基于DSP和CAN总线的航空发动机智能位置控制器*

杨全廷，庞 景，王雷涛，张金朋，翟旭升，蔡开龙

（1.空军95927部队，河北 沧州 061736;2.空军93619部队，天津 301716;3.空军工程大学工程学院，陕西西安 710038）

0 引言

所谓智能执行机构，就是把原有执行机构进行微机化，在其中植入微处理器，并使其带有数据总线通信接口和电源总线接口。在航空发动机分布式控制系统中，智能装置需要完成集中式控制中中央处理器的低级功能，主要是信号采集、信号传输、信号处理，此外，还要执行自检、余度管理、故障诊断、故障隔离和故障容错等任务，而中央处理器仅仅完成高级功能，如控制计划、总线仲裁、与飞机接口等［1～3］。

在某航空推进系统中，进入中央控制器的执行机构控制信号和位置反馈信号有10多路［4］，其中执行机构主要有进气道斜板角度控制执行机构、主燃油流量控制执行机构/计量活门执行机构、αF角度控制执行机构、αC角度控制执行机构、喷口面积控制执行机构以及加力燃油量控制执行机构等。其中，αF角度调节是通过电磁活门控制作动筒伸出量大小，从而控制αF角度;αC角度调节和喷口面积调节也是通过液压机械装置控制作动筒伸出量大小实现的。由此可知，某航空推进系统的几何尺寸调节是通过控制作动筒伸出量大小实现的，为此，本文以作动筒为执行机构，设计了智能位置控制器。

1 智能执行机构的工作原理

航空发动机分布式控制系统中智能执行机构的结构原理如图1所示。中央处理器的指令通过CAN总线发送到智能执行机构的数字信号处理器（DSP），DSP输出数字控制信号，经驱动电路处理后送往执行机构，执行机构的控制输出经敏感单元和信号调理后反馈回DSP，以此构成对执行机构的局部闭环控制。这样，一方面可以消除执行机构控制输出的误差，达到精确控制，另一方面，还可以对执行机构进行故障诊断［5］。CAN总线与执行机构实现指令信号和数据信号的交换，电源总线给执行机构供电。

图1 智能执行机构结构原理图Fig 1 Structure principle diagram of intelligent actuator

本文的微处理器采用TMS320LF2407A DSP，该DSP集成了CAN总线控制器和CAN总线通信接口，可以方便地组建基于CAN总线的分布式网络系统。

2 智能位置控制器设计

2.1 智能位置控制器结构原理

智能位置控制器的执行机构是作动筒，其结构原理如图2所示。

由图2可知，智能位置控制器主要包括TMS320LF2407A DSP、电磁活门控制信号调理电路、电磁活门、液压伺服阀、作动筒、线性位移传感器（LVDT）、线位移信号测量电路、DSP与CAN总线接口电路以及电源电路等部分。智能位置控制器通过CAN总线接收来自于中央控制器的作动筒位置控制指令，由DSP内部的控制算法产生控制信号（占空比可调的脉冲信号），控制信号通过调节电磁活门阀芯位置来控制液压伺服阀左右腔油压，进而控制作动筒伸出量大小，作动筒伸出量大小又通过LVDT和反馈信号测量电路反馈回DSP，如此反复，实现对作动筒的闭环控制。

电磁活门的阀芯位置通过占空比可调的脉冲信号调节，当脉冲信号的占空比等于50%时，作动筒位置不变;当脉冲信号的占空比大于50%时，作动筒伸出量增加;当脉冲信号的占空比小于50%时，作动筒伸出量减小。

2.2 电磁活门控制信号调理电路

电磁活门控制信号调理电路如图3所示。TMS320LF2407A DSP的EVA模块PWM1通道输出占空比可调的PWM脉冲信号，经过驱动芯片AM26LS31放大后，调节电磁活门的阀芯位置，进而控制作动筒的伸缩量。

图3 电磁活门控制信号调理电路Fig 3 Control-signal modulation circuit of electromagnetic valve

2.3 LVDT与线位移信号测量电路

线位移信号调理电路主要处理LVDT的激励信号和位置反馈信号。LVDT是电磁感应式位移传感器，利用差动变压器原理进行工作［6，7］。当铁心处在变压器中间位置时，次级的两匝线圈产生大小相等的感应电动势，变压器输出的电动势为0;当铁心离开中间位置时，次级两匝线圈产生的感应电动势不等，变压器输出与铁心位移成比例的电动势。因此，通过检测变压器的输出电动势就可实现对LVDT的位移测量。针对WY—20T LVDT，其位置信号调理电路如图4所示。

图4 智能位置控制器位置信号调理电路Fig 4 Position-signal modulation circuit of intelligent position actuator

图4中，AD598［7］是ADI公司专为LVDT和RVDT设计的信号调节芯片。AD598内部有一个用来产生LVDT初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其输出放大器和接收LVDT次级输出的2个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输出放大器。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件就能确定LVDT激磁信号的频率和幅值。在芯片内部，AD598能够将LVDT次级输出的机械位置信号按比例转换成单极性或双极性输出的直流电压信号，然后将该电压信号送往DSP 2407A的ADC0端口，经过DSP 2407A的内部处理后，又将数字量送入2407A中CAN控制器，通过发送邮箱发送到CAN总线上，实现与中央处理器之间的数据交换。

2.4 控制算法

由于智能位置控制器的执行机构是作动筒，它需要的是控制信号的增量形式，因此，采用增量式PID算法控制作动筒运行;在数字PID控制系统中，由于积分环节的加入会产生较大的超调，这在实际的航空推进系统分布式控制中是绝对不允许的，故为了减少作动筒运行过程中积分环节对控制系统动态性能的影响，本文又引入了积分分离算法，在作动筒的大幅度位移运行过程中采用积分分离的PID控制算法，只加比例和微分作用，取消积分环节，以减小或避免超调量，缩短调节时间，而当实际位移与期望位移的误差较小时重新加入积分环节的作用，以消除系统的稳态误差;另外，在实际的控制系统中，系统要求作动筒运动到位后，控制作用不要频繁变动，只是在误差累积超出一定范围后才施加控制作用，所以，系统还要加上带死区的PID控制。鉴于以上原因，本文采用带死区的积分分离增量式PID控制算法［8］。

3 实验结果与结论

实验选取0～20 mm中11个典型的位移，由DSP发出位移指令数字信号，经过AM26LS31产生相应的电磁活门驱动信号（占空比可调的脉冲信号），通过调节电磁活门阀芯位置来控制液压伺服阀左右腔油压，进而控制作动筒伸出量大小，作动筒伸出量大小又通过LVDT和反馈信号测量电路反馈回DSP。实验结果见表1。

表1 DSP发送位移值和测量位移值Tab 1 Referential displacement value and measured value

从实验结果不难看出:该机构不仅控制响应速度很快，控制精度也很高，发送位移值和测量位移值相对误差不超过0.2%，总之，该智能执行机构完全满足航空发动机分布式控制系统的速度和精度要求。

4 结束语

针对航空发动机分布式控制研究的需要，本文提出了一种基于CAN总线和DSP的智能位置控制器的设计方案，并给出了具体的硬件电路和软件算法。DSP实现智能执行机构的程序控制和自诊断，CAN总线完成发动机中央处理器与DSP的数据交换。实验结果表明:本文提出的智能位置控制器不仅响应速度快，控制精度也很高，在航空发动机分布式控制系统中具有工程应用价值。

［1］黄金泉，徐 科.航空发动机分布式控制系统结构分析［J］，航空动力学报，2003，18（5）:698 －704.

［2］崔 勇，黄金泉.航空发动机双余度智能位置控制器设计［J］.推进技术，2005，26（6）:535 －539.

［3］徐 科，黄金泉.基于分布式控制的航空发动机智能温度传感器［J］.传感器技术，2004，23（1）:24 －27.

［4］张生良.某涡扇发动机综合电子调节器控制规律研究［D］.西安:空军工程大学，2003.

［5］沙占友.集成化智能传感器原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［6］Analog Device.LVDT Signal Conditioner AD598［Z］.Analog Device，1999.

［7］兰峰枫，张天宏.一种用于位移测量装置校准的LVDT模拟器［J］.传感器与微系统，2006，25（3）:68 －70.

［8］陶永华.新型PID控制及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2003.