子控制器軟硬件功能性能的綜合驗證。該系統(tǒng)的建立為開展螺旋槳全權(quán)限數(shù)字控制系統(tǒng)進一步的分析、設(shè)計、研制和驗證提供了很好的試驗平臺。

6 總結(jié)

本文針對國內(nèi)目前螺旋槳數(shù)字控制仿真系統(tǒng)的不足，利用已有的軟硬件資源，建立了基于PXI架構(gòu)的螺旋槳系統(tǒng)便攜仿真設(shè)備。將螺旋槳數(shù)學(xué)模型、信號模擬與處理、執(zhí)行機構(gòu)等部分獨立設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋槳系統(tǒng)的硬件在回路仿真，有利于螺旋槳數(shù)字電子控制器的研制開發(fā)，縮短開發(fā)周期，具有良好的工程實用性，可以為螺旋槳數(shù)字式電子控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真提供支持。

[1]李迎.基于PXI的實時仿真測試系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)研究[J].計算技術(shù)與自動化，2013年12月.

[2]王超,楊恒輝.便攜式APU數(shù)控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺研究[J].計算機測量與控制．2016.04.

Research on Portable Simulation Device of Propeller Electronic Controller Based on PXI Bus Architecture

Chang Bobo,Zhao Gang,Shi Peiyan
(AVIC Xi’an Aeronautics Computing Techinque Research Institute,Xi’an Shaanxi,710065)

Aiming at the requirements of the development and debugging of the propeller electronic controller,the portable simulation equipment based on the PXI bus architecture is designed In this paper,a kind of propeller coantrol system is designed ,which is based on the architecture design,the overall hardware interface design ,the software design and the simulation verification.The result show that thedesigned simulation results are correct,meet the designed requirments and have the engineering application value

propeller system;electronic controller