发动机低压压气机导流叶片数字式电子控制器设计

2021-11-06张建航周章文吴培根黄祺盛

仪表技术与传感器 2021年10期

张建航，周章文，吴培根，黄祺盛

(空军工程大学，陕西西安 710038)

0 引言

20世纪后期，航空发动机控制系统由模拟电子式向数字电子式发展，逐渐成为国内外航空技术研究的热点之一。全权限数字电子控制[1-2](FADEC)与传统的模拟电子控制技术相比较，不仅控制精度高，能充分发挥发动机的性能潜力，提高发动机的推力水平[3]，而且具有状态实时监控和故障诊断功能，可以显著提高发动机的安全性能。因此，对于航空发动机模拟式电子调节器的数字化改进意义重大。

1 发动机低压压气机导流叶片调节通道的原理

某发动机低压压气机导流叶片采用机械液压-电子式调节系统，主要用于实现其主控制计划α1=f(n1cor),即根据低压转子换算转速n1cor调节低压压气机进口导流叶片角度α1，保证低压压气机满足一定的稳定裕度和发动机所需的空气流量[4]。根据导流叶片实际偏转角度和控制计划所产生的指令值之间的偏差值，输出占空比S8信号。

当实际值与指令值相等时，S8稳定在50%，否则需要调节S8信号来控制执行电磁活门的开关时间，使实际的α1按照图1所示的控制规律与n1cor相匹配。

2 数字电子控制器原理

数字式电子控制系统要求控制精度高，可实现性强。本文所采用的PID控制器[5-6]是应用广泛的一种常规控制器，目前传统的比较单一的PID控制己发展到自适应PID控制、智能PID控制、模糊PID控制、神经网络PID控制等。尽管各种分类不同，但它们的基本结构都立足于传统的PID控制结构。随着DSP[7-8](数字信号处理器)技术的广泛应用，PID控制已经可以通过DSP芯片方便地实现。

由于低压压气机导流叶片的调节主要由受压转子换算转速影响，与其他参数耦合性较低，故可以将控制系统模型进行合理简化，结构如图2所示。

将图2中间部分用PID控制器进行替换，即可得到带PID控制器的α1控制回路结构图，如图3所示。Gα1(s)函数是将α1的实际值与理论值之间的差值转化为电压值，使数字式调节计划与模拟电子式调节计划保持一致。经PID控制器输出的占空比信号S8通过高频调制带动电磁活门完成对α1的调节，实现发动机在n1cor为80%～96%时对α1的精确控制。

3 硬件设计

系统主要由数据输入模块、信号处理模块、数据输出模块及电源管理模块组成，如图4所示。输入数据可分为开关量、模拟量和频率量，针对不同的信号设计不同的调理电路进行采集和输出。信号处理模块以DSP芯片TMS320F2812为核心，利用DSP强大的运算能力进行数据的处理和控制。电源管理模块主要由线性稳压电路及DC/DC转换器组成，为系统提供所需要的不同电压。

3.1 信号处理模块

3.1.1 DSP芯片选型

系统选用DSP芯片TMS320F2812[9](简称F2812)作为系统处理器。F2812是由C2000DSP发展而来，具有强大的信号处理(DSP)功能；集成了大量的外设供控制使用，又具有微控制器(MCU)的功能；还兼有RISC处理器的代码密度和DSP的执行速度。其CPU最高主频可以达到150 MHz，即单周期指令执行时间为6.67 ns，为高速采集和处理信号提供了保障[10]。F2812开发过程与微控制器的开发过程比较相似(直观的指令集，字节包装和拆包及位操作)，加之其丰富的外设资源，用户可以高效地开发高性能数字控制系统。

3.1.2 信号处理模块功能设计

信号处理模块的功能框图如图5所示。F2812协调整个系统各模块的有序工作及承担信号处理任务。此外，F2812还通过3-8译码器对其外部地址总线高3位进行译码，以产生片选信号选通外部SRAM、ADC及DAC等。

F2812片上包含EVA和EVB事件管理器，每个事件管理器包含通用定时器(GP)、比较器、PWM单元、捕获单元(CAP)以及正交编码脉冲电路(QEP)[11-12]。

定时器单元可产生所需要的控制采样频率，将AD781的采保控制信号接至T1CMP引脚，通过GP Timer可控制AD781的采样保持。F2812为方便使用外部ADC专门设计了2个外部ADC转换启动引脚EVASOC/EVBSOC，分别对应于2个事件管理器，并由通用定时器控制。PWM单元可以产生控制电磁活门S8的信号。CAP单元可用于测量低压转子转速n1等频率量信号。

3.2 数据输入模块

3.2.1 模拟量的输入调理电路

考虑到所用传感器的输出信号幅值较小而共模电压较大，为减小采样误差，选用仪器放大器AD620，其放大倍数计算公式为G=49.4/RG+1，可通过改变RG阻值在1～1 000范围内选择放大倍数。数据采集模块模拟信号易受外界干扰，为改善信号输入特性，避免环境和前端产生的干扰信号，也可以选用隔离放大器ISO122等。

滤波器是对特定频率或频率范围具有选择性的网络系统，图中选用的是巴特沃斯滤波器，其在通带内没有波动，具有最大平坦幅频特性。为达到最佳滤波效果，系统采用的是由低通滤波器和高通滤波器构成的带通滤波器。

传感器输出的信号具有一定的固有频率，不同传感器的固有频率不同。为满足固有频率较高信号采集的要求，采样保持器(SHA)必须有较高的采样保持率。本文选用了高速采样保持器AD781，它能在700 ns时间内跟踪输入信号并达到满量程，其保持误差仅为0.01 μV/μs。F2812控制8路信号进行同步采样和保持，采保周期根据采样定理由软件设置。

A/D转换电路要求ADC转化速度快、转化精度高。文中选用的是16位高速A/D转换器AD7663，采样频率为250 kHz，转换误差范围为-3～3LSB，支持串行和并行接口。系统中选择量程范围为-5～5 V，输出方式为并行接口，输出电压为3.3 V。

3.2.2 频率量的输入调理电路

频率量的输入调理电路是根据频率量的幅值和频率范围，通过信号放大电路将传感器输出的电压信号放大到0～3 V或0～5 V，将有效频率范围以外的高频干扰采用阻容滤波网络滤除，再经过整形电路使频率信号调整为稳定的方波信号，通过对方波信号进行倍频来提高测量精度，降低测量时间。处理后的信号需要进行压频转换(V/F)或频压转换(F/V)。

典型的信号放大、滤波和整形电路如图7所示。电路由1片4运算放大器LM324、1个稳压管、1片斯密特触发器CD40106和若干电阻电容组成。

典型的信号倍频电路如图8所示。电路由1个CMOS锁相环器件CD4046和2个十进制同步加法计数器CD4518，CD4520组成，频率放大的倍数由CD4046后接的分频倍数决定。图8对频率信号进行了400倍倍频。

频率信号是一种串行数据，具有很高的噪声抑制比，因而采用频率信号输出占用总线数量少、易于远距离传输，且频率信号测量精度较高。但有时则需要将频率信号转换为电压信号，如执行机构所需控制信号为电压信号时，需要电压信号参与比较、指示等。因此系统中需要进行V/F或F/V转换。频压转换可通过芯片VFC32来实现，具体电路如图9所示。

3.2.3 开关量的输入调理电路

由于从其他通道来的信号为12 V，而DSP的额定工作电压为3.3 V，因此其他通道的离散信号输入DSP之前必须将其转化为符合DSP工作的电平信号。本系统中，DSP芯片输入高电平的最小值为3.0 V，输入低电平的最大值为0.7 V。其基本实现电路原理图如图10所示。

4 软件设计

软件总体开发基于模块化设计，可扩展性强，能够实现控制通道的初始化、信号的采集和处理、信号的输出等功能。软件按模块可分为初始化模块、频率测量模块、模拟信号输出模块、PWM生成模块、PID控制器等模块。总体设计框图如图11所示。

4.1 模拟信号采集模块

模拟信号采样转换模块主要完成ADC采样频率设置、ADC采样控制和数字滤波等功能[13]。程序首先根据采样定理设置合适的采样频率，发送采样命令控制高速采样保持器AD781开始工作，启动AD7663进行A/D转换，转换后的数据存储在缓存FIFO中。当采样数据大于设定值N时，停止采样并进行数字滤波。模拟量采样软件流程图如图12所示。

4.2 频率量测量模块

系统的频率测量是基于硬件的整形电路实现的，具有精度高，程序实现方法简单的特点。测频流程如下：首先将频率量调理电路生成的方波信号输入事件管理器的捕获单元(CAP)。通用定时器Timer1和Timer2的工作模式均设置为连续增计数模式，其时钟频率f0由高速内部时钟HSPCLK提供。Timer1配置为周期循环计数，为捕获事件提供基准时钟。当边沿事件触发时，捕获单元将Timer2当前的计数寄存器值存储在二级深度缓存FIFO中。当连续发生2次边沿触发事件，FIFO中将存储2个计数值X1、X2，经捕获中断服务程序调用，即可得到被测信号的周期和频率。根据信号频率和采样点数调整采样频率，提高采样精度。测频程序流程图如图13所示。

5 α1与n1cor关系曲线验证

给定适当的n1cor(给定温度T1和转速n1)，调节α1的值使对应的S8稳定在50%，记录此时的α1，即为该n1cor经过数字控制器输出的检测值。经大量实验验证，系统生成的检测曲线如图14所示，可以看出在一定的范围内，本文所设计的发动机低压压气机导流叶片数字式电子控制器的控制规律曲线与理论曲线具有较高的一致性。