發(fā)動機低壓壓氣機導(dǎo)流葉片數(shù)字式電子控制器設(shè)計

張建航，周章文，吳培根，黃祺盛

(空軍工程大學(xué)，陜西西安 710038)

0 引言

20世紀(jì)后期，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)由模擬電子式向數(shù)字電子式發(fā)展，逐漸成為國內(nèi)外航空技術(shù)研究的熱點之一。全權(quán)限數(shù)字電子控制[1-2](FADEC)與傳統(tǒng)的模擬電子控制技術(shù)相比較，不僅控制精度高，能充分發(fā)揮發(fā)動機的性能潛力，提高發(fā)動機的推力水平[3]，而且具有狀態(tài)實時監(jiān)控和故障診斷功能，可以顯著提高發(fā)動機的安全性能。因此，對于航空發(fā)動機模擬式電子調(diào)節(jié)器的數(shù)字化改進(jìn)意義重大。

1 發(fā)動機低壓壓氣機導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)通道的原理

某發(fā)動機低壓壓氣機導(dǎo)流葉片采用機械液壓-電子式調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要用于實現(xiàn)其主控制計劃α1=f(n1cor),即根據(jù)低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n1cor調(diào)節(jié)低壓壓氣機進(jìn)口導(dǎo)流葉片角度α1，保證低壓壓氣機滿足一定的穩(wěn)定裕度和發(fā)動機所需的空氣流量[4]。根據(jù)導(dǎo)流葉片實際偏轉(zhuǎn)角度和控制計劃所產(chǎn)生的指令值之間的偏差值，輸出占空比S8信號。

當(dāng)實際值與指令值相等時，S8穩(wěn)定在50%，否則需要調(diào)節(jié)S8信號來控制執(zhí)行電磁活門的開關(guān)時間，使實際的α1按照圖1所示的控制規(guī)律與n1cor相匹配。

2 數(shù)字電子控制器原理

數(shù)字式電子控制系統(tǒng)要求控制精度高，可實現(xiàn)性強。本文所采用的PID控制器[5-6]是應(yīng)用廣泛的一種常規(guī)控制器，目前傳統(tǒng)的比較單一的PID控制己發(fā)展到自適應(yīng)PID控制、智能PID控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制等。盡管各種分類不同，但它們的基本結(jié)構(gòu)都立足于傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)。隨著DSP[7-8](數(shù)字信號處理器)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID控制已經(jīng)可以通過DSP芯片方便地實現(xiàn)。

由于低壓壓氣機導(dǎo)流葉片的調(diào)節(jié)主要由受壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速影響，與其他參數(shù)耦合性較低，故可以將控制系統(tǒng)模型進(jìn)行合理簡化，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將圖2中間部分用PID控制器進(jìn)行替換，即可得到帶PID控制器的α1控制回路結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。Gα1(s)函數(shù)是將α1的實際值與理論值之間的差值轉(zhuǎn)化為電壓值，使數(shù)字式調(diào)節(jié)計劃與模擬電子式調(diào)節(jié)計劃保持一致。經(jīng)PID控制器輸出的占空比信號S8通過高頻調(diào)制帶動電磁活門完成對α1的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)動機在n1cor為80%～96%時對α1的精確控制。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸入模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊及電源管理模塊組成，如圖4所示。輸入數(shù)據(jù)可分為開關(guān)量、模擬量和頻率量，針對不同的信號設(shè)計不同的調(diào)理電路進(jìn)行采集和輸出。信號處理模塊以DSP芯片TMS320F2812為核心，利用DSP強大的運算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和控制。電源管理模塊主要由線性穩(wěn)壓電路及DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，為系統(tǒng)提供所需要的不同電壓。

3.1 信號處理模塊

3.1.1 DSP芯片選型

系統(tǒng)選用DSP芯片TMS320F2812[9](簡稱F2812)作為系統(tǒng)處理器。F2812是由C2000DSP發(fā)展而來，具有強大的信號處理(DSP)功能；集成了大量的外設(shè)供控制使用，又具有微控制器(MCU)的功能；還兼有RISC處理器的代碼密度和DSP的執(zhí)行速度。其CPU最高主頻可以達(dá)到150 MHz，即單周期指令執(zhí)行時間為6.67 ns，為高速采集和處理信號提供了保障[10]。F2812開發(fā)過程與微控制器的開發(fā)過程比較相似(直觀的指令集，字節(jié)包裝和拆包及位操作)，加之其豐富的外設(shè)資源，用戶可以高效地開發(fā)高性能數(shù)字控制系統(tǒng)。

3.1.2 信號處理模塊功能設(shè)計

信號處理模塊的功能框圖如圖5所示。F2812協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)各模塊的有序工作及承擔(dān)信號處理任務(wù)。此外，F(xiàn)2812還通過3-8譯碼器對其外部地址總線高3位進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生片選信號選通外部SRAM、ADC及DAC等。

F2812片上包含EVA和EVB事件管理器，每個事件管理器包含通用定時器(GP)、比較器、PWM單元、捕獲單元(CAP)以及正交編碼脈沖電路(QEP)[11-12]。

定時器單元可產(chǎn)生所需要的控制采樣頻率，將AD781的采保控制信號接至T1CMP引腳，通過GP Timer可控制AD781的采樣保持。F2812為方便使用外部ADC專門設(shè)計了2個外部ADC轉(zhuǎn)換啟動引腳EVASOC/EVBSOC，分別對應(yīng)于2個事件管理器，并由通用定時器控制。PWM單元可以產(chǎn)生控制電磁活門S8的信號。CAP單元可用于測量低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1等頻率量信號。

3.2 數(shù)據(jù)輸入模塊

3.2.1 模擬量的輸入調(diào)理電路

考慮到所用傳感器的輸出信號幅值較小而共模電壓較大，為減小采樣誤差，選用儀器放大器AD620，其放大倍數(shù)計算公式為G=49.4/RG+1，可通過改變RG阻值在1～1 000范圍內(nèi)選擇放大倍數(shù)。數(shù)據(jù)采集模塊模擬信號易受外界干擾，為改善信號輸入特性，避免環(huán)境和前端產(chǎn)生的干擾信號，也可以選用隔離放大器ISO122等。

濾波器是對特定頻率或頻率范圍具有選擇性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，圖中選用的是巴特沃斯濾波器，其在通帶內(nèi)沒有波動，具有最大平坦幅頻特性。為達(dá)到最佳濾波效果，系統(tǒng)采用的是由低通濾波器和高通濾波器構(gòu)成的帶通濾波器。

傳感器輸出的信號具有一定的固有頻率，不同傳感器的固有頻率不同。為滿足固有頻率較高信號采集的要求，采樣保持器(SHA)必須有較高的采樣保持率。本文選用了高速采樣保持器AD781，它能在700 ns時間內(nèi)跟蹤輸入信號并達(dá)到滿量程，其保持誤差僅為0.01 μV/μs。F2812控制8路信號進(jìn)行同步采樣和保持，采保周期根據(jù)采樣定理由軟件設(shè)置。

A/D轉(zhuǎn)換電路要求ADC轉(zhuǎn)化速度快、轉(zhuǎn)化精度高。文中選用的是16位高速A/D轉(zhuǎn)換器AD7663，采樣頻率為250 kHz，轉(zhuǎn)換誤差范圍為-3～3LSB，支持串行和并行接口。系統(tǒng)中選擇量程范圍為-5～5 V，輸出方式為并行接口，輸出電壓為3.3 V。

3.2.2 頻率量的輸入調(diào)理電路

頻率量的輸入調(diào)理電路是根據(jù)頻率量的幅值和頻率范圍，通過信號放大電路將傳感器輸出的電壓信號放大到0～3 V或0～5 V，將有效頻率范圍以外的高頻干擾采用阻容濾波網(wǎng)絡(luò)濾除，再經(jīng)過整形電路使頻率信號調(diào)整為穩(wěn)定的方波信號，通過對方波信號進(jìn)行倍頻來提高測量精度，降低測量時間。處理后的信號需要進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換(V/F)或頻壓轉(zhuǎn)換(F/V)。

典型的信號放大、濾波和整形電路如圖7所示。電路由1片4運算放大器LM324、1個穩(wěn)壓管、1片斯密特觸發(fā)器CD40106和若干電阻電容組成。

典型的信號倍頻電路如圖8所示。電路由1個CMOS鎖相環(huán)器件CD4046和2個十進(jìn)制同步加法計數(shù)器CD4518，CD4520組成，頻率放大的倍數(shù)由CD4046后接的分頻倍數(shù)決定。圖8對頻率信號進(jìn)行了400倍倍頻。

頻率信號是一種串行數(shù)據(jù)，具有很高的噪聲抑制比，因而采用頻率信號輸出占用總線數(shù)量少、易于遠(yuǎn)距離傳輸，且頻率信號測量精度較高。但有時則需要將頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如執(zhí)行機構(gòu)所需控制信號為電壓信號時，需要電壓信號參與比較、指示等。因此系統(tǒng)中需要進(jìn)行V/F或F/V轉(zhuǎn)換。頻壓轉(zhuǎn)換可通過芯片VFC32來實現(xiàn)，具體電路如圖9所示。

3.2.3 開關(guān)量的輸入調(diào)理電路

由于從其他通道來的信號為12 V，而DSP的額定工作電壓為3.3 V，因此其他通道的離散信號輸入DSP之前必須將其轉(zhuǎn)化為符合DSP工作的電平信號。本系統(tǒng)中，DSP芯片輸入高電平的最小值為3.0 V，輸入低電平的最大值為0.7 V。其基本實現(xiàn)電路原理圖如圖10所示。

4 軟件設(shè)計

軟件總體開發(fā)基于模塊化設(shè)計，可擴展性強，能夠?qū)崿F(xiàn)控制通道的初始化、信號的采集和處理、信號的輸出等功能。軟件按模塊可分為初始化模塊、頻率測量模塊、模擬信號輸出模塊、PWM生成模塊、PID控制器等模塊?？傮w設(shè)計框圖如圖11所示。

4.1 模擬信號采集模塊

模擬信號采樣轉(zhuǎn)換模塊主要完成ADC采樣頻率設(shè)置、ADC采樣控制和數(shù)字濾波等功能[13]。程序首先根據(jù)采樣定理設(shè)置合適的采樣頻率，發(fā)送采樣命令控制高速采樣保持器AD781開始工作，啟動AD7663進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲在緩存FIFO中。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)大于設(shè)定值N時，停止采樣并進(jìn)行數(shù)字濾波。模擬量采樣軟件流程圖如圖12所示。

4.2 頻率量測量模塊

系統(tǒng)的頻率測量是基于硬件的整形電路實現(xiàn)的，具有精度高，程序?qū)崿F(xiàn)方法簡單的特點。測頻流程如下：首先將頻率量調(diào)理電路生成的方波信號輸入事件管理器的捕獲單元(CAP)。通用定時器Timer1和Timer2的工作模式均設(shè)置為連續(xù)增計數(shù)模式，其時鐘頻率f0由高速內(nèi)部時鐘HSPCLK提供。Timer1配置為周期循環(huán)計數(shù)，為捕獲事件提供基準(zhǔn)時鐘。當(dāng)邊沿事件觸發(fā)時，捕獲單元將Timer2當(dāng)前的計數(shù)寄存器值存儲在二級深度緩存FIFO中。當(dāng)連續(xù)發(fā)生2次邊沿觸發(fā)事件，F(xiàn)IFO中將存儲2個計數(shù)值X1、X2，經(jīng)捕獲中斷服務(wù)程序調(diào)用，即可得到被測信號的周期和頻率。根據(jù)信號頻率和采樣點數(shù)調(diào)整采樣頻率，提高采樣精度。測頻程序流程圖如圖13所示。

5 α1與n1cor關(guān)系曲線驗證

給定適當(dāng)?shù)膎1cor(給定溫度T1和轉(zhuǎn)速n1)，調(diào)節(jié)α1的值使對應(yīng)的S8穩(wěn)定在50%，記錄此時的α1，即為該n1cor經(jīng)過數(shù)字控制器輸出的檢測值。經(jīng)大量實驗驗證，系統(tǒng)生成的檢測曲線如圖14所示，可以看出在一定的范圍內(nèi)，本文所設(shè)計的發(fā)動機低壓壓氣機導(dǎo)流葉片數(shù)字式電子控制器的控制規(guī)律曲線與理論曲線具有較高的一致性。

6 結(jié)束語

本文基于DSP技術(shù)和PID控制算法設(shè)計了一種發(fā)動機低壓壓氣機導(dǎo)流葉片數(shù)字化控制系統(tǒng)，通過試驗數(shù)據(jù)擬合曲線驗證了控制系統(tǒng)的有效性和可行性，對發(fā)動機模擬式電子調(diào)節(jié)器向全權(quán)限數(shù)字控制發(fā)展具有一定的參考意義。

圖14 所測α1與n1cor的關(guān)系及故障曲線