航空發動機分布式智能導葉控制裝置設計

杜 礫，王 瑩，楊曉強，薛國杰，閆賽超

航空發動機分布式智能導葉控制裝置設計

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.中國航發西安航空動力控制有限公司西安710077）

針對某型發動機電子控制器，對航空發動機分布式控制系統進行了初步研究。設計了1種基于分布式控制，用A D 598、TM S320F281 2 D SP和CA N總線構成的航空發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計方法，以及TM S320F281 2最小系統、基于A D 598的LV D T（線性可變差動變壓器）信號調理電路、電液伺服閥電流驅動電路（電流輸出電路）、CA N總線接口電路和D/A轉換模塊等電路的設計方法，簡述了軟件系統設計。通過完成半物理試驗，基本滿足了對風扇進口可調葉片角度α1、高壓壓氣機進口可調靜子葉片角度α2的控制要求。結果表明：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；航空發動機

0 引言

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

分布式控制系統理論的引入對航空發動機控制系統領域內許多關鍵技術（包括系統結構、總線技術、智能元件、分布式電源總線技術、尤其是高溫電子元器件技術）提出了更高要求。近年來，國內外學者針對這些關鍵技術均有不同研究。宋軍強等[1]分析了航空發動機分布式控制系統的研究現狀，對前述幾項關鍵技術進行了技術成熟度（TRL）評估；考慮到航空發動機分布式控制系統中存在的丟包問題，宋軍強等[6]基于帶輸入積分的狀態反饋控制器提出了某渦扇發動機分布式控制系統丟包增益重構補償策略，保證了存在數據丟包的發動機分布式控制系統的性能和穩定性；關越等[7]提出了將時間觸發TTCAN(Time-Triggered)總線應用于航空發動機分布式控制通訊總線的構想；針對航空發動機非線性分布式控制系統的故障診斷問題，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，建立了具有網絡誘導時延的非線性分布式控制系統模型，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，主要論述了燃調系統的實現；張世英等[10]將BP神經網絡應用于1種適用于航空發動機分布式控制系統的智能壓力傳感器設計；李光耀等[11]針對航空發動機分布式控制系統設計了原理樣機，并對關鍵技術中的CAN總線數據傳輸、控制系統的同步等問題進行了詳細分析[12]。

本文設計了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，并通過了調試試驗和車間半物理試驗驗證。

1 智能導葉控制裝置構成

航空發動機分布式控制系統原理如圖1所示。其中的導葉控制是航空發動機控制中1個非常重要的控制環節。風扇進口可調葉片角度α1、高壓壓氣機進口可調靜子葉片角度α2均需要通過調節作動筒的位置來控制。智能導葉控制裝置是數控系統導葉控制的智能執行機構，發動機電子控制器根據工作狀態通過數據總線發出導葉控制信號給智能導葉控制裝置電子單元，電子單元經數據采集、處理后發出電流信號給電液伺服閥，控制電液伺服閥內部的閥芯位置，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，進行數據處理后得出偏差信號并進行電液伺服閥的輸入電流補償，實現閉環反饋。智能導葉控制裝置通過數據總線與主節點控制器進行通信，如圖2所示。

圖1 航空發動機分布式控制系統原理

圖2 智能導葉控制裝置原理

1.1 殼體設計

在殼體設計中，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量；按鍛件設計，便于殼體的外形加工，內部油路也均設計成直油路，并盡量縮短油路長度以易于加工，縮短加工周期。裝置外觀及殼體內部結構如圖3所示。

圖3 智能導葉控制裝置外觀和殼體內部結構

1.2 智能導葉控制裝置硬件系統構成

智能導葉控制裝置的硬件系統（圖2）主要由TMS320F2812 最小系統[18]、基于 AD598 的 LVDT（線性可變差動變壓器）信號調理電路、電液伺服閥電流驅動電路（電流輸出電路）、CAN總線接口電路、D/A轉換模塊等模塊構成。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，采用具有厚膜技術的集成電源轉換模塊，具有電壓穩定、紋波系數小的特點；數據總線選用CAN總線，F2812 DSP與CAN總線的物理接口采用SN65HVD231D驅動芯片；SN65HVD231D使用阻抗為120 Ω雙絞線為通信介質，信號采用差動發送和差動接收。

選用AD598芯片構成LVDT信號調理電路，自帶正弦波激勵信號（20～20000 Hz），通過內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 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信號調理電路如圖4所示。

圖4 LVDT信號調理電路

根據LVDT傳感器的副線圈電壓幅值之和為固定值的特點，設計監控電路（加法器）對線圈狀態進行監控。設計由運算放大器外加電容電阻構成加法器電路對線圈狀態進行監控。若線圈斷開連接，VA+VB的值發生異常，通過處理送入DSP芯片A/D口的數據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，經試驗得知VA1與VB1為正弦波，經二極管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轉換功能，設計中采用直接外接D/A芯片進行數模轉換，轉換速度快、精度高且輸出電壓穩定。經D/A輸轉換后的輸出電壓與基準電壓輸入調偏電路，通過電壓電流轉換電路即可實現電流的正負輸出。選用DAC7725數模轉換芯片時，將DSP2812數據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，經運算放大器和功率運算放大器組成的調偏電路后，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 電液伺服閥驅動電路

1.3 智能導葉控制裝置軟件設計

本系統為1個實時快速調節系統，系統對軟件在信號采集、數據傳輸、數據處理上均要求快速、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、數字量輸入信號，并進行濾波防抖等處理；

（2）根據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）數據總線傳輸功能；

（7）軟件采用模塊化設計，如圖7所示。

圖7 控制軟件結構功能

2 導葉控制裝置性能調整試驗及結果

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

從試驗曲線中可見：

（1）根據主節點控制器的控制指令，實現了對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總線實現了α1、α2角度和當前狀態信號等的數據傳輸；

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

3 結論

本文設計的智能導葉控制裝置，能夠根據控制需求實現小閉環控制，僅需要總線接口與外部通訊，簡化了整個控制系統的結構，初步實現了分布式控制的理論。由于使用了模塊化設計，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，可以實現單元級更換。減少了系統設計的重復性，使控制系統的設計與研制難度降低，同時有助于系統的故障定位，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傳輸狀態參數，降低了控制系統的復雜度，為FADEC實現健康管理、故障檢測與隔離等功能的擴展提供了條件。分析試驗數據發現，子系統在階躍控制時，包括上升時間及超調量等性能均不滿足要求值。后續需要軟件測試D/A輸出的延時等相關參數，確定影響系統動態性能的主要因素，在此基礎上進行優化設計，達到相關性能要求。

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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.航空發動機分布式智能導葉控制裝置設計[J].航空發動機，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）