基于TTP/C總線的開放式電子控制器的設(shè)計(jì)及H IL仿真試驗(yàn)研究

余之杰，張?zhí)旌辏?建，劉冬冬

（1.南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016；2.中航工業(yè)動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字式電子控制器（Digital Electronic Engine Controller，DEEC）一般采用集中式架構(gòu)，其計(jì)算任務(wù)集中在某1個(gè)處理器上。這種架構(gòu)導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)難度大、故障檢測(cè)及系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、維護(hù)升級(jí)成本高、系統(tǒng)可重用性差等問題[1-3]。先進(jìn)的DEEC應(yīng)具備較好的開放結(jié)構(gòu)特性，一般具備以下特點(diǎn)：（1）硬件子模塊具備高度的通用性；（2）運(yùn)行在硬件子模塊上的軟件代碼可以在不同的硬件平臺(tái)上移植；（3）任意1個(gè)子模塊的修改或更換不影響其它模塊[2-6]。

TTP/C總線是1種先進(jìn)的基于時(shí)間觸發(fā)協(xié)議（Timer Trigger Protocol，TTP）的數(shù)據(jù)總線，其中C是指該協(xié)議達(dá)到了SAE的C類標(biāo)準(zhǔn)[7]。TTP/C總線具有嚴(yán)格時(shí)間確定性、安全關(guān)鍵性和完全分布式的特點(diǎn)，比TTCAN、Flex Ray總線具有更完備的容錯(cuò)機(jī)制，比ARINC659總線具有體積小、可用性高和價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)[8]。因此，TTP/C總線更適合構(gòu)建開放式DEEC，并已在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用[8]。

本文基于自主開發(fā)的TTP/C總線控制器[9]，設(shè)計(jì)了1種以FPGA+DSP為核心的智能節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)建了1個(gè)包含3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的開放式架構(gòu)的DEEC。3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)協(xié)同實(shí)現(xiàn)開放式控制發(fā)動(dòng)機(jī)油針位置和轉(zhuǎn)速。最后通過接口模擬器進(jìn)行HIL仿真驗(yàn)證。

1 基于TTP/C總線的開放式DEEC設(shè)計(jì)

1.1 開放式DEEC架構(gòu)

基于TTP/C總線的開放式DEEC的一般架構(gòu)如圖1所示。控制器由多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)通過TTP/C總線互連，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)包含TTP/C總線控制器和主機(jī)控制器。TTP/C總線控制器（以下簡(jiǎn)稱TTP/C控制器）功能由FPGA實(shí)現(xiàn)，主機(jī)控制器功能由DSP實(shí)現(xiàn)[9]。

圖1 基于TTP/C總線的開放式DEEC的一般架構(gòu)

1.2 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速控制回路是發(fā)動(dòng)機(jī)最典型的控制回路，也是最基本、最重要的控制回路，其控制性能的優(yōu)劣將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全[10]。本文搭建的開放式DEEC包括3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集、油針位置信號(hào)采集和閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能。

智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的共同之處是TTP/C控制器、主機(jī)控制器與TTP/C控制器接口部分。智能節(jié)點(diǎn)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。基于FPGA的TTP/C控制器包括Nios II軟核處理器、冗余收發(fā)器和接口電路等。TTP/C控制器和主機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)交換通過通信網(wǎng)絡(luò)接口（Communication Net Interface，CNI）實(shí)現(xiàn)。CNI實(shí)質(zhì)上是為主機(jī)與TTP/C控制器提供了一致性的虛擬共享內(nèi)存，允許這2個(gè)控制器隨機(jī)訪問這個(gè)存儲(chǔ)空間。CNI內(nèi)部包含3個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域：控制域、狀態(tài)域和消息域。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TTP/C控制器的異常狀態(tài)中斷信號(hào)也通過CNI傳遞給主機(jī)。每次中斷信號(hào)判斷有效后，主機(jī)從中斷服務(wù)程序中讀取TTP/C控制器狀態(tài)域中的中斷向量列表，并通過相應(yīng)的協(xié)議判斷異常事件的類型，例如：控制器錯(cuò)誤、啟動(dòng)同步完成、同步異常、C狀態(tài)有效等。如果2個(gè)控制器同時(shí)訪問狀態(tài)域和數(shù)據(jù)域，讀取狀態(tài)可能不確定，為此必須建立主機(jī)和控制器讀取數(shù)據(jù)的互斥機(jī)制，防止其同時(shí)訪問。CNI接口互斥訪問示意圖如圖3所示。

圖3 CNI接口互斥訪問

CNI的實(shí)現(xiàn)方式多樣，但是在安全關(guān)鍵領(lǐng)域必須阻止TTP/C控制器和主機(jī)之間的故障傳遞。為此本文的TTP/C控制器在FPGA內(nèi)部構(gòu)建了1個(gè)雙口RAM作為公共數(shù)據(jù)區(qū)。主機(jī)DSP設(shè)置1個(gè)外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展區(qū)（XINTF），能夠?qū)﹄p口RAM區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。DSP根據(jù)TTP/C控制器發(fā)送的中斷請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)對(duì)雙口RAM讀寫操作[11]。

智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)針對(duì)各智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的不同功能，設(shè)計(jì)相應(yīng)的擴(kuò)展接口電路。簡(jiǎn)要描述3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

（1）節(jié)點(diǎn)1為轉(zhuǎn)速信號(hào)采集智能節(jié)點(diǎn)，用于采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。轉(zhuǎn)速信號(hào)是周期性脈沖信號(hào)，本節(jié)點(diǎn)采用DSP的ECAP采集模塊，自動(dòng)捕獲轉(zhuǎn)速信號(hào)周期，并采用中斷方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)周期采集和濾波處理，以保證轉(zhuǎn)速測(cè)量的可靠性。

（2）節(jié)點(diǎn)2為油針位置信號(hào)采集和控制智能節(jié)點(diǎn)，用于采集油針位置和閉環(huán)控制。油針位置LVDT信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后是電壓信號(hào)，通過DSP的AD模塊采集位置信號(hào)。油針是通過驅(qū)動(dòng)電流控制的，電流由DA芯片MAX532輸出的電壓信號(hào)經(jīng)電路驅(qū)動(dòng)電路提供。DSP通過SPI同步通訊模塊控制MAX532。

（3）節(jié)點(diǎn)3為轉(zhuǎn)速控制智能節(jié)點(diǎn)，是主控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信。通過DSP的SCI異步通信模塊實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的串口通信。串口發(fā)送周期為20 ms，與轉(zhuǎn)速控制步長(zhǎng)一致，而串口接收采用中斷方式，以防止數(shù)據(jù)覆蓋出錯(cuò)。

在節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3中均采用PID閉環(huán)控制算法，因?yàn)镻ID算法簡(jiǎn)單且魯棒性好，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。

2 HIL仿真試驗(yàn)

2.1 構(gòu)建HIL仿真試驗(yàn)平臺(tái)

本文搭建了如圖4所示的開放式DEEC HIL仿真試驗(yàn)平臺(tái)。節(jié)點(diǎn)3通過串行通信接口與監(jiān)控計(jì)算連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)開放式DEEC工作狀態(tài)的監(jiān)控。節(jié)點(diǎn)1的轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)接口、節(jié)點(diǎn)2的位置傳感器及伺服閥接口與FADEC系統(tǒng)接口模擬器NFSIE-II連接[12]。

圖4 開放式DEEC的HIL仿真試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

FADEC系統(tǒng)接口模擬器NFSIE-II是南京航空航天大學(xué)針對(duì)某電子控制器原型樣機(jī)研制的仿真試驗(yàn)設(shè)備，具有FADEC系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及部分飛機(jī)系統(tǒng)的電氣信號(hào)接口模擬能力，同時(shí)具備強(qiáng)大的故障注入能力[13]。

2.2 HIL仿真試驗(yàn)原理

試驗(yàn)原理如圖5所示。由于轉(zhuǎn)速閉環(huán)試驗(yàn)包含油針位置小閉環(huán)試驗(yàn)，所以先進(jìn)行油針位置閉環(huán)控制HIL試驗(yàn)，整定油針位置控制PID參數(shù)，使油針位置能夠迅速響應(yīng)階躍位置指令。油針位置閉環(huán)控制步長(zhǎng)取5ms，以便能快速響應(yīng)油針位置指令[14]。在油針位置閉環(huán)試驗(yàn)響應(yīng)速度達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制HIL試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制步長(zhǎng)取20ms。

圖5 開放式電子控制器HIL仿真試驗(yàn)原理

開放式DEEC的HIL仿真試驗(yàn)流程如下：

（1）由監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送轉(zhuǎn)速控制指令給節(jié)點(diǎn)3；

（2） 節(jié)點(diǎn)1將采集到的實(shí)際轉(zhuǎn)速信息廣播到TTP/C總線上；

（3）節(jié)點(diǎn)3的轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速控制指令和實(shí)際轉(zhuǎn)速信息產(chǎn)生油針位置控制指令，并將其廣播到TTP/C總線上；

（4）節(jié)點(diǎn)2從總線上獲取油針位置控制指令，進(jìn)行油針位置小閉環(huán)控制，并將油針實(shí)際位置等信息廣播到TTP/C總線上；

（5）節(jié)點(diǎn)3將各節(jié)點(diǎn)的信息通過串口發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)用于試驗(yàn)監(jiān)控。

2.3 HIL仿真試驗(yàn)信號(hào)標(biāo)定

在接口模擬器中，需要將模型內(nèi)嵌到cRIO中，通過LabVIEW建立了油針位置模型和簡(jiǎn)易的發(fā)動(dòng)機(jī)模型[14-16]。試驗(yàn)前需要進(jìn)行信號(hào)標(biāo)定，將模型輸入/輸出的工程量、接口模擬器電信號(hào)量和DSP采集/輸出的工程量一一對(duì)應(yīng)。

（1）轉(zhuǎn)速信號(hào)標(biāo)定。轉(zhuǎn)速信號(hào)與接口模擬器產(chǎn)生的頻率信號(hào)成正比，通過2組數(shù)據(jù)可以得到其對(duì)應(yīng)關(guān)系。將接口模擬器發(fā)動(dòng)機(jī)模型的轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為0和120000 r/min（默認(rèn)為滿轉(zhuǎn)速），DSP通過ECAP模塊采集這2個(gè)頻率量，分別對(duì)應(yīng)實(shí)際百分比轉(zhuǎn)速的0和100%，得到

式中：N 為實(shí)際百分比轉(zhuǎn)速，范圍0～100%；f 為DSP采集到信號(hào)的頻率量，Hz。

（2）油針位置LVDT信號(hào)標(biāo)定。油針位置信號(hào)與接口模擬器產(chǎn)生的電壓信號(hào)成正比，通過2組數(shù)據(jù)可以得到其對(duì)應(yīng)關(guān)系。將接口模擬器中油針模型的油針位置分別設(shè)定為0和100%，DSP通過AD模塊分別采集其輸出電信號(hào)量，采集到的2個(gè)量分別對(duì)應(yīng)實(shí)際油針位置的0和100%，最終得到

式中：Gt為實(shí)際油針位置，范圍0～100%；VAD為DSP采集的接口模擬器輸出電壓信號(hào)的數(shù)字量，12位AD的范圍為0～4095。

（3）電流信號(hào)標(biāo)定。伺服閥驅(qū)動(dòng)模塊所需的輸出電流范圍在-40～+40mA之間。控制器通過SPI控制MAX532產(chǎn)生電壓并經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。MAX532為12位DA轉(zhuǎn)換，控制指令為0～4095。通過接口模擬器界面觀察電流信號(hào)和控制指令，確定12位數(shù)字量與電流信號(hào)的關(guān)系。

式中：D 為數(shù)字控制量，范圍0～4095；I 為電流，mA。

2.4 HIL仿真結(jié)果及分析

3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)控制信號(hào)與總線上的廣播信號(hào)如圖5所示。圖中上面3條曲線分別是3個(gè)節(jié)點(diǎn)的廣播控制信號(hào)，只有在其為高電平時(shí)，才允許該節(jié)點(diǎn)在總線上廣播數(shù)據(jù)，最下面的曲線是總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)。從圖中可見，各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)段都限定在預(yù)設(shè)的時(shí)間槽內(nèi)，TTP/C總線工作正常。

圖5 節(jié)點(diǎn)控制信號(hào)與總線上的廣播信號(hào)

油針模型簡(jiǎn)化后是1個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以在PID算法中，只要加入比例環(huán)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)快速無靜差控制[17]。通過整定P參數(shù)，優(yōu)化控制效果，最終得到的油針位置閉環(huán)控制響應(yīng)曲線如圖6所示。其調(diào)節(jié)時(shí)間小于0.5 s，無靜差、無超調(diào)。

圖6 油針位置閉環(huán)控制響應(yīng)曲線

階躍位置給定時(shí)，期望油針位置與實(shí)際油針位置之間的差值較大，計(jì)算出的控制量也較大，圖中電流為控制量，初始時(shí)電流較大，甚至達(dá)到飽和值。隨著期望油針位置與實(shí)際油針位置接近，控制量減小，當(dāng)差值為零時(shí)，控制電流為0mA。當(dāng)給1個(gè)反向的階躍位置參考量時(shí)，控制電流為負(fù)值。

優(yōu)化PID控制效果后轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制響應(yīng)曲線如圖7所示。從圖中可見，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間小于1 s，無靜差、無超調(diào)。

圖7 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制響應(yīng)曲線

當(dāng)給定轉(zhuǎn)速突然變大時(shí)，通過PID計(jì)算出來的期望油針位置也突然變大，實(shí)際油針位置開始變大，供油量增加，轉(zhuǎn)速增大，期望油針位置下降。最終實(shí)際油針位置等于期望油針位置，這時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速也等于給定轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

（1）基于TTP/C總線的開放式電子控制器各智能節(jié)點(diǎn)能夠可靠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)、可靠地控制。

（2）這種開放式架構(gòu)能夠快速實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充或改進(jìn)，而對(duì)其他節(jié)點(diǎn)沒有影響，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的維護(hù)、升級(jí)過程。

總之，開放式電子控制器具有計(jì)算性能高、可擴(kuò)展性好、可維修性強(qiáng)、全壽命周期成本低、開發(fā)和驗(yàn)證難度小、開發(fā)效率及可靠性高的優(yōu)勢(shì)，是新一代FADEC系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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