基于DSP和CAN的航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳冬

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710089）

航空發(fā)送機(jī)控制系統(tǒng)主要是在整個飛行包線中作用，并且也在發(fā)送機(jī)氣動、機(jī)械設(shè)計(jì)及熱力限制之內(nèi)及發(fā)送機(jī)的所有功率范圍中，根據(jù)油門桿的指令及外界的干擾利用控制器對控制量進(jìn)行改變，比如尾噴口的面積、供油量等，從而保證發(fā)送機(jī)的被控量和常數(shù)相同，或者根據(jù)預(yù)定功率的變化使發(fā)送機(jī)在工作過程中能夠可靠、安全且穩(wěn)定，并且提高自身的性能。提高控制系統(tǒng)質(zhì)量在促進(jìn)發(fā)送機(jī)使用及發(fā)展過程中具有重要的作用。目前，航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)由純銅的機(jī)械液壓系統(tǒng)朝著數(shù)字化控制方式的方向轉(zhuǎn)變。在八十年代中，國外已經(jīng)將全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)裝備在發(fā)動機(jī)中使用，國內(nèi)相關(guān)方面的研究正在不斷地發(fā)展，也逐漸投入試飛驗(yàn)證。發(fā)動機(jī)數(shù)字控制在充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)性能千里、降低駕駛員負(fù)擔(dān)、提高飛機(jī)性能及控制系統(tǒng)可靠性的過程中都具有明顯的優(yōu)勢。為了能夠進(jìn)一步的提高航空發(fā)送機(jī)分布式控制系統(tǒng)的工作效率，本文就設(shè)計(jì)了基于DSP和CAN的航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)。

1 分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

現(xiàn)在大部分航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)都是使用集中的結(jié)構(gòu)，詳見圖1。

圖1 傳統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

其中數(shù)字電子控制（FADEC）和發(fā)動機(jī)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器的輸出和輸入裝置相互連接，現(xiàn)場裝置不具有處理控制的作用，利用連線能夠和數(shù)字電子控制傳遞信號，通過數(shù)字電子控制實(shí)現(xiàn)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(yùn)算、參數(shù)的顯示、實(shí)現(xiàn)飛機(jī)接口、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控及安全保護(hù)等[1]。

分布式控制系統(tǒng)將低級處理功能從數(shù)字電子控制中下放到現(xiàn)場執(zhí)行結(jié)構(gòu)及傳感器中，數(shù)字電子控制只是能夠完成高級的功能，在傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中安裝微處理器，使其能夠智能化，并且利用數(shù)據(jù)總線和數(shù)字電子控制相互通訊，詳見圖2。

智能傳感器能夠?qū)y量之后的信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字化的信號，并且將信號為數(shù)字電子控制提供。智能傳感器的主要目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)低級的功能，比如激發(fā)、冗余管理、解調(diào)和解碼、數(shù)據(jù)總線接口。使用智能傳感器替代數(shù)字電子控制，能夠降低電纜重量[2]。

圖2 現(xiàn)代化分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠從數(shù)字電子控制中接受到位置的指令，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的閉環(huán)控制。智能執(zhí)行結(jié)構(gòu)的主要目的也是實(shí)現(xiàn)低級的功能，比如冗余管理、閉環(huán)反饋、內(nèi)測試、操作模式控制等。

數(shù)字電子控制的主要目的就是實(shí)現(xiàn)高級功能的執(zhí)行，比如總線仲裁、控制計(jì)劃及發(fā)送命令等，其能夠利用冗余數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)[3]。

2 航空發(fā)動機(jī)的分布式控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線

本文所設(shè)計(jì)的航空發(fā)送機(jī)分布式控制系統(tǒng)使用CAN總線能夠有效滿足航空發(fā)送機(jī)的可靠性，并且還能夠有效提高系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)、抗干擾能力、通訊速率，降低裝置重量，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。上位機(jī)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(jìn)行撥動，能夠讀開關(guān)段址進(jìn)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(jìn)行訪問，通過查詢的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送機(jī)接受。

其中的各個智能單元及CAN總線結(jié)構(gòu)都是CAN模塊，其能夠和系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)相互兼容，并且其中的郵箱都是相互獨(dú)立的，其中的接收屏蔽寄存器也是相互獨(dú)立的，通過郵箱能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收[4]。

2.2 智能傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通過內(nèi)置DSP芯片目標(biāo)板能夠降低硬件的成本和開發(fā)的復(fù)雜度，也能夠便于原理性智能單元的創(chuàng)建。此目標(biāo)板中具有F2541芯片，其能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)展，并且軟件也能夠在此平臺中運(yùn)行，其中具有DSP擴(kuò)展引腳，便于用戶外搭電路的創(chuàng)建。

2.2.1 智能溫度傳感器

對航空發(fā)動機(jī)渦輪溫度進(jìn)行測量一般通過K型熱電偶實(shí)現(xiàn)，此種類型的熱電偶性能較為穩(wěn)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?yàn)镈SP目標(biāo)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(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)電壓的匹配[5]。圖3為智能溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 智能溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 智能位置控制器

發(fā)動機(jī)尾噴口面積、燃油量及壓氣機(jī)的導(dǎo)葉片角度都要利用調(diào)節(jié)作動筒中的連接桿位置進(jìn)行控制，目前控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作動筒的方式主要包括兩種，第一種為通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，第二種為利用點(diǎn)液伺服閥使液壓缸進(jìn)行運(yùn)動。本文通過Pnasonic交流伺服電機(jī)對作動筒的連桿位置進(jìn)行控制。

航空發(fā)動機(jī)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能夠有效滿足閉環(huán)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(jī)驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[6]。圖4為智能化位置控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 智能化位置控制器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 上位機(jī)

通過EEC能夠充分使用PC機(jī)中的豐富的軟件及硬件資源，為了能夠有效滿足航空發(fā)動機(jī)在20 ms控制周期中的需求，工控機(jī)就要具有硬件作為中斷源，要求此中斷源具有能夠調(diào)節(jié)定時周期的中斷信號。本文通過采集卡PCL實(shí)現(xiàn)，其具有外部觸發(fā)、中斷觸發(fā)及軟觸發(fā)3種方式，在中斷觸發(fā)方式的時候，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束之后將中斷信號對CPU發(fā)送，這個好時候CPU要實(shí)現(xiàn)此中斷信號的相應(yīng)。將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束之后發(fā)出的中斷信號換成航空發(fā)動機(jī)控制周期信號，CPU就會對此中斷信號響應(yīng)，之后進(jìn)入到控制周期中[7]，圖5為上位機(jī)的設(shè)計(jì)流程。

圖5 上位機(jī)的設(shè)計(jì)流程

3 航空發(fā)電機(jī)分布式控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 分布式控制系統(tǒng)的底層CAN協(xié)議

分布式控制系統(tǒng)的底層CAN協(xié)議通過DSP的CAN模型硬件實(shí)現(xiàn)，這是分布式控制系統(tǒng)中的主要內(nèi)容。系統(tǒng)高層協(xié)議軟件設(shè)計(jì)過程中主要包括時間同步、仲裁窗口容錯設(shè)計(jì)及事件發(fā)送等關(guān)鍵內(nèi)容，圖6為分布式控制系統(tǒng)總線的同步原理，針對系統(tǒng)時間同步軟件的設(shè)計(jì)，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(fā)的過程中要對T1定時器的值進(jìn)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(shí)現(xiàn)報文的收發(fā)，處理器只處于適當(dāng)時間才能夠?qū)AN模塊發(fā)送指令[8]。

圖6 分布式控制系統(tǒng)總線的同步原理

在某個節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到定時器的時候中斷服務(wù)程序的時候，就會對消息矩陣中的相應(yīng)發(fā)送及接收報文操作進(jìn)行執(zhí)行，在完成操作之后根據(jù)某個時間標(biāo)記對矩陣操作進(jìn)行更新[9]，圖7為分布式控制系統(tǒng)總線中的時間同步方式。

圖7 時間同步方式

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖8 為上位機(jī)主程序的流程圖，圖9為中斷服務(wù)程序的流程，通過圖8和圖9可以看出來，將軟件設(shè)計(jì)成為前后臺的系統(tǒng)，主程序能夠?qū)崿F(xiàn)無限的循環(huán)，在循環(huán)過程中對函數(shù)的功能進(jìn)行調(diào)用，這就是前臺的行為。程序處理實(shí)時事件的終端為從總線中取出智能傳感器的實(shí)時信號，對智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送，并且對故障進(jìn)行處理[10]。

圖8 上位機(jī)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(wù)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(bǔ)償、總線通訊及實(shí)時的故障檢測，其功能都是通過目標(biāo)板軟件實(shí)現(xiàn)。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常，那么就要對總線發(fā)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(fù)雜濾波器實(shí)現(xiàn)，可以使用無線沖擊相應(yīng)數(shù)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(diǎn)法對測量值進(jìn)行預(yù)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(jìn)入到電機(jī)驅(qū)動器中，主程序?yàn)闊o限循環(huán)，在循環(huán)過程中要不斷的對接受到電機(jī)驅(qū)動器反饋信號進(jìn)行故障診斷，從而找到故障對總線發(fā)出故障信號[13]。

4 系統(tǒng)測試

通過本文設(shè)計(jì)，創(chuàng)建基于DSP和CAN的航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，詳見圖10。通過圖10可以看出來，控制系統(tǒng)中的智能傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都在總線中，利用點(diǎn)對點(diǎn)通訊模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。根據(jù)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)建過度分布式系統(tǒng)總線消息矩陣，將系統(tǒng)最低需求作為基礎(chǔ)，并且還要考慮控制功能中需要實(shí)現(xiàn)的信號，之后對監(jiān)控信號進(jìn)行傳輸。假設(shè)能夠?qū)τ?jì)算時間進(jìn)行合理的安排，實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，從而提高系統(tǒng)可靠性[14-15]。

圖10 航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)測試平臺

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，每個數(shù)據(jù)報文都能夠根據(jù)消息矩陣規(guī)定的時間窗進(jìn)行接收和發(fā)送，并且數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送正常，所有節(jié)點(diǎn)都能夠根據(jù)系統(tǒng)正常工作[16]。

5 結(jié)束語

本文創(chuàng)建了基于DSP和CAN的航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)軟件，結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)軟件便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級，系統(tǒng)之間單位能夠相互協(xié)調(diào)，能夠有效滿足系統(tǒng)的分布式功能需求，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，為進(jìn)一步的相關(guān)研究打下了相好的基礎(chǔ)。