馮雷星，王劍影，劉縱橫

(空軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無(wú)錫 214063)

1 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)使用的模擬式溫度控制器(以下簡(jiǎn)稱模擬溫控)，是引進(jìn)專利技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的產(chǎn)品。由于該型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)年代早，受限于當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)水平，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高。其突出問(wèn)題是防喘通道交流伺服電機(jī)輸出力矩不夠，經(jīng)常造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡死，引起防喘控制異常；在使用中多次出現(xiàn)超溫虛警故障并引起發(fā)動(dòng)機(jī)切油，造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和轉(zhuǎn)速突降。此外，由于模擬溫控不具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和通訊功能，還存在出現(xiàn)故障后很難定位等問(wèn)題。

為根本解決上述問(wèn)題，將模擬溫控進(jìn)行數(shù)字化研究成為迫切需求。本文通過(guò)研究溫度控制器的工作原理，以DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)為核心進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，在保證原有功能性能不變的基礎(chǔ)上，較好地解決了模擬溫控固有的不足，同時(shí)還增添了新的功能，提高了裝備的使用效能。

2 溫度控制器原理

溫度控制器主要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)防喘控制和溫度限制。防喘控制及溫度限制系統(tǒng)主要由溫度控制器、防喘調(diào)節(jié)器(含交流伺服電機(jī)、位置傳感器和測(cè)速發(fā)電機(jī))、燃油調(diào)節(jié)器(含交流伺服電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī))、T1熱電偶、T3熱電偶、T6熱電偶、T6再調(diào)壓力開(kāi)關(guān)、12級(jí)再調(diào)壓力開(kāi)關(guān)、防喘故障指示燈、超溫告警指示燈和連接電纜組成[1]。

溫度控制器的信號(hào)來(lái)源主要為：①T1——發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度；②T3——高壓壓氣機(jī)出口溫度；③T6——渦輪排氣溫度；④防喘調(diào)節(jié)器作動(dòng)電機(jī)位置反饋(位置傳感器)；⑤防喘調(diào)節(jié)器作動(dòng)電機(jī)速度反饋(測(cè)速發(fā)電機(jī))；⑥燃油調(diào)節(jié)器作動(dòng)電機(jī)速度反饋(測(cè)速發(fā)電機(jī))；⑦T6給定值開(kāi)關(guān)信號(hào)。

溫度控制器的防喘控制和溫度限制功能，分別由防喘控制通道(IGV)和燃油限制通道(CASC)實(shí)現(xiàn)。防喘控制通道的工作原理為：溫度控制器和防喘調(diào)節(jié)器共同作用，隨T1的變化修正高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度和放氣活門位置。防喘控制通道根據(jù)T1熱電偶信號(hào)與位置傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，誤差信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至誤差消除。為使控制迅速穩(wěn)定，控制回路中引入了測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)作為反饋。

燃油限制通道的工作原理為：溫度控制器和燃油調(diào)節(jié)器共同作用，修正燃油流量調(diào)節(jié)器輸出燃油流量，防止T3、T6超溫。溫度控制器根據(jù)T3信號(hào)與預(yù)先給定值作比較，誤差信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后作為控制律的一個(gè)輸入；T6信號(hào)的處理與T3信號(hào)類似，不同的是T6有三個(gè)預(yù)先給定值，并由T6給定值開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行選擇，T6信號(hào)與選擇的預(yù)先給定值的差值經(jīng)預(yù)處理后作為控制律的另一個(gè)輸入，最終選擇兩個(gè)輸入中差值大的輸入控制交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)燃油流量輸出，使T3、T6均不超過(guò)給定值。

3 數(shù)字化設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

數(shù)字式溫度控制放大器(以下簡(jiǎn)稱數(shù)字溫控)按照模擬溫控的功能，利用目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的數(shù)字電子控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在解決模擬溫控不足的基礎(chǔ)上，增加故障檢測(cè)及處理、歷程及故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與地面保障設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊等功能。

數(shù)字溫控以DSP為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬信號(hào)源經(jīng)放大、濾波處理后，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給DSP采集。開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)隔離、濾波處理后送入DSP的IO管腳供采集。針對(duì)模擬溫控防喘通道交流伺服電機(jī)輸出力矩不夠的問(wèn)題，采用同步觸發(fā)式正弦波脈沖寬度調(diào)制(SPWM)單相交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法，選用MOS管(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)替代可控硅，設(shè)計(jì)智能控制算法，保證交流伺服電機(jī)控制輸出力矩達(dá)到要求[2]。

防喘控制通道的控制采用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，其原理如圖1所示。圖中W1(S)、W2(S)和W3(S)均為控制函數(shù)。數(shù)字溫控采集發(fā)動(dòng)機(jī)T1，與防喘調(diào)節(jié)器內(nèi)伺服電機(jī)位置對(duì)應(yīng)的位置傳感器輸出折算成溫度后的信號(hào)T1_IGV做偏差，經(jīng)W1(S)環(huán)節(jié)計(jì)算出防喘調(diào)節(jié)器伺服電機(jī)的速度給定nT1_Cloop，并與測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)W2(S)環(huán)節(jié)計(jì)算的修正轉(zhuǎn)速信號(hào)nT1_fb做偏差，計(jì)算結(jié)果nIGV_in根據(jù)W3(S)環(huán)節(jié)修正后，獲得伺服電機(jī)的控制信號(hào)mIGV，通過(guò)PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制防喘調(diào)節(jié)器，形成完整的閉環(huán)控制回路[3]。

圖1 防喘控制通道的閉環(huán)控制原理圖Fig.1 Principle diagram of anti-surge control

燃油限制通道的控制也采用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，其控制原理如圖2所示。圖中W4(S)、W5(S)、W6(S)和W7(S)均為控制函數(shù)。T6(或T3)通道根據(jù)給定的基準(zhǔn)值T6_Blc(或 T3_Blc)與T6(或T3)信號(hào)的偏差 T6_Delt(或T3_Delt)，分別經(jīng)W4(S)、W5(S)環(huán)節(jié)計(jì)算出燃油流量調(diào)節(jié)器伺服電機(jī)速度給定后進(jìn)行低選，低選值n_Low與測(cè)速發(fā)電機(jī)經(jīng)W7(S)環(huán)節(jié)計(jì)算的修正轉(zhuǎn)速信號(hào)nCASC_fb做偏差，計(jì)算結(jié)果nCASC_in根據(jù)W6(S)環(huán)節(jié)修正后，獲得控制電機(jī)的控制信號(hào)mCASC，通過(guò)PWM輸出驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制燃油調(diào)節(jié)器，形成完整的閉環(huán)控制回路。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

圖2 燃油限制通道的閉環(huán)控制原理圖Fig.2 Principle diagram of fuel limit control

數(shù)字溫控硬件電路部分由兩塊電路板、一個(gè)變壓器、一個(gè)電源濾波器及內(nèi)部電纜組成，在功能上可分為電源模塊、處理器模塊、輸入信號(hào)處理模塊、輸出及驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊。其原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字溫控硬件原理框圖Fig.3 Principle diagram of digital temperature controller hardware

3.2.1 電源模塊

數(shù)字溫控外部輸入的115 V/400 Hz單相交流電源經(jīng)濾波器處理，保證電源特性滿足GJB 151A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》中的CE102要求。濾波后的電源通過(guò)變壓器諸多次級(jí)繞組降壓后，經(jīng)整流變換成所需的各類二次直流電壓。

3.2.2 處理器模塊

處理器模塊由DSP、全程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通訊接口電路等組成，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、定時(shí)中斷、控制輸出、通訊等任務(wù)。DSP內(nèi)部集成了內(nèi)存、串行通訊、輸入捕獲、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字I/O和PWM等功能，大幅減少了元器件的數(shù)量[4]。

3.2.3 輸入信號(hào)處理模塊

輸入信號(hào)處理模塊接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)試設(shè)備的各個(gè)不同類型、不同信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器信號(hào)，包括熱電偶信號(hào)、位置傳感器信號(hào)、測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)、交流電源信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波、放大、整形、去抖等處理，把輸入信號(hào)調(diào)理成適合處理器模塊采集的信號(hào)，同時(shí)提供傳感器的激勵(lì)信號(hào)。

數(shù)字溫控對(duì)熱電偶信號(hào)、位置傳感器信號(hào)、測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)，采用軟件和硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行解調(diào)，簡(jiǎn)化了硬件電路，保證了信號(hào)處理的精度和抗干擾性能。

3.2.4 輸出及驅(qū)動(dòng)模塊

輸出及驅(qū)動(dòng)模塊將處理器模塊輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、緩沖或隔離處理，用以驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)、提供飛機(jī)座艙的指示信號(hào)或提供地面檢測(cè)裝置。

數(shù)字溫控采用半橋驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路元器件少、損耗低，內(nèi)部溫升也大幅降低。驅(qū)動(dòng)信號(hào)與控制信號(hào)相互隔離，大幅降低了驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)其它信號(hào)的干擾。高效率、低功耗的設(shè)計(jì)方式可有效保證驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

3.2.5 通訊模塊

通訊模塊利用DSP自帶SCI(串行接口)模塊，將信號(hào)通過(guò)高速光耦隔離后再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與外部進(jìn)行RS422通訊，實(shí)現(xiàn)與外部交換信息，完成調(diào)整基準(zhǔn)值、更新控制軟件、下載歷程數(shù)據(jù)等功能。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字溫控控制軟件主要完成以下功能：①SP?WM/PWM信號(hào)調(diào)制；②T1通道和T3/T6通道邏輯控制；③輸入信號(hào)的采集及濾波；④輸出SPWM/PWM信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)；⑤對(duì)數(shù)字溫控硬件進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)傳感器進(jìn)行故障診斷并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)重構(gòu)；⑥全程數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；⑦與外部通訊設(shè)備通訊；⑧在線基準(zhǔn)值調(diào)整；⑨可調(diào)整參數(shù)修改。

數(shù)字溫控控制軟件的外部接口如圖4所示，軟件主要功能和軟件結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示[5]。

圖4 數(shù)字溫控控制軟件外部接口Fig.4 Digital temperature controller software interface

圖5 控制軟件層次結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Digital temperature controller software framework

4 結(jié)束語(yǔ)

采用數(shù)字化設(shè)計(jì)的溫度控制器，應(yīng)用實(shí)踐表明：該產(chǎn)品能完成替代原模擬式溫度控制器，從根本上解決了原有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低的問(wèn)題；在性能上顯著提高了防喘通道交流伺服電機(jī)輸出力矩；改進(jìn)了外場(chǎng)標(biāo)定方法，標(biāo)定效率提高約20%；同時(shí)增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取和故障診斷等功能，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)排故效率，具有較高的軍事、經(jīng)濟(jì)效益。

[1]FWK-2模擬溫度控制放大器技術(shù)說(shuō)明書[M].西安：西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，1999.

[2]楊 旭.基于DSP的電機(jī)控制系統(tǒng)的研究及其應(yīng)用[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[3]朱立圣.直流電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[4]戴明楨.TMS320C54x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C54x系列DSP指令和編程指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.