发动机模拟式温度控制器的数字化研究

冯雷星，王剑影，刘纵横

(空军驻无锡地区军事代表室，江苏 无锡 214063)

1 引言

某型发动机使用的模拟式温度控制器(以下简称模拟温控)，是引进专利技术进行国产化的产品。由于该型产品的设计年代早，受限于当时的电子技术水平，产品结构复杂，故障率较高。其突出问题是防喘通道交流伺服电机输出力矩不够，经常造成执行机构卡死，引起防喘控制异常；在使用中多次出现超温虚警故障并引起发动机切油，造成发动机温度和转速突降。此外，由于模拟温控不具备数据采集、存储和通讯功能，还存在出现故障后很难定位等问题。

为根本解决上述问题，将模拟温控进行数字化研究成为迫切需求。本文通过研究温度控制器的工作原理，以DSP(数字信号处理器)为核心进行数字化设计，在保证原有功能性能不变的基础上，较好地解决了模拟温控固有的不足，同时还增添了新的功能，提高了装备的使用效能。

2 温度控制器原理

温度控制器主要实现发动机防喘控制和温度限制。防喘控制及温度限制系统主要由温度控制器、防喘调节器(含交流伺服电机、位置传感器和测速发电机)、燃油调节器(含交流伺服电机、测速发电机)、T1热电偶、T3热电偶、T6热电偶、T6再调压力开关、12级再调压力开关、防喘故障指示灯、超温告警指示灯和连接电缆组成[1]。

温度控制器的信号来源主要为：①T1——发动机进口温度；②T3——高压压气机出口温度；③T6——涡轮排气温度；④防喘调节器作动电机位置反馈(位置传感器)；⑤防喘调节器作动电机速度反馈(测速发电机)；⑥燃油调节器作动电机速度反馈(测速发电机)；⑦T6给定值开关信号。

温度控制器的防喘控制和温度限制功能，分别由防喘控制通道(IGV)和燃油限制通道(CASC)实现。防喘控制通道的工作原理为：温度控制器和防喘调节器共同作用，随T1的变化修正高压压气机进口导叶角度和放气活门位置。防喘控制通道根据T1热电偶信号与位置传感器输出信号进行比较，误差信号经转换后驱动交流伺服电机转动，直至误差消除。为使控制迅速稳定，控制回路中引入了测速发电机信号作为反馈。

燃油限制通道的工作原理为：温度控制器和燃油调节器共同作用，修正燃油流量调节器输出燃油流量，防止T3、T6超温。温度控制器根据T3信号与预先给定值作比较，误差信号经预处理后作为控制律的一个输入；T6信号的处理与T3信号类似，不同的是T6有三个预先给定值，并由T6给定值开关信号进行选择，T6信号与选择的预先给定值的差值经预处理后作为控制律的另一个输入，最终选择两个输入中差值大的输入控制交流伺服电机转动，调节燃油流量输出，使T3、T6均不超过给定值。

3 数字化设计

3.1 方案设计

数字式温度控制放大器(以下简称数字温控)按照模拟温控的功能，利用目前国内外先进的数字电子控制技术进行设计，在解决模拟温控不足的基础上，增加故障检测及处理、历程及故障数据存储、与地面保障设备的数据通讯等功能。

数字温控以DSP为核心进行设计，模拟信号源经放大、滤波处理后，再经AD转换为数字量，提供给DSP采集。开关信号经隔离、滤波处理后送入DSP的IO管脚供采集。针对模拟温控防喘通道交流伺服电机输出力矩不够的问题，采用同步触发式正弦波脉冲宽度调制(SPWM)单相交流伺服电机驱动方法，选用MOS管(场效应晶体管)替代可控硅，设计智能控制算法，保证交流伺服电机控制输出力矩达到要求[2]。

防喘控制通道的控制采用闭环控制实现，其原理如图1所示。图中W1(S)、W2(S)和W3(S)均为控制函数。数字温控采集发动机T1，与防喘调节器内伺服电机位置对应的位置传感器输出折算成温度后的信号T1_IGV做偏差，经W1(S)环节计算出防喘调节器伺服电机的速度给定nT1_Cloop，并与测速发电机的转速信号经W2(S)环节计算的修正转速信号nT1_fb做偏差，计算结果nIGV_in根据W3(S)环节修正后，获得伺服电机的控制信号mIGV，通过PWM(脉冲宽度调制)输出驱动伺服电机控制防喘调节器，形成完整的闭环控制回路[3]。

图1 防喘控制通道的闭环控制原理图Fig.1 Principle diagram of anti-surge control

燃油限制通道的控制也采用闭环控制实现，其控制原理如图2所示。图中W4(S)、W5(S)、W6(S)和W7(S)均为控制函数。T6(或T3)通道根据给定的基准值T6_Blc(或 T3_Blc)与T6(或T3)信号的偏差 T6_Delt(或T3_Delt)，分别经W4(S)、W5(S)环节计算出燃油流量调节器伺服电机速度给定后进行低选，低选值n_Low与测速发电机经W7(S)环节计算的修正转速信号nCASC_fb做偏差，计算结果nCASC_in根据W6(S)环节修正后，获得控制电机的控制信号mCASC，通过PWM输出驱动伺服电机控制燃油调节器，形成完整的闭环控制回路。

3.2 硬件设计

图2 燃油限制通道的闭环控制原理图Fig.2 Principle diagram of fuel limit control

数字温控硬件电路部分由两块电路板、一个变压器、一个电源滤波器及内部电缆组成，在功能上可分为电源模块、处理器模块、输入信号处理模块、输出及驱动模块、通讯模块。其原理框图如图3所示。

图3 数字温控硬件原理框图Fig.3 Principle diagram of digital temperature controller hardware

3.2.1 电源模块

数字温控外部输入的115 V/400 Hz单相交流电源经滤波器处理，保证电源特性满足GJB 151A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中的CE102要求。滤波后的电源通过变压器诸多次级绕组降压后，经整流变换成所需的各类二次直流电压。

3.2.2 处理器模块

处理器模块由DSP、全程数据存储器、通讯接口电路等组成，完成数据采集、数学运算、逻辑运算、数据存储、定时中断、控制输出、通讯等任务。DSP内部集成了内存、串行通讯、输入捕获、模数转换、数字I/O和PWM等功能，大幅减少了元器件的数量[4]。

3.2.3 输入信号处理模块

输入信号处理模块接收来自发动机和测试设备的各个不同类型、不同信号标准的传感器信号，包括热电偶信号、位置传感器信号、测速发电机信号、交流电源信号和开关量信号，对输入信号进行隔离、滤波、放大、整形、去抖等处理，把输入信号调理成适合处理器模块采集的信号，同时提供传感器的激励信号。

数字温控对热电偶信号、位置传感器信号、测速发电机信号，采用软件和硬件相结合的方式进行解调，简化了硬件电路，保证了信号处理的精度和抗干扰性能。

3.2.4 输出及驱动模块

输出及驱动模块将处理器模块输出的信号经过转换、缓冲或隔离处理，用以驱动交流伺服电机、提供飞机座舱的指示信号或提供地面检测装置。

数字温控采用半桥驱动方式进行SPWM信号驱动，驱动电路元器件少、损耗低，内部温升也大幅降低。驱动信号与控制信号相互隔离，大幅降低了驱动信号对其它信号的干扰。高效率、低功耗的设计方式可有效保证驱动电路的可靠性。

3.2.5 通讯模块

通讯模块利用DSP自带SCI(串行接口)模块，将信号通过高速光耦隔离后再通过电平转换芯片与外部进行RS422通讯，实现与外部交换信息，完成调整基准值、更新控制软件、下载历程数据等功能。

3.3 软件设计

数字温控控制软件主要完成以下功能：①SP⁃WM/PWM信号调制；②T1通道和T3/T6通道逻辑控制；③输入信号的采集及滤波；④输出SPWM/PWM信号和开关量信号；⑤对数字温控硬件进行检测、对传感器进行故障诊断并实现相应重构；⑥全程数据和故障数据存储；⑦与外部通讯设备通讯；⑧在线基准值调整；⑨可调整参数修改。

数字温控控制软件的外部接口如图4所示，软件主要功能和软件结构关系如图5所示[5]。

图4 数字温控控制软件外部接口Fig.4 Digital temperature controller software interface

图5 控制软件层次结构图Fig.5 Digital temperature controller software framework

4 结束语

采用数字化设计的温度控制器，应用实践表明：该产品能完成替代原模拟式温度控制器，从根本上解决了原有产品结构复杂、可靠性低的问题；在性能上显著提高了防喘通道交流伺服电机输出力矩；改进了外场标定方法，标定效率提高约20%；同时增加数据存储、读取和故障诊断等功能，提高了发动机排故效率，具有较高的军事、经济效益。

[1]FWK-2模拟温度控制放大器技术说明书[M].西安：西安航空发动机公司，1999.

[2]杨 旭.基于DSP的电机控制系统的研究及其应用[D].西安：西北工业大学，2004.

[3]朱立圣.直流电机闭环控制技术研究[D].南京：南京理工大学，2010.

[4]戴明桢.TMS320C54x DSP结构、原理及应用[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C54x系列DSP指令和编程指南[M].北京：清华大学出版社，2010.