基于DSP的機電作動器控制與狀態監控系統設計

李成茂 石山 劉德鵬

摘 要：現代先進飛機在對機電作動器有效控制的同時需要對機電作動器的狀態進行監控。采用DSP芯片TMS320F28335設計多機電作動器實時監控系統。通過PWM控制方式實現對機電作動器的控制，DSP片上集成ADC模塊及其前端預處理電路對系統中電流、電壓信號的數據采集，CAN總線實現系統的分布式控制和數據共享。上位機對采集的數據進行處理，從而判定系統的工作狀態。通過實驗驗證，系統可以實現對多個機電作動器的狀態進行在線監控。

關鍵詞：機電作動器 DSP 監控

中圖分類號：U674 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0041-02

飛機作動系統逐步由傳統的液壓作動方式向電力作動方式轉變[1-2]。為了提高電力作動系統的可靠性，國內外許多先進飛機采用多舵面，多余度的控制方式[3-4]，這一趨勢導致機電作動器控制數量的增加。同時，現代先進飛機對安全性能要求的提高，對機電作動器可靠性的要求也不斷提高。對多個機電作動器的有效控制以及狀態的實時監控顯得尤為重要。傳統的檢測方式包括定期檢測和巡回檢測等，難以滿足系統安全性的要求[5]，為了提高工作效率、運行可靠性，設計了一種既能滿足多個機電作動器的控制需求又能對其運行狀態在線監控與分析的系統。

1 總體介紹

機電作動系統中的機電作動器通過CAN總線進行通信，從而實現各個機電作動器的協調控制，由于每個機電作動器采用相似結構，所以多機電作動系統的硬件設計主要是單個機電作動器的硬件設計。單個機電作動器的控制系統由控制器、光電隔離電路、驅動電路、電機、傳動裝置以及傳感器組成。控制器采用TMS320F28335控制芯片。

2 系統硬件設計

機電作動器是由控制器，驅動電路、電機以及傳動裝置構成[6]，系統的硬件設計主要包括電源電路，數據采集電路，以及通信電路，從而實現對多機電作動系統的控制以及對其狀態的監控。

2.1 電源電路

在機電作動系統中，DSP的I/O口供電電壓為+3.3 V，內核供電電壓為+1.9 V，外圍電路的供電電壓是+5 V，驅動電路中的IGBT管則需要+15 V的供電電壓，所以電源電路需要提供的直流電壓有+15 V，+5 V，+3.3 V，+1.9 V。將電網中的交流電通過整流、濾波、穩壓電路轉換成直流電，提供+15 V，+5 V電壓。采用TPS73HD301芯片，它是一個雙通道電壓輸出變換器，輸入電壓為+5 V，輸出電壓分別是+3.3 V和+1.9 V，滿足了系統要求。

2.2 數據采集電路

F28335上集成16通道的ADC模塊，實現對系統中電流電壓等信息的采集。系統外部時鐘配置為30 MHz，采樣帶寬是12.5 MSPS。傳感器采集的信號多為模擬信號，而且信號噪聲較大，一般不能被控制器直接使用，所以需要通過信號調理電路對這些傳感器信號進行放大或者縮小，達到指定的范圍內，然后送入到控制器A/D轉換通道轉換成數字信號。信號調理電路一般由放大器以及相關的濾波電容和濾波電阻組成，系統采用集成運算放大器OP4177。

2.3 通信電路

TMS320F28335上有兩個加強型CAN總線模塊eCAN，不僅可以實現機電作動器之間的通信的，同時還可以實現與上位機之間的通信。CAN總線和工控機之間的通信需要加入CAN/RS232協議轉換接口卡。CAN總線控制器采用PHILIPS公司的SJA1000。CAN總線和CAN控制器之間通過接口電路相連，根據CAN總線通信協議進行信號的傳送和接收。CAN總線接口芯片采用PHILIPS公司PCA82C50。

2.4 抗干擾設計

在硬件設計中常常需要考慮電磁干擾的問題，在該系統中采取的抗干擾措施主要包括：（1）在設計PCB板設計的時候，導線間、元器件之間的間隔稍大些，設計地線時數字信號地和模擬信號地分開；（2）采取隔離措施，采用隔離元器件將部分大功率器件進行隔離。（3）提高電源的抗干擾性，如采用濾波芯片。

3 系統軟件設計

3.1 系統級控制

系統控制程序主要包括以下幾個部分：系統初始化程序、中斷子程序、EV模塊數據采集子程序、ADC模塊數據采集子程序、狀態數據分析子程序、數據傳輸子程序。

3.2 信號處理

系統采集的信號噪聲較大，需要對這些信號進行預處理工作，主要通過FFT算法來實現主要包括以下幾個部分。

（1）為了消除采集信號中不規則的隨機干擾噪聲信號，采用平均消除法，對數據進行標定變換，從而消除高頻噪聲。如式（1）所示：

均方根值亦稱為有效值，是噪聲信號的能量的一種表達。

離散隨機信號的方差表達式為：

系統采用離散傅里葉變換，對數據進行頻譜分析，得到幅值和相位譜。幅值可以用來描述信號大小隨頻率變化的分布情況，相位譜反應信號各個頻率相位角的分布情況。

4 實驗驗證

該實驗是對無刷直流電機A相繞組電流進行分析。選擇采樣數據其中5 000個點，去均值后得到系統狀態的時域數據，求其均值、均方根植、方差獲得時域特征值。經過傅里葉變換，轉換到頻域進行分析，通過上位機顯示模塊進行顯示。并將生成的歷史數據進行保存，以觀測系統的變化及其發展趨勢，系統畫出了連續采樣40組電流數據的特征參數，每組5 000個數據點數，均方根值趨勢圖如圖1所示。趨勢圖采用定時刷新模式，以實現對系統的實時監控。

5 結語

采用DSP芯片TMS320F28335設計多機電作動器實時監控系統。利用DSP豐富的外設接口實現對機電作動器的控制以及信號采集，通過CAN總線實現系統的分布式控制和數據共享以及和上位機的連接。通過上位機對采集的數據進行處理，從而判定系統的工作狀態。滿足了系統遠程故障監控的需求。

參考文獻

[1] Musab Bari，Christy Roof，Amit Oza.The Future of Electric Aircraft[C]//51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition.2013：1-10.

[2] Imon Chakraborty，David Trawick，David Jackson，etal.Electric Control Surface Actuator Design Optimization and Allocation for the More Electric Aircraft[C]//AIAA Aviation 2013 Aviation Technology， Integration， and Operations Conference.2013.

[3] 張巍，朱耀忠.“多電”控制舵面作動器——下一代運輸機的一個方案[J].電力電子，2006（4）：15-18.

[4] 嚴仰光，秦海鷗，龔春英，等.多電飛機與電力電子[J].南京航空航天大學學報，2014，46（1）：11-18.

[5] 席鑫寧.基于DSP的設備狀態監測系統設計[D].太原：中北大學，2009.

[6] 郭宏，邢偉.機電作動系統發展[J].航空學報，2007，28（3）：620-627.