蔣文堅

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院,西安 710300)

0 引 言

為了實現環(huán)境控制和熱能管理，現代小型民用飛機中環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱管理系統(tǒng)中包括大量由電機拖動的閥門[1]。傳統(tǒng)電動閥門采用普通有刷直流電機作為驅動，該類電機由于自身壽命短、控制精度低等缺點，限制了閥門的高精度閉環(huán)應用[2]。新一代電動閥門采用無刷電機作為驅動，雖解決了壽命短的問題，但無刷電機在低速時控制精度不高，無法實現精確角度調節(jié)[3]。根據民用飛機適航準則對成品可靠性、啟閉角度可控性及環(huán)境要求的不斷提高，目前生產的電動閥門很難滿足新研飛機的要求，為此新一代民用飛機采用步進電機作為閥門的驅動源，提高產品的可靠性要求[4]。

步進電機的本質為一種將電脈沖信號轉化為相應角位移的執(zhí)行機構，具備控制精度高，控制方式靈活方便等特點[5]。在非超載的情況下，通過控制個數和脈沖頻率實現伺服閥門位置和轉速的精確調節(jié)[6]。步進電機主要有反應式、永磁和混合式三種結構，混合式步進電機綜合了其他兩類電機的優(yōu)點，具備步距角小、高分辨率、高響應頻率、高運行效率的優(yōu)點[7-8]，相同體積情況下，輸出的轉矩最大，因此目前普遍選用兩相混合式步進電機作為電驅伺服閥動力裝置。

針對兩相混合式步進電機伺服控制系統(tǒng)，設計了一種基于FPGA的步進電機伺服閥控制器，驅動飛機環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱能量管理系統(tǒng)的氣、液活門轉動，達到控制各網絡節(jié)點流量、壓力、溫度的功效，實現飛機環(huán)境溫度、壓力和熱能量的調整。同時，考慮到飛機系統(tǒng)的可靠性需求，本文還設計了相應的電機過流保護機制。

1 系統(tǒng)總體設計

步進電機伺服系統(tǒng)在民用飛機環(huán)境控制和燃油熱管理系統(tǒng)的交聯(lián)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由飛管總線、環(huán)境控制或燃油熱管理系統(tǒng)和步進電機控制系統(tǒng)組成。

圖1 步進電機伺服系統(tǒng)控制交聯(lián)圖

從上圖可以看出，飛機環(huán)境控制系統(tǒng)、燃油熱管理系統(tǒng)通過讀取相關傳感器數據，實時解算出需要調節(jié)的氣液閥門角度、轉速等狀態(tài)信息，并將控制命令上傳至飛機管理總線。隨后，總線控制器將上位機接收到的電機轉動控制命令發(fā)送給步進電機控制系統(tǒng)，通過SPI串行通訊方式，將控制命令下發(fā)至FPGA單元。最后，根據接收到的控制指令等相關信息，FPGA產生固定的脈沖序列，用以驅動電機轉動到預定位置，實現閥門開角的控制，最終完成飛機系統(tǒng)環(huán)境溫度調節(jié)和熱能量管理功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

本文設計的兩相混合式步進電機控制系統(tǒng)硬件電路，主要由總線控制器CPU、電機控制器FPGA、雙H橋功率主回路、反時限保護電路、電流監(jiān)控電路和輸出監(jiān)控電路組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)框圖

總線控制器CPU與FPGA主要作用是實時采集電流跳閘信號、輸出狀態(tài)信號和電機電流信號，完成電機控制策略的實施。

其中，雙H橋功率主回路分別由功率離散量接口電路和功率離散量輸出電路組成；本設計中控制器產生的控制脈沖序列信號經過上、下橋驅動電路進行相應的放大來直接驅動作用在電機兩相繞組上的MOSFET場效應管開關，從而驅動電機轉動。另外，在反時限保護電路中，系統(tǒng)根據電流特性設置相應跳閘信號，用來保護后級輸出電路。最后，輸出監(jiān)控電路主要用于機上自動測試功能。

3 FPGA邏輯設計

3.1 邏輯總體設計

步進電機控制邏輯單元的控制框圖如圖3所示，主要實現步進電機的控制功能。

圖3 步進電機邏輯控制框圖

從圖3可以看出，通過SPI接口，總線控制器將接收到的電機轉動狀態(tài)信息以數據包的格式發(fā)送至FPGA邏輯控制單元，FPGA邏輯控制單元對接收到的控制命令進行數據包解析，從而控制步進電機以給定的轉速、轉向、轉動步數轉動。

在本設計中，FPGA邏輯主要由SPI接口、總線數據包解析、步進電機控制邏輯三部分組成，電機控制邏輯依據配置命令，實現8路步進電機驅動信號輸出。

3.2 SPI接口設計

SPI接口主要采用三線制進行數據傳輸，工作于全雙工從模式狀態(tài)，數據幀長度為16位，組成包頭識別碼+數據位的形式；采樣時刻設置成系統(tǒng)時鐘信號的下降沿，移位時刻設置成時鐘信號的上升沿，空閑狀態(tài)下該鐘信號默認輸出高電平，工作狀態(tài)中該時鐘信號默認輸出低電平。另外，SPI接口設計采用同步時序電路。

3.3 數據包解析設計

數據包解析邏輯主要是依據SPI接口收到的數據，完成相應數據的解析工作，繼而發(fā)送給步進電機控制單元實現必要的邏輯控制。數據包解析寄存器分配表如表1所示。

表1 數據解析寄存器分配表

本數據包長度為17位，其中1到16包數據為電機控制命令，第17包數據為電機轉動狀態(tài)反饋信息，每包數據由4位包頭和12位數據位組成。

3.4 步進電機控制設計

步進電機控制單元主要是根據數據包解析的結果來驅動步進電機轉動，圖4所示為步進電機狀態(tài)遷移圖，用于實現對步進電機轉動驅動信號的控制功能。

圖4 步進電機狀態(tài)轉換框圖

本設計中系統(tǒng)共配置八個狀態(tài)，其中step1～step4作為兩相四拍步進電機的驅動邏輯狀態(tài)；同時，在idle0～idle3這4種空閑狀態(tài)下，電機進入轉動狀態(tài)的驅動邏輯狀態(tài)。其中在步進電機驅動邏輯中，PWM斬波信號斬波頻率設置成10 kHz，設置死區(qū)時間為50 μs，根據電流反饋結果進行實時調整斬波占空比。步進電機控制單元依據啟動頻率寄存器和啟動步數寄存器實現步進電機的軟啟動加速曲線，通過調節(jié)斬波控制寄存器，最終實現對電機的恒流控制。

4 設計驗證

本文設計借助于步進電機力矩實驗設備測試步進電機控制系統(tǒng)在不同負載下的工作特性，電機參數如下：A、B相電阻4.6 Ω，步距角1.8°，最大失步轉速1250 Hz，電機驅動方式為兩相雙四拍。電機起動頻率從400 Hz以拋物線加速方式迅速上升至750 Hz，實驗通過RVDT信號采集檢測電機失步情況。圖5所示為電機A相電流和驅動信號控制波形。

圖5 A相電流及驅動信號

實驗結果證明，本文設計的控制系統(tǒng)能夠滿足飛機環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱管理系統(tǒng)對電驅伺服閥的性能要求。

5 結 語

針對現代民用飛機環(huán)境控制系統(tǒng)和燃油熱管理系統(tǒng)中電機拖動的閥門的可靠性和耐環(huán)境要求，本文設計了一種基于FPGA的步進電機伺服閥控制器，選用兩相混合式步進電機作為閥門的驅動源，利用FPGA強大數據的吞吐量、靈活的系統(tǒng)配置能力，完成多臺步進電機高精度伺服控制，實現飛機環(huán)境溫度、壓力和熱能量的調整。本設計電路設計簡潔，擴展性強，通用性好、可靠性高的特點，可廣泛應用與其他伺服控制系統(tǒng)。