飞行模拟机控制加载系统解决方案探索

[摘要]介绍了737-800型D级全动飞行模拟机控制加载系统的国产化实现方案。

[关键词]飞行模拟机；控制加载系统；MODBUS；嵌入式开发。

中图分类号：E926.391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0140-01

一、737-800飞机控制加载系统包括如下通道

1.机长侧驾驶杆

2.副驾驶侧驾驶杆

3.机长侧控制盘

4.副驾驶侧控制盘

5.方向舵脚蹬

6.左侧脚刹车

7.右侧脚刹车

8.一号发动机油门杆

9.二号发动机油门杆

10.速度刹车手柄

11.水平安定面配平

12.前轮转弯手轮

13.襟翼手柄

14.一号动机启动手柄

15.二号发动机启动手柄

其中襟翼和一号发动机启动手柄及二号发动机启动手柄使用静态控制加载系统，在整个操作过程中，操作力恒定，不随操纵杆位置及飞机状态的改变而改变，实现原理比较简单，此处不做详述。

从机长侧驾驶杆到前轮转弯共计12个通道需要动态控制加载系统。所谓动态控制加载系统，就是控制杆（盘）的控制力随着控制杆（盘）的位置以及飞机不同的状态而改变，包括真空速、配平位置、地速、跑道状况等。

每一个动态控制加载通道都通过交换机同控制加载计算机进行通讯，此处仅对机长侧驾驶杆的控制加载系统进行讨论，其他的通道，实现原理大同小异，不做赘述。

二、控制加载系统

此控制加载系统共分为四部分，包括计算机、交换机、TCP转换器、伺服及机械传动和加载力反馈系统。

1.计算机。配置两个以太网适配器，分别接模拟机主干网和控制加载系统交换机。计算机上运行模拟程序，程序可以使用visual basic编写，也可以使用更高级的组态软件如组态王，WINCC，LABVIEW等，通过标准MODBUs通讯协议，可以简化编程的过程，提高效率及可靠性。

2.交换机。控制加载计算机通过ETH2千兆以太网适配器同交换机连接，交换机上行接口使用1000M速率，高于1394 800M的通讯速率，可以满足控制加载系统数据更新频率的要求。分支的多个下行接口连接单个控制加载通道，使用100M速率。

3.TCP转换器。使用100M嵌入式ETHERNET适配器产品，实现MODBUSTCP通讯协议，将控制加载系统的指令传送给伺服控制系统，同时将伺服控制系统的状态反馈回控制加载计算机，达到控制加载的目的。

4.伺服机构执行系统及力矩反馈组件，采用通用的工业化产品。

在此系统中，PC机、交换机、伺服系统、控制杆、力传感器（LOAD CELL）都是商品化的，可以直接购买，只有TCP转换器不是通用的商品，需要自行开发。

737-800飞机驾驶杆的操纵模式：驾驶杆的操纵，分为两个模式，位置模式和力矩模式。

位置模式：使用在自动驾驶方式，此事驾驶杆上没有力矩，控制加载计算机根据水平安定面的当前配平位置计算出驾驶杆位置指令，给伺服驱动系统下达位置命令，伺服器根据TCP转换器发送到脉冲数量和速度，决定以多快的速度到达要求的位置。

扭矩模式：模拟软件根据不同的驾驶杆的位置，运算包括真空速、配平等的调整通过伺服系统加载到驾驶杆上，产生实时的扭矩，给模拟机操作者一个感觉真实的操控力。

根据以上框架的要求，需要TCP转换器实现的功能如下：

1.运行LWIP协议栈，添加MODBUS TCP开放协议，通过DA9000AEP100METHERNET接口芯片实现与上位机的通讯，及时刷新控制加载系统的变量。

2.脉冲输出电路，输出脉冲控制伺服驱动器到达需要的位置，脉冲个数对应操纵杆的实际位置，脉冲频率对因到达指定位置所需要的时间。

3.模数转换电路（A/D）12位，采集力传感器的输出，作为扭矩比例微积分（PID）算法的输入。

4.数模转换电路（D/A）12位，将从上位机得到的扭矩指令转化成模拟量电压，并作为扭矩比例微积分（PlI））算法的输出，送给伺服控制系统，输出所要求的扭矩，加载在控制杆上。

5.数字离散量输出（DO），8路DO输出，用于控制伺服驱动器实现功能，使用4路，剩余的4路预留，使用的四路包括：

A.SON伺服器运转使能。

B.ARST伺服器故障复位。

c.EMGS伺服器紧急停车。

D.PT T位置模式与扭矩模式转换。

6.数字量离散输入（DI），8路DI输入，用来检测伺服驱动电路的状态，使用1路。

7.PID算法，从上位机（控制加载计算机）取得扭矩变量，作为PID的输入，D/A电路作为PID的输出，A/D电路送来的数据作为PID的反馈。有现成的c语言PID算法，在此不再详述。

TCP转换器需要自己制作，我们选用美国意法半导体公司的单片CPU，STM32F103RCT6，该器件为CORTEX M3结构，最高运行频率72Mhz，1.25DMIPS/MHZ，内置256KFLASH程序代码空间，48k RAM～2N空间。16通道，每通道12位AD转换器，12位转换时间1微秒。2通道12位DA转换器。

三，基于当前伺服控制系统业界的技术状况，采用以上结构予以实现

据报道，业界已经出现集成MODBUSTCP的伺服系统，若此技术成熟，则可省掉TCP转换器，使用交换机直接通过LAN接口控制伺服系统，将使系统大大简化，此种构架将是未来的主流，在此不做详述。

附件1：

台达ASDA ab系列永磁交流伺服系统与飞机控制加载系统的连接。

伺服系统使用永磁伺服电机，也就是说磁场是恒定的，根据电磁力公式，电磁力等于电流与磁场的乘积，在磁场恒定的前提下，只有电流一个变量，这样控制起来非常简单有效，伺服驱动器连接所驱动的伺服电机，根据电流的大小就能算出输出扭矩的大小。为了增加动态力矩的精确度，我们增加力矩反馈系统，以提高动态响应。

在此我们尝试采用台达ASDA ab型永磁伺服系统，此系统有三种工作模式，我们采用其中的Pr-T混合模式，即脉冲位置和转矩可切换模式：

位置控制模式：使用脉冲输入位置指令，脉冲的个数决定位置，脉冲的频率决定到达指定位置的速度。

转矩模式控制模式：通过模拟信号输入0-10v转矩命令，通过力传感器读取反馈力矩，在转换器内部编制PID算法，使输出力矩准确的表达在驾驶杆上。

伺服驱动器选择参数P1-01为07，选择Pr-T（脉冲位置

扭矩）混合模式，使用接口CNl的Pin31选择伺服系统工作在位置模式还是力矩模式，Pin31高电平时选择位置模式，由CNl Pin37/Pin36输入的脉冲决定位置；低电平是选择力矩模式，由CNl Pin42/Pin13输入模拟量的电压信号决定力矩的大小，并由力传感器反馈回来的真实力矩经过PID算法，实现闭环力矩控制，实现精确的杆力。

结语

使用目前国内可以获取的设备资源，既可以实现模拟机的控制加载系统。使用成熟的技术，特别是开放协议的许多资源，可以实现不受国外技术版权限制的应用，对于中国民航也模拟机培训市场的国产化，有着重要的意义。