基于DSP和CAN的航空发动机分布式控制系统设计与实现

吴冬

（西安航空职业技术学院陕西西安710089）

航空发送机控制系统主要是在整个飞行包线中作用，并且也在发送机气动、机械设计及热力限制之内及发送机的所有功率范围中，根据油门杆的指令及外界的干扰利用控制器对控制量进行改变，比如尾喷口的面积、供油量等，从而保证发送机的被控量和常数相同，或者根据预定功率的变化使发送机在工作过程中能够可靠、安全且稳定，并且提高自身的性能。提高控制系统质量在促进发送机使用及发展过程中具有重要的作用。目前，航空发动机控制系统已经由纯铜的机械液压系统朝着数字化控制方式的方向转变。在八十年代中，国外已经将全权限数字电子控制系统装备在发动机中使用，国内相关方面的研究正在不断地发展，也逐渐投入试飞验证。发动机数字控制在充分发挥发动机性能千里、降低驾驶员负担、提高飞机性能及控制系统可靠性的过程中都具有明显的优势。为了能够进一步的提高航空发送机分布式控制系统的工作效率，本文就设计了基于DSP和CAN的航空发动机分布式控制系统。

1 分布式控制系统的结构及功能

现在大部分航空发动机控制系统都是使用集中的结构，详见图1。

图1 传统集中式控制系统的结构

其中数字电子控制（FADEC）和发动机现场执行机构及传感器的输出和输入装置相互连接，现场装置不具有处理控制的作用，利用连线能够和数字电子控制传递信号，通过数字电子控制实现全部处理控制的功能，包括高级和低级的功能，比如信息的收集和处理、信号输出的控制、控制算法运算、参数的显示、实现飞机接口、故障诊断、状态监控及安全保护等[1]。

分布式控制系统将低级处理功能从数字电子控制中下放到现场执行结构及传感器中，数字电子控制只是能够完成高级的功能，在传感器和执行机构中安装微处理器，使其能够智能化，并且利用数据总线和数字电子控制相互通讯，详见图2。

智能传感器能够将测量之后的信号转变成为数字化的信号，并且将信号为数字电子控制提供。智能传感器的主要目的就是能够实现低级的功能，比如激发、冗余管理、解调和解码、数据总线接口。使用智能传感器替代数字电子控制，能够降低电缆重量[2]。

图2 现代化分布式控制系统的结构

智能执行机构能够从数字电子控制中接受到位置的指令，实现执行结构的闭环控制。智能执行结构的主要目的也是实现低级的功能，比如冗余管理、闭环反馈、内测试、操作模式控制等。

数字电子控制的主要目的就是实现高级功能的执行，比如总线仲裁、控制计划及发送命令等，其能够利用冗余数据总线连接智能装置，智能装置工地那是利用冗余分布式电源实现[3]。

2 航空发动机的分布式控制系统的硬件设计

2.1 CAN总线

本文所设计的航空发送机分布式控制系统使用CAN总线能够有效满足航空发送机的可靠性，并且还能够有效提高系统的实时响应、抗干扰能力、通讯速率，降低装置重量，提高系统的扩展性。上位机利用在主板中安装的CAN卡在CAN总线中安装，CAN卡的操作就是对CAN控制器中寄存器的操作，对卡中段址进行拨动，能够读开关段址进行选择，就能够利用段址和偏址两者相互融合的方式对寄存器进行访问，通过查询的方式实现数据的发送机接受。

其中的各个智能单元及CAN总线结构都是CAN模块，其能够和系统中使用的标准相互兼容，并且其中的邮箱都是相互独立的，其中的接收屏蔽寄存器也是相互独立的，通过邮箱能够实现数据的发送及接收[4]。

2.2 智能传感器及执行机构的设计

通过内置DSP芯片目标板能够降低硬件的成本和开发的复杂度，也能够便于原理性智能单元的创建。此目标板中具有F2541芯片，其能够实现扩展，并且软件也能够在此平台中运行，其中具有DSP扩展引脚，便于用户外搭电路的创建。

2.2.1 智能温度传感器

对航空发动机涡轮温度进行测量一般通过K型热电偶实现，此种类型的热电偶性能较为稳定，并且价格较低，电势比较大，在0～1200℃测量温度中，K型温度传感器输出电压信号为0～48.8 mV。因为DSP目标板中的A/D端口输入信号的范围为0～3 V，所以传感器的信号无法对A/D端直接的传输，所有就要使用调节电路实现电压的匹配[5]。图3为智能温度传感器的结构图。

图3 智能温度传感器的结构图

2.2.2 智能位置控制器

发动机尾喷口面积、燃油量及压气机的导叶片角度都要利用调节作动筒中的连接杆位置进行控制，目前控制系统中的调节作动筒的方式主要包括两种，第一种为通过步进电机实现，第二种为利用点液伺服阀使液压缸进行运动。本文通过Pnasonic交流伺服电机对作动筒的连杆位置进行控制。

航空发动机智能执行机构要能够有效满足闭环反馈控制、余度管理、自动校正、自动诊断、操作模式控制等多种功能。其交流伺服电机驱动器能够实现模拟信号及PWM信号的输入，并且获得位置反馈信号，以此有效实现闭环控制[6]。图4为智能化位置控制器的结构示意图。

图4 智能化位置控制器的结构示意图

2.2.3 上位机

通过EEC能够充分使用PC机中的丰富的软件及硬件资源，为了能够有效满足航空发动机在20 ms控制周期中的需求，工控机就要具有硬件作为中断源，要求此中断源具有能够调节定时周期的中断信号。本文通过采集卡PCL实现，其具有外部触发、中断触发及软触发3种方式，在中断触发方式的时候，A/D转换结束之后将中断信号对CPU发送，这个好时候CPU要实现此中断信号的相应。将A/D转换结束之后发出的中断信号换成航空发动机控制周期信号，CPU就会对此中断信号响应，之后进入到控制周期中[7]，图5为上位机的设计流程。

图5 上位机的设计流程

3 航空发电机分布式控制系统的软件设计

3.1 分布式控制系统的底层CAN协议

分布式控制系统的底层CAN协议通过DSP的CAN模型硬件实现，这是分布式控制系统中的主要内容。系统高层协议软件设计过程中主要包括时间同步、仲裁窗口容错设计及事件发送等关键内容，图6为分布式控制系统总线的同步原理，针对系统时间同步软件的设计，可以使用16位T1定时器作为本地的定时器，并且每个帧的报文SOF信号在触发的过程中要对T1定时器的值进行捕获。充分使用DSP处理器的资源，使用定期器比较中断方式实现报文的收发，处理器只处于适当时间才能够对CAN模块发送指令[8]。

图6 分布式控制系统总线的同步原理

在某个节点进入到定时器的时候中断服务程序的时候，就会对消息矩阵中的相应发送及接收报文操作进行执行，在完成操作之后根据某个时间标记对矩阵操作进行更新[9]，图7为分布式控制系统总线中的时间同步方式。

图7 时间同步方式

3.2 上位机软件设计

图8 为上位机主程序的流程图，图9为中断服务程序的流程，通过图8和图9可以看出来，将软件设计成为前后台的系统，主程序能够实现无限的循环，在循环过程中对函数的功能进行调用，这就是前台的行为。程序处理实时事件的终端为从总线中取出智能传感器的实时信号，对智能执行机构实现控制命令的发送，并且对故障进行处理[10]。

图8 上位机主程序的流程图

3.3 智能温度传感器和位置控制器

图9 中断服务程序的流程

智能温度传感器的主要功能为自检、收集信号、非线性矫正、滤波、温度补偿、总线通讯及实时的故障检测，其功能都是通过目标板软件实现。如果系统发现异常，那么就要对总线发送故障信号；温度信号的变化较为缓慢，所以不需要使用较为复杂滤波器实现，可以使用无线冲击相应数字滤波器；热电偶属于较大惯性元件，具有较大的延迟，输出信号较为缓慢，所以通过牛顿等距差值取点法对测量值进行预测[11-12]。

智能控制器的软件流程为：在其接收到总线传送的控制信号时候就进入到电机驱动器中，主程序为无限循环，在循环过程中要不断的对接受到电机驱动器反馈信号进行故障诊断，从而找到故障对总线发出故障信号[13]。

4 系统测试

通过本文设计，创建基于DSP和CAN的航空发动机分布式控制系统的实验平台，详见图10。通过图10可以看出来，控制系统中的智能传感器及执行机构都在总线中，利用点对点通讯模式实现数据交换。根据传感器和执行机构创建过度分布式系统总线消息矩阵，将系统最低需求作为基础，并且还要考虑控制功能中需要实现的信号，之后对监控信号进行传输。假设能够对计算时间进行合理的安排，实现总线数据的连续传输，从而提高系统可靠性[14-15]。

图10 航空发动机分布式控制系统测试平台

通过实验结果表示，每个数据报文都能够根据消息矩阵规定的时间窗进行接收和发送，并且数据的接收和发送正常，所有节点都能够根据系统正常工作[16]。

5 结束语

本文创建了基于DSP和CAN的航空发动机分布式控制系统设计，并且实现了分布式系统软件，结构化的设计软件便于系统的扩展和升级，系统之间单位能够相互协调，能够有效满足系统的分布式功能需求，实现了航空发动机分布式控制系统的可靠运行，为进一步的相关研究打下了相好的基础。