黃新陽 程旭 喻鳴

摘要：提出一種基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用三余度采集、控制架構(gòu)，通過軟件及邏輯表決控制單元及BIT檢測單元，進(jìn)一步提升了超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。相較于傳統(tǒng)的基于CPU的轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)，其具備并行處理、運(yùn)算速度快、功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)能釋放大量CPU資源。該設(shè)計(jì)具備較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性，對(duì)應(yīng)急動(dòng)力裝置電子控制單元的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考借鑒意義。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急動(dòng)力裝置；超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯；BIT設(shè)計(jì)

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

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

0? ? 引言

應(yīng)急動(dòng)力裝置是以燃料分解產(chǎn)生的熱燃?xì)饣虬l(fā)動(dòng)機(jī)引氣為動(dòng)力源的渦輪動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)故障、主電源故障或主液壓源故障時(shí)，通過開關(guān)指令快速啟動(dòng)，為飛機(jī)提供應(yīng)急電源和液壓源[2]。為了保證渦輪動(dòng)力裝置及其負(fù)載的安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，必須可靠地監(jiān)測渦輪軸轉(zhuǎn)速，并據(jù)此快速、準(zhǔn)確地控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)時(shí)機(jī)或開度大小，以保證渦輪軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)[3-4]。

超轉(zhuǎn)保護(hù)功能作為應(yīng)急動(dòng)力裝置必要的安全功能之一，是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制的前提保證。本文提出了一種基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)多通道并行采集、軟件與邏輯獨(dú)立、并行控制及BIT測試功能，具備高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，可保證在超轉(zhuǎn)故障初期進(jìn)行有效的隔離保護(hù)，從而降低單點(diǎn)故障和共模故障造成的應(yīng)急動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速控制失效的風(fēng)險(xiǎn)，避免造成渦輪裝置結(jié)構(gòu)損傷及飛行安全[5]。

1? ? 超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中采用三余度獨(dú)立轉(zhuǎn)速采集和控制架構(gòu)，原理架構(gòu)如圖1所示。

其中，CHA和CHB兩通道分別應(yīng)用于兩路相互獨(dú)立的轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)的采集，均可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立轉(zhuǎn)速采集及BIT監(jiān)測功能，并通過軟件實(shí)現(xiàn)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的切換控制，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制。第三路CHC通道應(yīng)用于獨(dú)立于前兩路轉(zhuǎn)速傳感器輸出頻率信號(hào)的采集，同樣可通過FPGA實(shí)現(xiàn)獨(dú)立轉(zhuǎn)速采集及BIT監(jiān)測功能，在軟件控制失效時(shí)，能替代主控單元實(shí)現(xiàn)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的切換控制，最終控制應(yīng)急動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某個(gè)預(yù)期的控制區(qū)間內(nèi)。

2? ? 轉(zhuǎn)速信號(hào)測量

2.1? ? 轉(zhuǎn)速采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、調(diào)理和解析是超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)速采集調(diào)理電路由低通濾波電路、預(yù)處理電路、放大比較電路組成，單通道轉(zhuǎn)速信號(hào)采集原理及開路檢測原理框圖如圖2所示。

轉(zhuǎn)速采集原理是將轉(zhuǎn)速傳感器頻率信號(hào)首先通過濾波電路濾除外部高頻干擾信號(hào)。隨后，通過預(yù)處理電路將轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理成一定幅值的非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，可以防止當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，過高的輸入信號(hào)將電路損壞。最終，通過放大電路將信號(hào)調(diào)理放大送入比較電路，將類正弦的轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理成與轉(zhuǎn)速傳感器輸出同頻的方波信號(hào)，并送入FPGA進(jìn)行采集測量。

2.2? ? FPGA采集功能設(shè)計(jì)

考慮到應(yīng)急動(dòng)力裝置齒輪箱齒輪的工藝特性，在FPGA中采用高頻脈沖計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率的采集，并設(shè)置采集的頻率量范圍下限。高頻計(jì)數(shù)法的原理是采用高頻脈沖對(duì)以多個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖為周期的脈沖群進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將結(jié)果存入寄存器，由CPU對(duì)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行讀取解算，并與頻率量范圍下限進(jìn)行比較判斷，確認(rèn)為有效頻率后，得出最終采集頻率。

同時(shí)，考慮到頻率輸入信號(hào)的高頻干擾和渦輪轉(zhuǎn)速的變化特性，在對(duì)脈沖群進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)，同步對(duì)脈沖群中每個(gè)脈沖進(jìn)行單獨(dú)采集，將同周期范圍內(nèi)差異較大的脈沖計(jì)數(shù)剔除，提高頻率采集的抗干擾能力。

3? ? 超速保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)

在控制單元完成BIT檢測后，由CPU配置FPGA寄存器使能超轉(zhuǎn)保護(hù)功能，超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

當(dāng)軟件判斷為地面模式時(shí)，由軟件進(jìn)行表決，且當(dāng)采集到CHA和CHB兩通道任一轉(zhuǎn)速超過閾值時(shí)，則CPU控制FPGA將外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)置于安全態(tài)并鎖定，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)；FPGA作為頻率采集單元，同步執(zhí)行轉(zhuǎn)速監(jiān)測功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超過軟件保護(hù)閾值仍未收到保護(hù)指令時(shí)，則超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)同樣將外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)置于安全態(tài)并鎖定，實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)。以上兩種工況下，非控制單元下電或外部手動(dòng)復(fù)位不可清除鎖定狀態(tài)。

當(dāng)軟件判斷為空中模式時(shí)，由軟件進(jìn)行表決，且當(dāng)采集到CHA和CHB兩通道任一轉(zhuǎn)速超過閾值時(shí)，則CPU控制FPGA對(duì)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行不可逆的切換控制，實(shí)現(xiàn)降級(jí)控制，隔離外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。此時(shí)，控制指令不會(huì)被鎖定。切換控制后，若CHA和CHB兩通道任一轉(zhuǎn)速仍超過閾值，則FPGA不再讀取MCU向寄存器發(fā)送的控制指令，由FPGA進(jìn)行表決，依據(jù)CHC通道采集的轉(zhuǎn)速頻率，獨(dú)立開展外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能，使應(yīng)急動(dòng)力裝置運(yùn)行在既定的轉(zhuǎn)速范圍，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速的切換控制。

4? ? BIT功能設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)自測試（Build In Test，BIT）技術(shù)，作為機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行故障檢測、隔離的重要手段，能夠通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部軟硬件的連續(xù)性監(jiān)測和故障檢測，提高機(jī)載電子設(shè)備可測試性，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。對(duì)于超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)來說，BIT功能設(shè)計(jì)主要包括采集電路BIT設(shè)計(jì)、控制狀態(tài)離散量BIT設(shè)計(jì)、保護(hù)邏輯BIT設(shè)計(jì)三部分。

4.1? ? 采集電路BIT設(shè)計(jì)

采集電路作為轉(zhuǎn)速控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，對(duì)三通道轉(zhuǎn)速采集電路均設(shè)計(jì)開路檢測BIT功能。將EMI濾波器后的頻率信號(hào)端與電源分壓接入比較器，當(dāng)外部發(fā)生開路故障時(shí)，頻率信號(hào)正端接近于電源電壓，此時(shí)電壓比較器正端大于負(fù)端電壓，比較器輸出1；當(dāng)外部未發(fā)生開路故障時(shí)，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(hào)幅值衰減到很低，此時(shí)比較器輸出為0，從而實(shí)現(xiàn)開路檢測功能。

4.2? ? 控制狀態(tài)離散量BIT設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速控制離不開準(zhǔn)確可靠的外部狀態(tài)離散量采集系統(tǒng)，本文所描述的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)分別采用集成離散量輸入/輸出接口芯片和獨(dú)立離散量采集電路對(duì)涉及狀態(tài)控制的離散量輸入信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立采集，并由FPGA送入CPU進(jìn)行軟件表決，采集原理如圖4所示。此外，考慮到測試性設(shè)計(jì)，在硬件PCB布板時(shí)進(jìn)行了分立布局設(shè)計(jì)。

4.3? ? 保護(hù)邏輯BIT設(shè)計(jì)

超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯BIT用于檢測整個(gè)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)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(zhuǎn)速采集測試寄存器寫入預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，觸發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯，由FPGA輸出預(yù)設(shè)的外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令。通過對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輸出BIT及執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路電流回采，判斷超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯是否能夠有效運(yùn)行。當(dāng)超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯完成BIT檢測后，由CPU通過總線寄存器使能FPGA應(yīng)急動(dòng)力裝置超轉(zhuǎn)保護(hù)功能，周期BIT中則不再進(jìn)行保護(hù)邏輯BIT測試。

5? ? 功能驗(yàn)證

當(dāng)判定為地面模式時(shí)，測試設(shè)備仿真波形如圖5所示。當(dāng)啟動(dòng)至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，通過外部注入超轉(zhuǎn)故障信號(hào)后，控制單元將外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)置于安全態(tài)并鎖定，可以看出此時(shí)轉(zhuǎn)速快速下降且外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)不因轉(zhuǎn)速下降到開啟閾值而重新開啟，依然保持鎖定狀態(tài)，從而驗(yàn)證了地面模式的鎖定功能。當(dāng)使能設(shè)備上的手動(dòng)復(fù)位后，控制單元重新使能控制指令，使轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定到預(yù)設(shè)控制范圍內(nèi)。

當(dāng)判定為空中模式時(shí)，測試設(shè)備仿真波形如圖6所示。當(dāng)啟動(dòng)至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，首次注入超轉(zhuǎn)故障信號(hào)后，使能超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯的切換控制邏輯，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制對(duì)象發(fā)生變化，保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在預(yù)設(shè)控制范圍內(nèi)。當(dāng)再次注入超轉(zhuǎn)故障后，可以看到控制單元控制外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行在規(guī)律的控制邏輯中，與設(shè)計(jì)的邏輯規(guī)律一致，可滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

6? ? 結(jié)語

本文針對(duì)基于傳統(tǒng)CPU的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的不足，提出了一種基于FPGA的應(yīng)急動(dòng)力裝置控制單元超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過高抗干擾的轉(zhuǎn)速采集方法和基于軟件、硬件、邏輯的BIT檢測方法，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性，并具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性，對(duì)應(yīng)急動(dòng)力裝置控制單元超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義，可結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際，經(jīng)過必要的裁剪加以應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王浩，楊恒輝，盧玉芳.飛機(jī)第二動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)綜述[J].信息系統(tǒng)工程，2014（4）：38-39.

[2] 張瑩.輔助動(dòng)力裝置全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[3] 江群，王道波，李猛.渦輪動(dòng)力裝置閉環(huán)仿真試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2010，23（1）：55-58.

[4] 錢小娟.組合動(dòng)力裝置控制技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[5] 蘭先一，黃佑，黃平，等.液壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)急動(dòng)力裝置的影響及對(duì)策[J].機(jī)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(jì)算機(jī)應(yīng)用。