基于DSP的机电作动器控制与状态监控系统设计

摘 要：现代先进飞机在对机电作动器有效控制的同时需要对机电作动器的状态进行监控。采用DSP芯片TMS320F28335设计多机电作动器实时监控系统。通过PWM控制方式实现对机电作动器的控制，DSP片上集成ADC模块及其前端预处理电路对系统中电流、电压信号的数据采集，CAN总线实现系统的分布式控制和数据共享。上位机对采集的数据进行处理，从而判定系统的工作状态。通过实验验证，系统可以实现对多个机电作动器的状态进行在线监控。

关键词：机电作动器 DSP 监控

中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（a）-0041-02

飞机作动系统逐步由传统的液压作动方式向电力作动方式转变[1-2]。为了提高电力作动系统的可靠性，国内外许多先进飞机采用多舵面，多余度的控制方式[3-4]，这一趋势导致机电作动器控制数量的增加。同时，现代先进飞机对安全性能要求的提高，对机电作动器可靠性的要求也不断提高。对多个机电作动器的有效控制以及状态的实时监控显得尤为重要。传统的检测方式包括定期检测和巡回检测等，难以满足系统安全性的要求[5]，为了提高工作效率、运行可靠性，设计了一种既能满足多个机电作动器的控制需求又能对其运行状态在线监控与分析的系统。

1 总体介绍

机电作动系统中的机电作动器通过CAN总线进行通信，从而实现各个机电作动器的协调控制，由于每个机电作动器采用相似结构，所以多机电作动系统的硬件设计主要是单个机电作动器的硬件设计。单个机电作动器的控制系统由控制器、光电隔离电路、驱动电路、电机、传动装置以及传感器组成。控制器采用TMS320F28335控制芯片。

2 系统硬件设计

机电作动器是由控制器，驱动电路、电机以及传动装置构成[6]，系统的硬件设计主要包括电源电路，数据采集电路，以及通信电路，从而实现对多机电作动系统的控制以及对其状态的监控。

2.1 电源电路

在机电作动系统中，DSP的I/O口供电电压为+3.3 V，内核供电电压为+1.9 V，电路的供电电压是+5 V，驱动电路中的IGBT管则需要+15 V的供电电压，所以电源电路需要提供的直流电压有+15 V，+5 V，+3.3 V，+1.9 V。将电网中的交流电通过整流、滤波、稳压电路转换成直流电，提供+15 V，+5 V电压。采用TPS73HD301芯片，它是一个双通道电压输出变换器，输入电压为+5 V，输出电压分别是+3.3 V和+1.9 V，满足了系统要求。

2.2 数据采集电路

F28335上集成16通道的ADC模块，实现对系统中电流电压等信息的采集。系统外部时钟配置为30 MHz，采样带宽是12.5 MSPS。传感器采集的信号多为模拟信号，而且信号噪声较大，一般不能被控制器直接使用，所以需要通过信号调理电路对这些传感器信号进行放大或者缩小，达到指定的范围内，然后送入到控制器A/D转换通道转换成数字信号。信号调理电路一般由放大器以及相关的滤波电容和滤波电阻组成，系统采用集成运算放大器OP4177。

2.3 通信电路

TMS320F28335上有两个加强型CAN总线模块eCAN，不仅可以实现机电作动器之间的通信的，同时还可以实现与上位机之间的通信。CAN总线和工控机之间的通信需要加入CAN/RS232协议转换接口卡。CAN总线控制器采用PHILIPS公司的SJA1000。CAN总线和CAN控制器之间通过接口电路相连，根据CAN总线通信协议进行信号的传送和接收。CAN总线接口芯片采用PHILIPS公司PCA82C50。

2.4 抗干扰设计

在硬件设计中常常需要考虑电磁干扰的问题，在该系统中采取的抗干扰措施主要包括：（1）在设计PCB板设计的时候，导线间、元器件之间的间隔稍大些，设计地线时数字信号地和模拟信号地分开；（2）采取隔离措施，采用隔离元器件将部分大功率器件进行隔离。（3）提高电源的抗干扰性，如采用滤波芯片。

3 系统软件设计

3.1 系统级控制

系统控制程序主要包括以下几个部分：系统初始化程序、中断子程序、EV模块数据采集子程序、ADC模块数据采集子程序、状态数据分析子程序、数据传输子程序。

3.2 信号处理

系统采集的信号噪声较大，需要对这些信号进行预处理工作，主要通过FFT算法来实现主要包括以下几个部分。

（1）为了消除采集信号中不规则的随机干扰噪声信号，采用平均消除法，对数据进行标定变换，从而消除高频噪声。如式（1）所示：

均方根值亦称为有效值，是噪声信号的能量的一种表达。

离散随机信号的方差表达式为：

系统采用离散傅里叶变换，对数据进行频谱分析，得到幅值和相位谱。幅值可以用来描述信号大小随频率变化的分布情况，相位谱反应信号各个频率相位角的分布情况。

4 实验验证

该实验是对无刷直流电机A相绕组电流进行分析。选择采样数据其中5 000个点，去均值后得到系统状态的时域数据，求其均值、均方根植、方差获得时域特征值。经过傅里叶变换，转换到频域进行分析，通过上位机显示模块进行显示。并将生成的历史数据进行保存，以观测系统的变化及其发展趋势，系统画出了连续采样40组电流数据的特征参数，每组5 000个数据点数，均方根值趋势图如图1所示。趋势图采用定时刷新模式，以实现对系统的实时监控。

5 结语

采用DSP芯片TMS320F28335设计多机电作动器实时监控系统。利用DSP丰富的外设接口实现对机电作动器的控制以及信号采集，通过CAN总线实现系统的分布式控制和数据共享以及和上位机的连接。通过上位机对采集的数据进行处理，从而判定系统的工作状态。满足了系统远程故障监控的需求。

参考文献

[1] Musab Bari，Christy Roof，Amit Oza.The Future of Electric Aircraft[C]//51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition.2013：1-10.

[2] Imon Chakraborty，David Trawick，David Jackson，etal.Electric Control Surface Actuator Design Optimization and Allocation for the More Electric Aircraft[C]//AIAA Aviation 2013 Aviation Technology， Integration， and Operations Conference.2013.

[3] 张巍，朱耀忠.“多电”控制舵面作动器――下一代运输机的一个方案[J].电力电子，2006（4）：15-18.

[4] 严仰光，秦海鸥，龚春英，等.多电飞机与电力电子[J].南京航空航天大学学报，2014，46（1）：11-18.

[5] 席鑫宁.基于DSP的设备状态监测系统设计[D].太原：中北大学，2009.

[6] 郭宏，邢伟.机电作动系统发展[J].航空学报，2007，28（3）：620-627.