航空發(fā)動機分布式智能導葉控制裝置設(shè)計

杜 礫，王 瑩，楊曉強，薛國杰，閆賽超

航空發(fā)動機分布式智能導葉控制裝置設(shè)計

杜 礫1，王 瑩2，楊曉強2，薛國杰2，閆賽超2

（1.西安航空學院電子工程學院；2.中國航發(fā)西安航空動力控制有限公司西安710077）

針對某型發(fā)動機電子控制器，對航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)進行了初步研究。設(shè)計了1種基于分布式控制，用A D 598、TM S320F281 2 D SP和CA N總線構(gòu)成的航空發(fā)動機智能導葉控制裝置。闡述了智能導葉控制裝置的殼體設(shè)計方法，以及TM S320F281 2最小系統(tǒng)、基于A D 598的LV D T（線性可變差動變壓器）信號調(diào)理電路、電液伺服閥電流驅(qū)動電路（電流輸出電路）、CA N總線接口電路和D/A轉(zhuǎn)換模塊等電路的設(shè)計方法，簡述了軟件系統(tǒng)設(shè)計。通過完成半物理試驗，基本滿足了對風扇進口可調(diào)葉片角度α1、高壓壓氣機進口可調(diào)靜子葉片角度α2的控制要求。結(jié)果表明：該裝置具備體積小、智能化程度高、控制效果好等特點。

分布式控制；導葉控制；TM S320F281 2；CA N總線；航空發(fā)動機

0 引言

在近幾十年的時間里，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)由簡單的機械液壓燃油控制系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)今應用的全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)（FADEC）。由于采用集中式控制，隨著控制變量、控制功能的增加，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)在研制周期、研制成本、軟件可靠性、系統(tǒng)可維護性、系統(tǒng)可擴展性、控制器質(zhì)量與尺寸等方面暴露出的問題日益嚴重。分布式控制系統(tǒng)理論（Distributed Control System）的應用是解決這些問題的重要途徑之一，其主要創(chuàng)新點在于：在傳統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)中集成微處理器并使之成為智能傳感器節(jié)點和智能執(zhí)行機構(gòu)節(jié)點，提高傳感器系統(tǒng)的精度并獲得更多關(guān)于整個發(fā)動機的信息，通過數(shù)據(jù)總線與中央控制器進行通訊，而中央控制器（或稱主節(jié)點控制器）僅完成高級控制邏輯、算法和發(fā)送命令等功能，減輕其負擔。由主節(jié)點控制器、智能傳感器節(jié)點和智能執(zhí)行機構(gòu)節(jié)點組成的“局域網(wǎng)”是航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)的核心部分[1-5]。

分布式控制系統(tǒng)理論的引入對航空發(fā)動機控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)許多關(guān)鍵技術(shù)（包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總線技術(shù)、智能元件、分布式電源總線技術(shù)、尤其是高溫電子元器件技術(shù)）提出了更高要求。近年來，國內(nèi)外學者針對這些關(guān)鍵技術(shù)均有不同研究。宋軍強等[1]分析了航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，對前述幾項關(guān)鍵技術(shù)進行了技術(shù)成熟度（TRL）評估；考慮到航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)中存在的丟包問題，宋軍強等[6]基于帶輸入積分的狀態(tài)反饋控制器提出了某渦扇發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)丟包增益重構(gòu)補償策略，保證了存在數(shù)據(jù)丟包的發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性；關(guān)越等[7]提出了將時間觸發(fā)TTCAN(Time-Triggered)總線應用于航空發(fā)動機分布式控制通訊總線的構(gòu)想；針對航空發(fā)動機非線性分布式控制系統(tǒng)的故障診斷問題，翟旭升等[8]提出了基于Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型的非線性建模方法，建立了具有網(wǎng)絡(luò)誘導時延的非線性分布式控制系統(tǒng)模型，并為其建立了具有時延補償功能的故障觀測器；高毅軍等[9]提出了基于分布式控制的電動燃油泵方案，主要論述了燃調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)；張世英等[10]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應用于1種適用于航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)的智能壓力傳感器設(shè)計；李光耀等[11]針對航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)設(shè)計了原理樣機，并對關(guān)鍵技術(shù)中的CAN總線數(shù)據(jù)傳輸、控制系統(tǒng)的同步等問題進行了詳細分析[12]。

本文設(shè)計了1種基于CAN（Control Area Network）總線和TMS320F2812[13-16]的分布式智能導葉控制裝置。該導葉控制器具有體積小、智能化程度高、控制效果好等特點，并通過了調(diào)試試驗和車間半物理試驗驗證。

1 智能導葉控制裝置構(gòu)成

航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)原理如圖1所示。其中的導葉控制是航空發(fā)動機控制中1個非常重要的控制環(huán)節(jié)。風扇進口可調(diào)葉片角度α1、高壓壓氣機進口可調(diào)靜子葉片角度α2均需要通過調(diào)節(jié)作動筒的位置來控制。智能導葉控制裝置是數(shù)控系統(tǒng)導葉控制的智能執(zhí)行機構(gòu)，發(fā)動機電子控制器根據(jù)工作狀態(tài)通過數(shù)據(jù)總線發(fā)出導葉控制信號給智能導葉控制裝置電子單元，電子單元經(jīng)數(shù)據(jù)采集、處理后發(fā)出電流信號給電液伺服閥，控制電液伺服閥內(nèi)部的閥芯位置，閥芯位置控制油液的流量大小，流量大小控制作動筒的動作速度[17]，完成電液伺服閥的液壓控制，與作動筒相連的線位移傳感器反饋信號至電子單元，進行數(shù)據(jù)處理后得出偏差信號并進行電液伺服閥的輸入電流補償，實現(xiàn)閉環(huán)反饋。智能導葉控制裝置通過數(shù)據(jù)總線與主節(jié)點控制器進行通信，如圖2所示。

圖1 航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)原理

圖2 智能導葉控制裝置原理

1.1 殼體設(shè)計

在殼體設(shè)計中，零件尺寸相對簡單，無特殊加工尺寸及要求，在保證附件性能和強度的前提下盡量減小其體積和質(zhì)量；按鍛件設(shè)計，便于殼體的外形加工，內(nèi)部油路也均設(shè)計成直油路，并盡量縮短油路長度以易于加工，縮短加工周期。裝置外觀及殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能導葉控制裝置外觀和殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 智能導葉控制裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成

智能導葉控制裝置的硬件系統(tǒng)（圖2）主要由TMS320F2812 最小系統(tǒng)[18]、基于 AD598 的 LVDT（線性可變差動變壓器）信號調(diào)理電路、電液伺服閥電流驅(qū)動電路（電流輸出電路）、CAN總線接口電路、D/A轉(zhuǎn)換模塊等模塊構(gòu)成。微處理器芯片選用TI公司的TMS320F2812 DSP；電源總線選取中科天地公司的DC/DC變換器及濾波器，采用具有厚膜技術(shù)的集成電源轉(zhuǎn)換模塊，具有電壓穩(wěn)定、紋波系數(shù)小的特點；數(shù)據(jù)總線選用CAN總線，F(xiàn)2812 DSP與CAN總線的物理接口采用SN65HVD231D驅(qū)動芯片；SN65HVD231D使用阻抗為120 Ω雙絞線為通信介質(zhì)，信號采用差動發(fā)送和差動接收。

選用AD598芯片構(gòu)成LVDT信號調(diào)理電路，自帶正弦波激勵信號（20～20000 Hz），通過內(nèi)部激勵修正可以很精確地將LVDT的正弦波反饋電壓處理為直流電壓。該電路的功能是將LVDT的位移量轉(zhuǎn)換為0～3 V的信號，輸入DSP芯片A/D口進行處理。AD598處理電路參數(shù)包括激勵源幅值、激勵源頻率、輸入輸出帶寬、輸出增益和輸出偏置，均可由外圍電阻值和電容值確定，可從手冊上查出傳感器的特性參數(shù) VA+VB（感應電壓）、VPRI（傳輸比）、S（靈敏度），然后通過AD598芯片手冊提供的計算公式及圖表進行選取和計算。LVDT信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 LVDT信號調(diào)理電路

根據(jù)LVDT傳感器的副線圈電壓幅值之和為固定值的特點，設(shè)計監(jiān)控電路（加法器）對線圈狀態(tài)進行監(jiān)控。設(shè)計由運算放大器外加電容電阻構(gòu)成加法器電路對線圈狀態(tài)進行監(jiān)控。若線圈斷開連接，VA+VB的值發(fā)生異常，通過處理送入DSP芯片A/D口的數(shù)據(jù)來判斷整個測量回路是否正常工作。在如圖4所示的電路中，經(jīng)試驗得知VA1與VB1為正弦波，經(jīng)二極管D2、D3整流后送入由OP07組成的反相運算求和電路中求和，相當于將這2路經(jīng)過整流后的信號進行波形疊加，然后送入DSP芯片A/D口采集，由軟件算法進行判斷。

電流輸出電路主要用于給電液伺服閥提供激勵電流。由于DSP2812芯片本身無D/A轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計中采用直接外接D/A芯片進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度快、精度高且輸出電壓穩(wěn)定。經(jīng)D/A輸轉(zhuǎn)換后的輸出電壓與基準電壓輸入調(diào)偏電路，通過電壓電流轉(zhuǎn)換電路即可實現(xiàn)電流的正負輸出。選用DAC7725數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片時，將DSP2812數(shù)據(jù)線和地址線與之相連。必須指出的是，DSP2812端口電壓為3.3 V，而DAC7725端口電壓為5 V，因此需要使用3.3 V轉(zhuǎn)5 V芯片進行電平匹配，否則會引起電流倒灌燒壞DSP芯片。同時由DSP2812引出1路PWM信號對DAC7725進行選通控制。電流輸出電路原理如圖5所示。

圖5 電流輸出電路原理

電液伺服閥驅(qū)動電路如圖6所示。要求在Val端加0～5 V的電壓，在Val+、Val-端（接電液伺服閥）輸出響應的電流信號。因此由DSP芯片輸出0～5 V電壓，經(jīng)運算放大器和功率運算放大器組成的調(diào)偏電路后，由功率放大器輸出0～40 mA電流，控制電液伺服閥。另外，ADdrive1信號為輸出至DSP芯片的監(jiān)控線圈信號，若線圈正常，輸出0～3 V；若線圈斷開，則無輸出。

圖6 電液伺服閥驅(qū)動電路

1.3 智能導葉控制裝置軟件設(shè)計

本系統(tǒng)為1個實時快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)對軟件在信號采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理上均要求快速、實時，同時具有較高的抗干擾能力。

控制軟件應具有以下功能：

（1）采集模擬量、數(shù)字量輸入信號，并進行濾波防抖等處理；

（2）根據(jù)需要進行控制計算和邏輯判斷；

（3）輸出控制信號；

（4）具有自檢功能；

（5）故障診斷及處理功能；

（6）數(shù)據(jù)總線傳輸功能；

（7）軟件采用模塊化設(shè)計，如圖7所示。

圖7 控制軟件結(jié)構(gòu)功能

2 導葉控制裝置性能調(diào)整試驗及結(jié)果

為驗證所設(shè)計的裝置是否滿足設(shè)計要求，按照設(shè)計方案對裝置進行試驗。以風扇進口可調(diào)葉片角度α1控制為例，進行α1控制速率試驗和控制階躍響應試驗，試驗結(jié)果分別如圖8、9所示。

從試驗曲線中可見：

（1）根據(jù)主節(jié)點控制器的控制指令，實現(xiàn)了對α1、α2的智能控制，響應速度快；

圖8 α1控制速率試驗

圖9 α1控制階躍試驗

（2）通過CAN總線實現(xiàn)了α1、α2角度和當前狀態(tài)信號等的數(shù)據(jù)傳輸；

（3）裝置接收上位機過渡態(tài)控制指令，獨立實現(xiàn)了導葉的過渡態(tài)控制（階躍試驗），并實現(xiàn)了導葉的小閉環(huán)控制。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的智能導葉控制裝置，能夠根據(jù)控制需求實現(xiàn)小閉環(huán)控制，僅需要總線接口與外部通訊，簡化了整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，初步實現(xiàn)了分布式控制的理論。由于使用了模塊化設(shè)計，將控制功能、電路單元和伺服作動裝置模塊化，并采用智能化接口，可以實現(xiàn)單元級更換。減少了系統(tǒng)設(shè)計的重復性，使控制系統(tǒng)的設(shè)計與研制難度降低，同時有助于系統(tǒng)的故障定位，降低排故的難度。同時，分擔了FADEC的部分功能，減輕了FADEC的負擔，并及時向FADEC傳輸狀態(tài)參數(shù)，降低了控制系統(tǒng)的復雜度，為FADEC實現(xiàn)健康管理、故障檢測與隔離等功能的擴展提供了條件。分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，子系統(tǒng)在階躍控制時，包括上升時間及超調(diào)量等性能均不滿足要求值。后續(xù)需要軟件測試D/A輸出的延時等相關(guān)參數(shù)，確定影響系統(tǒng)動態(tài)性能的主要因素，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，達到相關(guān)性能要求。

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Design of an Aeroengine Distributed Intelligent Guide Vane Control Device

DU Li1,WANG Ying2,YANG Xiao-qiang2,XUE Guo-jie2,YAN Sai-chao2
（1.Department of Electrical Engineering,Xi'an Aeronautical University;2.AECC Xi'an Aero-Engine Control Company,Xi'an 710077 China）

Based on distributed control,an intelligent guide vane control device for aero engines with AD598,TMS320F2812 DSP and CAN was proposed.The housing design was briefly described.The minimum system for TMS320F2812 and its peripheral circuits,such as the LVDT (Linear Variable Differential Transformer)signal conditioning circuit based on AD598,the electro-hydraulic servo valve current drive circuit(current output circuit),CAN bus interface circuit and D/A conversion module were designed,and the software system of the device was sketched.By completing the semi-physical experiments,the control requirements for fan inlet adjustable blade angle(α1)and the high pressure compressor inlet adjustable stator blade angle (α2)were basically satisfyied.The results show that the device has the characteristics of compact size,high degree of intelligence and excellent control simultaneously.

distributed control;guide vane control;TMS320F2812;CAN bus;aeroengine

V 233.7

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.006

2016-07-01

杜礫（1985），男，碩士，從事航空發(fā)動機仿真測試試驗教學工作；E-mail：justice_dl@163.com。

杜礫，王瑩，楊曉強，等.航空發(fā)動機分布式智能導葉控制裝置設(shè)計[J].航空發(fā)動機，2017,43（2）：31-35.DU Li，WANG Ying，YANG Xiaoqiang，et al.Design ofan aeroengine distributed intelligentguide vane controldevice[J].Aeroengine，2017,43（2）：31-35

（編輯：栗樞）