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,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(guò)開(kāi)關(guān)指令快速啟動(dòng),為飛機(jī)提供應(yīng)急電源和液壓源。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(cè)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(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)或開(kāi)度大小,以保證渦輪軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

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(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng),通過(guò)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(cè)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。

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(cè)功能,并通過(guò)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(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)獨(dú)立轉(zhuǎn)速采集及BIT監(jiān)測(cè)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(cè)量

2..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(kāi)路檢測(cè)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(guò)濾波電路濾除外部高頻干擾信號(hào)。隨后,通過(guò)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(guò)高的輸入信號(hào)將電路損壞。最終,通過(guò)放大電路將信號(hào)調(diào)理放大送入比較電路,將類(lèi)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(cè)量。

2.2FPGA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(cè)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(guò)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(cè)功能,當(dāng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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。

4BlT功能設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)自測(cè)試(Bui1dInTest,BIT)技術(shù),作為機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)、隔離的重要手段,能夠通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部軟硬件的連續(xù)性監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè),提高機(jī)載電子設(shè)備可測(cè)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(lái)說(shuō),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BlT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(kāi)路檢測(cè)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(kāi)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l:當(dāng)外部未發(fā)生開(kāi)路故障時(shí),由于開(kāi)路檢測(cè)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(kāi)路檢測(cè)功能。

4.2控制狀態(tài)離散量BlT設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速控制離不開(kāi)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(cè)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BlT設(shè)計(jì)

超轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯BIT用于檢測(cè)整個(gè)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)邏輯功能是否正常。由CPU通過(guò)硬線(xiàn)使能BIT功能,通過(guò)總線(xiàn)向轉(zhuǎn)速采集測(cè)試寄存器寫(xiě)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(guò)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(cè)后,由CPU通過(guò)總線(xiàn)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(cè)試。

5功能驗(yàn)證

當(dāng)判定為地面模式時(shí),測(cè)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(guò)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(kāi)啟閾值而重新開(kāi)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(cè)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(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)語(yǔ)

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(guò)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(cè)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(guò)必要的裁剪加以應(yīng)用。