一種基于FPGA的應急動力裝置控制單元超轉保護系統設計

黃新陽 程旭 喻鳴

摘要：提出一種基于現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的超轉保護系統設計方案。該系統采用三余度采集、控制架構，通過軟件及邏輯表決控制單元及BIT檢測單元，進一步提升了超轉保護系統的可靠性。相較于傳統的基于CPU的轉速采集系統，其具備并行處理、運算速度快、功耗低、實時性強等特點，同時能釋放大量CPU資源。該設計具備較強的通用性和實用性，對應急動力裝置電子控制單元的超轉保護系統設計具有一定的參考借鑒意義。

關鍵詞：應急動力裝置；超轉保護邏輯；BIT設計

中圖分類號：TP391.4? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）10-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.012

0? ? 引言

應急動力裝置是以燃料分解產生的熱燃氣或發動機引氣為動力源的渦輪動力裝置[1]，由渦輪、燃燒分解室、燃料箱、齒輪箱及控制部件組成，可以在發動機故障、主電源故障或主液壓源故障時，通過開關指令快速啟動，為飛機提供應急電源和液壓源[2]。為了保證渦輪動力裝置及其負載的安全可靠運轉，必須可靠地監測渦輪軸轉速，并據此快速、準確地控制相應執行機構的開關時機或開度大小，以保證渦輪軸轉速穩定在允許范圍內[3-4]。

超轉保護功能作為應急動力裝置必要的安全功能之一，是實現轉速穩定控制的前提保證。本文提出了一種基于現場可編程邏輯門陣列的超轉保護系統，通過設計多通道并行采集、軟件與邏輯獨立、并行控制及BIT測試功能，具備高可靠性、強實時性等特點，可保證在超轉故障初期進行有效的隔離保護，從而降低單點故障和共模故障造成的應急動力裝置轉速控制失效的風險，避免造成渦輪裝置結構損傷及飛行安全[5]。

1? ? 超轉保護系統架構

超轉保護系統架構設計中采用三余度獨立轉速采集和控制架構，原理架構如圖1所示。

其中，CHA和CHB兩通道分別應用于兩路相互獨立的轉速傳感器輸出信號的采集，均可實現獨立轉速采集及BIT監測功能，并通過軟件實現外部執行機構的切換控制，最終實現轉速穩定控制。第三路CHC通道應用于獨立于前兩路轉速傳感器輸出頻率信號的采集，同樣可通過FPGA實現獨立轉速采集及BIT監測功能，在軟件控制失效時，能替代主控單元實現外部執行機構的切換控制，最終控制應急動力裝置轉速穩定在某個預期的控制區間內。

2? ? 轉速信號測量

2.1? ? 轉速采集調理電路設計

對轉速信號的采集、調理和解析是超轉保護系統設計實現的基礎，轉速采集調理電路由低通濾波電路、預處理電路、放大比較電路組成，單通道轉速信號采集原理及開路檢測原理框圖如圖2所示。

轉速采集原理是將轉速傳感器頻率信號首先通過濾波電路濾除外部高頻干擾信號。隨后，通過預處理電路將轉速信號調理成一定幅值的非標準正弦波，可以防止當轉速較高時，過高的輸入信號將電路損壞。最終，通過放大電路將信號調理放大送入比較電路，將類正弦的轉速信號調理成與轉速傳感器輸出同頻的方波信號，并送入FPGA進行采集測量。

2.2? ? FPGA采集功能設計

考慮到應急動力裝置齒輪箱齒輪的工藝特性，在FPGA中采用高頻脈沖計數法實現轉速頻率的采集，并設置采集的頻率量范圍下限。高頻計數法的原理是采用高頻脈沖對以多個轉速脈沖為周期的脈沖群進行計數，并將結果存入寄存器，由CPU對脈沖計數進行讀取解算，并與頻率量范圍下限進行比較判斷，確認為有效頻率后，得出最終采集頻率。

同時，考慮到頻率輸入信號的高頻干擾和渦輪轉速的變化特性，在對脈沖群進行計數的同時，同步對脈沖群中每個脈沖進行單獨采集，將同周期范圍內差異較大的脈沖計數剔除，提高頻率采集的抗干擾能力。

3? ? 超速保護邏輯設計

在控制單元完成BIT檢測后，由CPU配置FPGA寄存器使能超轉保護功能，超轉保護邏輯設計框圖如圖3所示。

當軟件判斷為地面模式時，由軟件進行表決，且當采集到CHA和CHB兩通道任一轉速超過閾值時，則CPU控制FPGA將外部執行機構置于安全態并鎖定，超轉保護系統進入鎖定狀態，實現輸出保護；FPGA作為頻率采集單元，同步執行轉速監測功能，當發現超過軟件保護閾值仍未收到保護指令時，則超轉保護系統同樣將外部執行機構置于安全態并鎖定，實現輸出保護。以上兩種工況下，非控制單元下電或外部手動復位不可清除鎖定狀態。

當軟件判斷為空中模式時，由軟件進行表決，且當采集到CHA和CHB兩通道任一轉速超過閾值時，則CPU控制FPGA對外部執行機構進行不可逆的切換控制，實現降級控制，隔離外部執行機構故障。此時，控制指令不會被鎖定。切換控制后，若CHA和CHB兩通道任一轉速仍超過閾值，則FPGA不再讀取MCU向寄存器發送的控制指令，由FPGA進行表決，依據CHC通道采集的轉速頻率，獨立開展外部執行機構的控制功能，使應急動力裝置運行在既定的轉速范圍，實現應急動力裝置轉速的切換控制。

4? ? BIT功能設計

機內自測試（Build In Test，BIT）技術，作為機載電子設備進行故障檢測、隔離的重要手段，能夠通過對系統內部軟硬件的連續性監測和故障檢測，提高機載電子設備可測試性，減少設備維護費用。對于超轉保護系統來說，BIT功能設計主要包括采集電路BIT設計、控制狀態離散量BIT設計、保護邏輯BIT設計三部分。

4.1? ? 采集電路BIT設計

采集電路作為轉速控制功能實現的基礎，對三通道轉速采集電路均設計開路檢測BIT功能。將EMI濾波器后的頻率信號端與電源分壓接入比較器，當外部發生開路故障時，頻率信號正端接近于電源電壓，此時電壓比較器正端大于負端電壓，比較器輸出1；當外部未發生開路故障時，由于開路檢測通道上的低通濾波電路將比較器正端的交流信號幅值衰減到很低，此時比較器輸出為0，從而實現開路檢測功能。

4.2? ? 控制狀態離散量BIT設計

轉速控制離不開準確可靠的外部狀態離散量采集系統，本文所描述的超轉保護系統分別采用集成離散量輸入/輸出接口芯片和獨立離散量采集電路對涉及狀態控制的離散量輸入信號進行獨立采集，并由FPGA送入CPU進行軟件表決，采集原理如圖4所示。此外，考慮到測試性設計，在硬件PCB布板時進行了分立布局設計。

4.3? ? 保護邏輯BIT設計

超轉保護邏輯BIT用于檢測整個超轉保護系統邏輯功能是否正常。由CPU通過硬線使能BIT功能，通過總線向轉速采集測試寄存器寫入預設轉速，觸發超轉保護邏輯，由FPGA輸出預設的外部執行機構控制指令。通過對執行機構驅動輸出BIT及執行機構驅動回路電流回采，判斷超轉保護邏輯是否能夠有效運行。當超轉保護邏輯完成BIT檢測后，由CPU通過總線寄存器使能FPGA應急動力裝置超轉保護功能，周期BIT中則不再進行保護邏輯BIT測試。

5? ? 功能驗證

當判定為地面模式時，測試設備仿真波形如圖5所示。當啟動至轉速穩定后，通過外部注入超轉故障信號后，控制單元將外部執行機構置于安全態并鎖定，可以看出此時轉速快速下降且外部執行機構不因轉速下降到開啟閾值而重新開啟，依然保持鎖定狀態，從而驗證了地面模式的鎖定功能。當使能設備上的手動復位后，控制單元重新使能控制指令，使轉速重新穩定到預設控制范圍內。

當判定為空中模式時，測試設備仿真波形如圖6所示。當啟動至轉速穩定后，首次注入超轉故障信號后，使能超轉保護邏輯的切換控制邏輯，外部執行機構的控制對象發生變化，保持轉速穩定在預設控制范圍內。當再次注入超轉故障后，可以看到控制單元控制外部執行機構運行在規律的控制邏輯中，與設計的邏輯規律一致，可滿足系統的設計要求。

6? ? 結語

本文針對基于傳統CPU的超轉保護系統的不足，提出了一種基于FPGA的應急動力裝置控制單元超轉保護系統的設計，通過高抗干擾的轉速采集方法和基于軟件、硬件、邏輯的BIT檢測方法，進一步提升了系統的可靠性和安全性，并具有較強的通用性和實用性，對應急動力裝置控制單元超轉保護系統的設計具有一定的借鑒意義，可結合系統實際，經過必要的裁剪加以應用。

[參考文獻]

[1] 王浩，楊恒輝，盧玉芳.飛機第二動力系統技術綜述[J].信息系統工程，2014（4）：38-39.

[2] 張瑩.輔助動力裝置全權限數字電子控制技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[3] 江群，王道波，李猛.渦輪動力裝置閉環仿真試驗器的設計與應用[J].燃氣渦輪試驗與研究，2010，23（1）：55-58.

[4] 錢小娟.組合動力裝置控制技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[5] 蘭先一，黃佑，黃平，等.液壓系統對應急動力裝置的影響及對策[J].機床與液壓，2008，36（12）：203-204.

收稿日期：2023-02-10

作者簡介：黃新陽（1990—），男，陜西西安人，碩士研究生，工程師，研究方向：計算機應用。