一种基于dsp的机载智能泵源系统的控制器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于DSP的机载智能泵源系统的控制器，包括智能泵控制板与信号调理板。智能泵控制板包括DSP芯片及其最小电路、AD采样电路、CAN通讯模块和DA输出及电压转电流电路o信号调理板为智能泵控制板及传感器供电，对采集的模拟信号进行调理。DSP芯片通过CAN通讯模块与上位机通讯，从上位机接收控制指令、飞机状态参数和工作周期任务剖面，从模式切换表中确定液压泵的工作模式，计算输出控制电液伺服阀动作的数字电压信号，以实时控制液压泵的斜盘倾角，通过改变液压泵的排量控制液压泵出口压力或出口流量。本发明能根据实际工况改变控制目标，有效减少无效功率，控制液压系统的发热，减轻了机载液压系统整体重量。
【专利说明】—种基于DSP的机载智能泵源系统的控制器
【技术领域】
[0001]本发明属于液压泵的控制、状态监测【技术领域】，具体涉及一种基于DSP(DigitalSignal Processor,数字信号处理器)的机载智能泵源系统的控制器。
【背景技术】
[0002]民用飞机机载液压系统是指飞机上以油液为工作介质，靠液压驱动执行元件来完成特定操纵动作的系统。作为飞机的二次能源之一，机载液压系统主要为飞机主操纵系统、辅助操纵系统、发动机相关部件辅助调整、减速板收放、起落架收放以及机轮刹车和地面转弯等功能提供能源，其性能与可靠性对于保证飞机的安全飞行、设计性能的实现及飞行员的生存保障，都起着举足轻重的作用。
[0003]随着民用飞机在自重小、有效载荷大等方面需求的增加，飞机总体设计愈加要求机载液压系统既要做到质量轻、体积小，又要做到功率大、可靠性高，促使机载液压系统沿着高压化、大功率的方向发展。与此同时，高压化与大功率又造成发热功率增大、温升增加，加大了系统的散热难度，使系统十分臃肿，反而造成飞机重量增加。
[0004]对于现代民用飞机机载液压系统来说，最理想的泵源形式是恒压源，目前在民用飞机上广泛采用的是恒压变量泵。但是由于恒压源的工作压力是按照最大工况条件来设计的，而在飞机的典型飞行剖面中，液压系统需要用到高压力的飞行时间占总飞行时间10%以下，其余超过90%的时间里只需低压力即可满足飞行要求，在使用恒压源供压的情况下机载液压系统的效率相对较低，而大量的无效功率是导致机载液压系统发热功率增大的重要原因之一。因此，为了有效降低液压系统的发热功率，同时能满足各种情况的使用要求，需要主动对斜盘柱塞式液压泵进行控制，在一定范围内做到压力或流量的连续可调，以减少无效功率的产生。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种恒压变量泵控制器，能够实时的控制斜盘倾角，进而控制泵的排量。通过控制排量的变化，控制器能够对泵的压力或流量进行有效控制，在不同的工况下提供合理的压力或流量，减少无效功率，降低系统温度。同时，控制器也能对泵的运行状态进行监测，确保运行安全。
[0006]本发明提供的基于DSP的机载智能泵源系统控制器，包括智能泵控制板与信号调理板。智能泵控制板包括DSP芯片及其最小电路、AD采样电路、CAN通讯模块和DA输出及电压转电流电路。
[0007]所述的信号调理板为输入AD采样电路的模拟信号进行调理，同时对智能泵控制板及用于测量液压泵的压力、温度和随动活塞位移的传感器供电。压力包括液压泵的出口压力与回油压力，温度包括液压栗的出口温度、回油口温度和冗体温度。
[0008]所述的AD采样电路用于采集液压泵的压力、温度和随动活塞的位移，并将模拟信号转换为数字信号传送给DSP芯片。
[0009]所述的DSP芯片通过CAN通讯模块与上位机通讯，用于完成:(1)将液压泵的压力、温度和流量上传给上位机；所述的液压泵流量是指液压泵的出口流量，根据随动活塞的位移计算得到；(2)从上位机接收飞机状态参数和工作周期任务剖面，根据工作周期任务剖面从模式切换表中确定液压泵的工作模式，计算输出控制电液伺服阀动作的数字电压信号，以实时控制液压泵的斜盘倾角，通过改变液压泵的排量控制液压泵出口压力或出口流量。所述的工作周期任务剖面中包括当前工况下所有作动器需要的压力与流量参数。所述的模式切换表预先存储在DSP芯片中，是根据作动器需要的压力与流量、飞行高度以及飞行速度四种参数的数值来判断液压泵工作模式的表格；模式切换表中设置三种液压泵的工作模式:恒压力模式、恒流量模式和负载敏感模式。
[0010]所述的DA输出及电压转电流电路，包括DA输出芯片和电压转电流电路，DA输出芯片将DSP芯片输出的数字电压信号转换为模拟电压信号，电压转电流电路将模拟电压信号转换为±40mA电流信号，并将电流信号传送给智能泵源系统，控制电液伺服阀动作。
[0011]本发明提供的基于DSP的机载智能泵源系统控制器，采用双余度设计，包括两块智能泵控制板。每块智能泵控制板中的AD采样电路和DA输出芯片均采用双余度设计，各有两片。信号调理板上的信号调理通道也采用双余度设计，包含双倍数量的信号调理通道，本发明采集6路模拟信号，所以信号调理板上有12路信号调理通道。
[0012]本发明的机载智能泵源系统的控制器，优点和积极效果是:
[0013](I)本发明的控制器能够根据实际工况改变控制目标，在满足液压系统需求的前提下有效减少无效功率，从而控制了液压系统的发热，进而减轻了机载液压系统整体的重量;
[0014](2)本发明的控制器采用DSP为核心的嵌入式系统，相较于工控机体积小、重量轻，适合机载条件，DSP相比较于单片机，能实现较为复杂的控制算法，同时片上外设丰富，性能扩展方便，更加具有通用性和实用性；
[0015](3)本发明的控制器采用了双余度设计，一个控制器包含两块控制板，互为余度备份，每块控制板都具有同时控制两台液压泵的能力，提高了系统的可靠性，满足机载设备的条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是传统恒压变量泵的原理图；
[0017]图2是传统恒压变量泵的压力-流量曲线图；
[0018]图3是智能泵源实验系统结构图；
[0019]图4是智能泵源系统控制器结构图；
[0020]图5是智能泵源系统控制器控制板电压转电流电路。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的智能泵控制器及控制方法进行详细说明。
[0022]如图1所示，为一种传统的恒压变量泵结构图。传统的恒压变量泵的变量机构由压力补偿阀、随动活塞和回程弹簧组成。压力补偿阀感知泵的出口压力，通过对比出口压力与调定压力来完成机械反馈控制，控制随动活塞的运动，进而改变斜盘倾角。
[0023]图2是传统的恒压变量泵的压力-流量曲线，图中Qs-Ps曲线为恒压变量泵的输出，为负载的变化曲线，图中阴影部分表示恒压变量泵产生的无效功率。可以直观地看到液压泵并不能很好地跟随负载，在大部分负载情况下液压泵产生了大量的无效功率，这些无效功率通过溢流阀以热量的形式消散，从而增加了机载液压系统的热功率，需要附加散热设备，导致整体重量增加。
[0024]为了减少无效功率，液压泵需要根据负载情况实时调整输出，本发明采用了如图3所示的泵源系统。如图3所示，两个智能泵源系统都设置有本发明的智能泵控制器，智能泵控制器通过传感器获取智能泵的状态信息，控制智能泵的变量机构。智能泵控制器通过AD/DA(模数/数模)接口接收来自传感器的模拟信号并转换为数字信号，将计算得到的数字控制信号转换为模拟信号发送给电液伺服阀，以控制智能泵的变量机构工作。控制板通过CAN (Controller Area Network,控制器局域网)总线与上位机通讯，经过USB转CAN卡,将米集到的栗出口压力、栗回油压力、栗出口温度、栗冗I体温度、栗回油温度和随动活塞似移六种数据上传给上位机，在上位机进行数据显示、状态监控与参数整定，同时接收上位机的控制指令。
[0025]智能泵源系统控制器通过控制液压泵斜盘倾角改变液压泵的排量，而通过分析液压泵的结构可知，需要通过控制随动活塞的位置才能控制斜盘倾角。所以，本方案采用了电液伺服阀来控制随动活塞的运动。作为优选，电液伺服阀选用了 MOOG公司的G701系列喷嘴挡板阀，额定控制电流为±40mA。
[0026]由所述的智能泵源系统结构与功能需求，本发明提出了如图4所示的基于DSP的机载智能泵源系统控制器的结构图。本发明的智能泵源系统控制器包括智能泵控制板和信号调理板两部分，信号调理板同时作为供电板，为智能泵控制板及传感器供电。
[0027]智能泵控制板包括DSP芯片及其最小电路、AD采样电路、CAN通讯模块和DA输出及电压转电流电路。
[0028]本发明实施例中，DSP芯片使用德州仪器公司的TMS320F28335芯片，AD采样电路采用AD7606模数转换芯片，CAN通讯模块采用型号是SN65HVD235的CAN收发器，DA输出及电压转电流电路中，采用AD5791数模转换芯片实现DA输出功能。在设计时，AD采样电路与DA输出及电压转电流电路均采用了双余度设计，满足了可靠性要求。
[0029]AD采样电路用于采集液压泵的压力、温度和随动活塞的位移，并将模拟信号转换为数字信号传送给DSP芯片。采集的液压泵的压力信号是指通过压力传感器测量的液压泵的出口压力与回油压力；温度信号是指通过温度传感器测量的液压泵的出口温度、回油口温度和壳体温度；随动活塞的位移是为了计算液压泵的出口流量，根据位移传感器测量到的随动活塞的位移，然后进行进一步计算获得。
[0030]DA输出及电压转电流电路，包括DA输出芯片和电压转电流电路，DA输出芯片将DSP芯片输出的数字电压信号转换为模拟电压信号，电源转电流电路将模拟电压信号转换为±40mA电流信号，并将电流信号传送给智能泵源系统，控制电液伺服阀动作。
[0031]DSP芯片通过CAN通讯模块与上位机通讯，DSP芯片内封装了基于PID算法的控制程序。DSP芯片实现的功能包括:(I)将液压泵的压力、温度和流量上传给上位机；液压泵流量是指液压泵的出口流量，根据随动活塞的位移计算得到；(2)实时控制液压泵的斜盘倾角，输出控制电液伺服阀动作的数字电压信号，通过改变液压泵的排量控制液压泵的输出压力或输出流量。
[0032]DSP芯片接收上位机的控制指令，主要包括控制控制器启停的指令。DSP芯片从上位机接收当前的发动机转速、大气参数、飞机状态参数、作动系统状态参数以及工作周期任务剖面。大气参数主要包括外界气压和气温。飞机状态参数主要包括飞行的飞行高度、飞行速度、马赫数和姿态角等。作动系统状态参数包括各作动器位移和两腔压力。工作周期任务剖面包括由上位机计算出的当前工况下所有作动器需要的压力与流量参数。DSP芯片根据工作周期任务剖面，从模式切换表中确定液压泵工作模式，计算液压泵的斜盘倾角，输出控制电液伺服阀动作的数字电压信号。模式切换表是预先生成并存储在DSP芯片中的，是根据作动器需要的压力与流量、飞行高度以及飞行速度四种参数的数值来判断液压泵工作模式的表格。
[0033]模式切换表中设置三种液压泵的工作模式:
[0034](I)恒压力模式，参考输入为作动器需要的压力，反馈信号为液压泵出口压力；
[0035](2)恒流量模式，参考输入为作动器需要的流量，反馈信号为液压泵出口流量；
[0036](3)负载敏感模式，即液压泵出口压力跟随负载的需求压力，参考输入为负载压力与电液伺服阀压降之和，反馈信号为液压泵出口压力。
[0037]DSP芯片根据参考输入和反馈信号计算输出控制电液伺服阀动作的数字电压信号，以改变液压泵的排量。
[0038]本发明实施例中智能泵控制板的DSP芯片采用型号为TMS320F28335的芯片，该芯片支持浮点运算，能够满足实时控制的运算速度要求。同时，F28335片上集成了丰富的外设，为系统的通讯与控制提供了便利的条件。为了满足未来程序的扩展性，本发明还为DSP外扩了型号为SST39VF的4Mb的FLASH芯片和型号为CY7C1011CV33的2Mb的SRAM芯片，FLASH芯片由DSP的XINTF 6控制，SRAM芯片由DSP的XINTF 7控制。在实际应用中，智能泵控制板与飞控计算机通过飞控总线1553B进行通讯，本发明采用BU61580协议芯片来完成通讯协议，通过F28335的XINTF I进行控制。在系统调试时使用CAN总线与作为上位机的笔记本电脑进行通讯，F28335自带ECAN模块，最高支持IMbps的传输速率，具有32个可单独配置的邮箱，为通讯的实现提供了极大的便利。在使用CAN总线时，仅需配置一个CAN收发器SN65HVD235即可实现通讯。如图4所示，DSP芯片的最小电路中，还包括芯片供电模块、时钟电路和仿真器接口电路。芯片供电模块用于将信号调理板传输来的电压转换为适合DSP芯片的工作电压，为DSP芯片供电。时钟电路的作用是为DSP芯片提供稳定的时钟源。仿真器接口电路的作用是对DSP芯片中的程序调试时烧写程序使用。DSP芯片中的控制程序还实现了对外置模数转换芯片AD7606的控制。
[0039]为了满足余度配置要求，每块控制板上有两片AD7606模数转换芯片和两片AD5791数模转换芯片。AD7606为8通道16位的芯片，每片AD7606采集一台智能泵的6路传感器信号。AD5791为单通道20位的芯片，每片AD5791控制一台智能泵的电液伺服阀。AD7606使用并行输出，量程为±10V。两片AD7606的输出端均与F28335的115?136端口相连。F28335通过控制AD7606的片选信号来完成对不同泵的信号采集。AD7606具有1ΜΩ模拟输入阻抗的输入缓冲器以及二阶抗混叠模拟滤波器，可以极大地简化前端模拟信号调理电路。AD5791通过SPI总线完成数据传输，本发明采用F28335的GP1 口模拟SPI时序来完成对AD5791的控制。
[0040]AD5791输出的电压经过图5的电压转电流电路转换为±40mA电流信号，进而控制电液伺服阀。在电压转电流电路中，第一级使用AD622作电压跟随器对AD5791输出的电压进行调理。经调理之后，电压信号通过由LH0041组成的电流负反馈放大电路转换成±40mA电流信号。输入电压VOUf与输出电流I有如下关系:
「 I ,.RsH ,、 VOUTt U,…
[0041]I = {--l)x(-+ —^)
Rsl沿1 RsS
[0042]其中Uks5表示调零电压，其值可通过调节电位器Rs6来改变，作用是调节电路的零偏。放大增益可以通过调节电位器RsS的大小来改变，通过调节增益将电路的输出调整到±40mA。电阻Rsl串联在AD622输出端与LH0041的负输入端之间，电阻Rs5串联在电位器Rs6的输入端与LH0041的负输入端之间，电阻Rs7串联在模拟地与LH0041的输出端之间，电阻Rs8串联在LH0041的负输入端与LH0041的输出端之间。图5中，经过DA输出及电压转电流电路后的电流信号物理上经过信号调理板，但不需要进行信号调理。
[0043]信号调理板的功能是为输入AD采样电路的模拟信号进行调理，同时对智能泵控制板及传感器供电。信号调理板对液压泵出口压力信号、回油压力信号、温度信号以及直线位移传感器信号进行调理。由于涉及了余度备份，所以一块调理板上有12路信号调理通道。由于AD7606为调理电路设计带来的便捷性，每路信号调理通道可使用由AD622组成的电压跟随器。对于温度传感器与LVDT来说，由于传感器输出为4?20mA，所以在电压跟随器前端设计了 500Ω精密采样电阻，将信号转换为2?1V的电压信号。同时，信号调理板作为控制器的母板，还需要对控制板及传感器供电。由于航空直流电源的电压为28V，信号调理板需要将28V转换为土 15V和+5V三种电压，以供各类芯片及传感器使用。
[0044]本发明的机载智能泵源系统的控制器可以控制泵源系统工作在恒压力、恒流量或负载敏感模式。恒压力模式与传统的恒压变量泵基本相同，压力-流量特性曲线也一致。恒流量模式主要在需要大流量或匀速工况下使用。负载敏感模式在飞机巡航时使用，其特点是能跟随负载的变化而变化，并维持一个压差以保证飞机作动系统伺服阀的正常工作。工作模式的切换由控制器根据飞控计算机(上位机)传来的大气与飞机状态等数据进行分析后与存储在控制器的模式切换表比对后完成。控制器进行控制信号计算时采用PID算法，并且根据所处模式的不同使用不同的PID参数。
[0045]经仿真与实验分析，本发明能稳定地控制液压泵的斜盘倾角，进而完成一系列的控制目标，达到对液压泵的无效功率的抑制。
【权利要求】
1.一种基于DSP的机载智能泵源系统的控制器，其特征在于，包括智能泵控制板与信号调理板；其中，智能泵控制板包括DSP芯片及其最小电路、AD采样电路、CAN通讯模块和DA输出及电压转电流电路； 所述的信号调理板为输入AD采样电路的模拟信号进行调理，同时对智能泵控制板及用于测量液压泵的压力、温度和随动活塞位移的传感器供电； 所述的AD采样电路用于采集液压泵的压力、温度和随动活塞的位移，并将模拟信号转换为数字信号传送给DSP芯片； 所述的DSP芯片通过CAN通讯模块与上位机通讯，用于完成:(I)将液压泵的压力、温度和流量上传给上位机；所述的液压泵流量是指液压泵的出口流量，根据随动活塞的位移计算得到；(2)从上位机接收飞机状态参数和工作周期任务剖面，根据工作周期任务剖面从模式切换表中确定液压泵的工作模式，计算输出控制电液伺服阀动作的数字电压信号，以实时控制液压泵的斜盘倾角，通过改变液压泵的排量控制液压泵出口压力或出口流量；所述的工作周期任务剖面中包括当前工况下所有作动器需要的压力与流量参数；所述的模式切换表预先存储在DSP芯片中，是根据作动器需要的压力与流量、飞行高度以及飞行速度四种参数的数值来判断液压泵工作模式的表格；模式切换表中设置三种液压泵的工作模式:恒压力模式、恒流量模式和负载敏感模式； 所述的DA输出及电压转电流电路，包括DA输出芯片和电压转电流电路，DA输出芯片将DSP芯片输出的数字电压信号转换为模拟电压信号，电压转电流电路将模拟电压信号转换为±40mA电流信号，并将电流信号传送给智能泵源系统，控制电液伺服阀动作。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的机载智能泵源系统的控制器，其特征在于，所述的DSP芯片的型号为TMS320F28335，AD采样电路采用型号为AD7606的模数转换芯片，CAN通讯模块采用型号为SN65HVD235的CAN收发器，DA输出芯片采用型号为AD5791的数模转换芯片，所述的信号调理板采用型号为AD622的芯片组成电压跟随器。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于DSP的机载智能泵源系统的控制器，其特征在于，所述的DSP芯片的最小电路，包括:外扩的型号为SST39VF的4Mb的FLASH芯片，型号为CY7C1011CV33的2Mb的SRAM芯片，与上位机通讯的1553B模块，芯片供电模块、时钟电路和仿真器接口电路；其中，1553B模块是型号为BU61580协议芯片；芯片供电模块用于将信号调理板传输来的电压转换为适合DSP芯片的工作电压；时钟电路为DSP芯片提供稳定的时钟源。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于DSP的机载智能泵源系统的控制器，其特征在于，所述的DA输出及电压转电流电路控制器包含两块智能泵控制板，每块智能泵控制板包含两块AD采样电路和两块DA输出及电压转电流电路，信号调理板包含双倍数量的信号调理通道。
5.根据权利要求2所述的一种基于DSP的机载智能泵源系统的控制器，其特征在于，所述的电压转电流电路，使用AD622作电压跟随器对AD5791输出的电压进行调理，将调理后的电压信号通过由LH0041组成的电流负反馈放大电路转换成±40mA的电流信号。
【文档编号】F04B49/06GK104214082SQ201410410764
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】王少萍, 李宇昂, 常真卫, 王兴坚, 苟小华, 张超, 王永翔, 孙凯, 陈洪锋 申请人:北京航空航天大学, 中航力源液压股份有限公司