余度油門驅動控制器硬件設計

劉暢

北京青云航空儀表有限公司，中國·北京 101300

1 引言

油門控制是飛行控制的關鍵功能之一，目前有人機普遍通過機械桿系傳遞飛行員對油門的操縱，無人機則必須通過電傳實現(xiàn)飛行員對油門的操縱。隨著飛機研制的發(fā)展，無人機的任務變得越來越復雜，造價越來越昂貴，對電傳油門操縱系統(tǒng)的可靠性安全性要求也越來越高。目前普遍使用的單通道油門伺服控制系統(tǒng)無法滿足新型飛機的要求，因此需要設計高可靠性、安全性的余度電傳油門伺服控制系統(tǒng)。

2 控制器總體設計

2.1 功能概述

油門驅動控制器（以下簡稱ATC）的主要功能是接收飛行器管理計算機（以下簡稱“VMC”）發(fā)出的指令和油門執(zhí)行機構（以下簡稱ATU）反饋的信息，通過信號處理、伺服計算和驅動放大輸出電機驅動信號至ATU，控制ATU輸出搖臂運動到指定位置，從而控制發(fā)動機燃調機構閥門角度，調整發(fā)動機轉速，實現(xiàn)速度控制功能。同時ATC將ATM 的故障狀態(tài)上報給VMC，實現(xiàn)VMC 對ATM 的監(jiān)控[1]。

2.2 總體設計

油門驅動控制器的控制對象為雙通道電機，對應的驅動部分也必須為雙通道設計。油門驅動控制器需要接收三余度VMC 的數(shù)據為滿足高安全性、可靠性要求需要對三余度數(shù)據進行表決、監(jiān)控，因此控制部分設計成三余度結構。為提高系統(tǒng)的維護性并盡量減小體積，根據硬件功能劃分將尺寸進行優(yōu)化布局后，將每個控制通道設計成一個模塊，將兩個驅動通道布局成一個模塊[2]。每個控制通道根據接收自VMC 的位置指令計算得到A、B 驅動通道所需的PWM 驅動指令，控制通道同時輸出各自的通道有效信號給A、B 驅動通道。每個驅動通道根據控制部分輸出的通道有效信號，選用其中一個控制通道的指令作為輸入驅動指令，并以此驅動對應的電機運行。

2.3 余度管理設計

2.3.1 同步設計

余度硬件系統(tǒng)設計需要保證3 個控制通道的同步性，為了消除3 個控制通道之間的累計時鐘誤差，保證3 通道之間在同一時刻進行采樣、運算、表決和輸出。三個控制通道之間分別設置同步指示電路，如圖1所示，每個控制通道有一個同步發(fā)送器，三個同步接收指示器，其中一個同步接收指示器D0 位用于本地控制通道的同步回繞測試，另兩個同步指示器D1、D2 位接收對方控制通道發(fā)出的同步信號。

圖1 同步指示電路工作原理

2.3.2 數(shù)據交叉鏈路CCDL

為滿足余度硬件系統(tǒng)處理器間的數(shù)據表決、監(jiān)控需求，控制部分3 個通道間采用抗干擾性強的高速串行總線RS-422 總線實現(xiàn)數(shù)據交叉鏈路CCDL。在每一任務周期內各通道將各自需要表決的信息封裝在CCDL 數(shù)據包中，然后向其他兩個通道發(fā)送，同時接收另外兩個通道的CCDL 數(shù)據包并進行表決[3]。CCDL 布局如圖2所示。

圖2 數(shù)據交叉鏈路CCDL

2.4 通道故障邏輯

2.4.1 通道有效判定

通道有效信號是余度控制的重要信號，通過通道有效信號可以控制余度算法的執(zhí)行分支，可以控制有效良好的控制通道用于驅動機構。通道有效信號通過軟硬件方式確定，通道有效故障邏輯中的信號定義見表1。

表1 通道有效邏輯中的信號定義

根據表1通道有效邏輯中的信號定義，可確定本控制通道有效、X 通道有效、Z 通道有效和綜合通道有效的邏輯，具體如下：

Local_CH_V = PS_V & WDT_V & CPU_V；

CH_V_to_X=Local_CH_V & VM_X_V；

CH_V_to_Z=Local_CH_V & VM_Z_V；

CH_V=Local_CH_V & (CH_V_From_X || CH_V_From_Z)&( VM_X_V || VM_Z_V)。

綜合通道有效信號可用于余度算法分支決策、驅動通道故障切換和故障上報。

2.4.2 綜合切換邏輯

ATC 有兩個驅動通道，每個驅動通道的輸入端有綜合切換邏輯，接收通道控制有效及PWM 信號，通過通道有效決定選通哪個控制通道PWM 信號輸出控制電機運行。

綜合切換邏輯依據通道有效和選擇控制通道號小的控制通道原則選通PWM 信號輸出。當出現(xiàn)三通道均無效時，依據本地通道有效和選擇控制通道號小的控制通道原則選通PWM 信號輸出[4]。

2.4.3 故障狀態(tài)綜合

每個ATC 通道接收另兩通道的CH-V 信號，進行綜合后生成“一次故障”和“二次故障”離散量信號供軟件采集。綜合邏輯：有一個控制通道出現(xiàn)故障時，則給出ATM 一次故障，有兩個控制通道出現(xiàn)故障時，則給出ATM 二次故障。

3 控制器硬件設計

3.1 控制模塊設計

ATC 內配置有3 余度的CTL 模塊，每個模塊硬件電路完全相同，灌裝相同的軟件配置項。

CTL 模塊主要功能：二次電源轉換、輸入輸出管理、電機控制運算、BIT 及監(jiān)控電路、電機電流采樣、旋變信號解調。

模塊包括如下8 個功能電路：電源轉換電路、電源監(jiān)控電路、DSP 控制器及其最小系統(tǒng)、數(shù)據通信電路、串口擴展電路、離散量處理電路、旋變解調電路、信號調理電路和數(shù)據記錄電路。

CTL 模塊功能框圖如圖3所示。

圖3 CTL 模塊功能組成

3.1.1 電源轉換電路

CTL 模塊需要使用的電源有±15V、±12V、+5V、+3.3V、+1.8V。其中±15V、+5V 來自對應支路的電源模塊，其余電源由±15V、+5V 轉換得到。

3.1.2 電源監(jiān)控

對模塊內的二次轉換電源提供電源監(jiān)控保護，采用四電壓比較器GF139 實現(xiàn)。比較后輸出一個PS-MON_VLD信號，此信號上報核心控制器用于故障監(jiān)控。

3.1.3 DSP 最小系統(tǒng)

DSP 最小系統(tǒng)主要實現(xiàn)DSP 控制器的各項配置以及基本外圍電路，包括時鐘電路、復位電路、看門狗電路、調試維護電路。DSP 選用SM320F2812PGFMEP，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現(xiàn)復雜的控制算法，

時鐘電路使用GJA143-30-C12 晶振配合DSP 內部PLL實現(xiàn)，晶振頻率為30MHz，內部PLL 應配置為4 倍頻，最終系統(tǒng)頻率為120MHz。

DSP 芯片的復位功能和看門狗功能都通過外部微處理器監(jiān)控芯片（uP）實現(xiàn)。芯片選用MAX791MJE。復位電路實現(xiàn)系統(tǒng)上電后的200ms 復位時間?？撮T狗電路配置喂狗時間為30～50ms。

調試維護電路實現(xiàn)JTAG 接口電路和串行燒寫電路功能[5]。

3.1.4 數(shù)據通信電路

數(shù)據通信電路用于完成控制模塊與VMC、驅動模塊和控制板之間的數(shù)據傳輸。為了保證控制模塊與外部設備的有效交聯(lián)，選用MAXIM 公司的RS422 總線驅動芯片MAX488MJA。其中與VMC 通訊、與驅動板通訊通過DSP自帶的SCI 串口完成，三塊控制板之間的數(shù)據通訊使用外擴接口完成。

3.1.5 串口擴展電路

由于控制板上共需5 個外設串口，而DSP 自帶串口只有兩個，為了保證數(shù)據的正常通訊，所以需要采用串口擴展?？刂瓢迳系拇跀U展采用的是總線擴展方式。串口擴展采用TI 公司推出的通用異步串行通訊協(xié)議芯片TL16C752B。

3.1.6 離散量處理電路

離散量處理主要實現(xiàn)+5V 到+3.3V、+3.3V 到+5V 的電平轉換功能。電平轉換芯片采用6 個SNJ54AHCT244W、6 個SNJ54LVCH244AW。 其中SNJ54AHCT244W 用于+3.3V 到+5V 的電平轉換功能，SNJ54LVCH244AW 用于+5V 到+3.3V 的電平轉換功能。

3.1.7 旋變解調電路

旋變變壓器轉換電路主要實現(xiàn)：輸出電機轉子位置信號、輸出電機轉向和零點位置脈沖、輸出器件自身的BIT信號等功能。

旋轉變壓器轉換器件選用AD 公司的AD2S80 ATD/883B 器件，器件的輸入信號是一組正/余弦反饋信號和激勵信號，通過轉換，可以輸出數(shù)字位置信號、轉向信號和零點位置脈沖信號。

3.1.8 信號調理電路

信號調理電路主要完成模擬信號的電壓縮放、信號緩沖濾波、信號形式轉換、隔離去干擾和電平移位。信號調理電路采用GF412 雙運算放大器對電機電流，位置反饋信號及BIT 信號進行調理。模擬信號輸入調理電路采用差分運算放大電路，將輸入的八路模擬量信號調理后控制在0～3.3V。

3.1.9 數(shù)據記錄電路

數(shù)據記錄電路主要選用EEPROM 記錄ATM 的標定數(shù)據、故障和維護等信息。選用芯片為國微電子型號為SM9977（8Bit×32K）的EEPROM。

3.2 驅動模塊設計

驅動模塊分為單板上完全電氣隔離的A，B 兩個通道，兩個通道獨立工作。每個通道的信號通過板卡上的插針同母板信號相連。A 通道或B 通道是兩個幾乎完全相同的電路設計，每個通道電路主要由電機電源模塊設計、綜合邏輯切換電路、電機驅動電路、旋變激磁電路組成。A 通道相比B通道多出一個UART 的收發(fā)和RS422 驅動電路。

3.2.1 綜合邏輯切換電路

綜合邏輯電路由一片CPLD 構成，CPLD 接收3 個控制模塊的通道良好信號。CPLD 依據通道良好信號和預設優(yōu)先順序選通有效的控制模塊輸出的PWM 信號。同時選通通道信號將反饋給余度控制模塊用于故障監(jiān)控。CPLD 芯片選用國微電子的JSM1032B1GC-60。

3.2.2 電機驅動電路

電機驅動電路主要由MSK4300HD 橋驅動芯片以及電流監(jiān)控電路構成。MSK4300 是集成電機三相橋驅動芯片，相比分立電路具有更高的可靠性，同時芯片內置死區(qū)保護電路和上下橋臂開通互斥邏輯可以有效地防止芯片被誤操作導致的損壞。橋驅芯片的母線端串入了過流切斷MOS 管，當發(fā)生過電流故障時可以及時切斷電源保護電路安全。同時母線端還并接了300uF 的電容以有效減緩電機電流突變的沖擊。電流檢測電路采用小電阻測量（6 個0.1Ω 電阻并聯(lián)）以減輕功率消耗，采集到的母線電流通過運放放大（20 倍）輸出，并通過電壓比較電路判斷電機電流是否超限，進而決定電機是否采取關斷行為。

3.2.3 旋變激磁電路

旋變激磁電路用于給旋變提供激勵電源，旋變的正弦激勵電源通過一個AD598 器件產生，其中AD598 芯片產生SIN 和COS 激磁信號，激磁信號頻率為10KHZ，有效值為3.5V。激磁信號經功率運算放大器（7JHG0041TSC）電路后輸出，增加激磁信號的驅動能力，且使得輸入和輸出同相同幅值。

3.3 電源模塊設計

機上兩路匯流條輸入，經二極管“或”綜合后，經電源EMI 濾波器和浪涌抑制器后，進入兩個電源模塊。

伺服電源模塊分為兩個通道，兩通道完全隔離，每個通道包括1 個DC-DC 轉換器將+28V 轉換成+36V，并輸出到驅動板上對應的通道。

控制電源模塊分為3 個通道，通道間完全隔離，每個通道包括1 個DC-DC 轉換器將+28V 轉換成±15V 和+5V，并輸出到對應的控制板。

經過反復試驗論證，控制器各項原理設計均能滿足技術要求。