第六章 电子控制器

1、第六章 电子控制器 v电子控制器是航空发动机数字控制系统中的核心部件。从国内外发动机电子控制器（EEC）的现状来看，电子控制器可以分为两类。一类为模拟式电子控制器，另一类为数字式电子控制器。v数字式电子控制器是发动机数字控制系统的核心部件。它的主要作用是对发动机和控制系统的各重要控制参数进行采集，按一定的控制规律和控制算法进行处理并发出控制信号，控制有关的执行机构，从而控制发动机的状态。同时可以根据采集的参数对发动机和控制系统进行状态监视和故障诊断，保护发动机的安全运行。数字式电子控制器还可以存储发动机及控制系统的有关工作参数和在线故障信息，为发动机及控制系统的维护提供依据。v数字式电子控制器

2、是一种典型的嵌入式实时控制系统，它由控制器硬件和控制器软件组成。v数字式电子控制器从结构和功能上可以划分为输入模块、控制模块、输出模块、电源模块以及处理模块等。为了保证可靠性，数字式电子控制器通常采用双通道结构，也称余度系统。其中一个通道勇于控制，另一个通道作为热备份。一旦用于控制的通道发生故障 而失去控制功能时，热备 份通道自动而平滑地切入 ，不降工况地控制发动机 。一般来说，双余度系统 中传感器也是双余度的。 考虑到双余度系统对有些 传感器故障难以进行判别 ，因此目前正在研究将传感器的解析余度引入数字电子控制系统，以增加系统的可靠性。数字式电子控制器结构图数字式电子控制器结构图输入模块v数

3、字式电子控制器处理的信号一般有：模拟信号、频率信号和开关信号。输入模块一般由模拟量输入电路、频率量输入电路、开关量输入电路等构成。通过输入电路，电子控制器采集发动机及控制系统的各种状态参数。输入电路的形成与电子控制器的电路结构有关。v模拟量信号通常包括温度、压力、位移、转速和流量等，它们来自发动机及控制系统的各种传感器，即有电流信号也有电压信号；即有直流信号也有交流信号；即有幅值低至几毫伏的小信号，也有幅值达几十伏的强信号。v模拟量输入电路一般由信号调理电路和信号变换电路组成。通过信号变换和调理电路，将上述信号统一变换成适合A/D采样的直流电压信号。信号的变换和调理过程应充分考虑抗干扰和电磁兼

4、容性等问题。信号变换和调理电路还应根据传感器的特定要求提供激励源。v温度信号变换和调理电路：发动机数控系统中一般采用电隅、金属热电阻和半导体热电阻等温度传感器进行各种温度的测量1、热电阻传感器信号变换与调理电路 热电阻传感器信号变换一般采用电 桥方式，使温度信号变换成电压信 号。电桥的激励即可以采用恒压源 ，也可以采用恒流源。但流经热电 阻的电流不能过大，否则热电阻发热，影响测量精度。2、热电隅传感器信号变换与调理电路 热电隅信号的变换电路一般采用专用集成电路，其冷端和线性化电路都已集成于专用集成电路中，使用非常方便。热电隅信号都很弱，几十毫伏左右，外界干扰不可忽视。连接导线一般都采用双绞导线

5、加金属屏蔽网屏蔽。在PCB板上的走线一般也用地线包围，减少内部干扰的影响。3、半导体集成温度传感器的应用 半导体集成温度传感器使用非常方便，但其温度测量范围一般都有限，通常在55145C，精度一般为1%左右，而且滞后较大，只能在精度要求不高的场合下使用。在数字式电子控制器中它一般作为温度补偿用。有些半导体集成温度传感器设计成一种“温控电流源”的二端元件，如AD590。半导体集成温度传感器测瀑电路。v压力信号变换与调理电路 发动机数控系统中，压力信号测量所采用的传感器一般有：固态压阻式压力传感器、电感式压力传感器、振动筒式压力传感器。目前使用较多的是固态压阻式压力传感器，振动筒式压力传感器和电感

6、式压力传感器用得较少。 固态压阻式压力传感器一般内部已包含压阻电桥，因此它的信号调理是将电桥输出的毫伏 级电压信号变换成适合的A/D采样 所需的电压信号。固态压阻式压力 传感器提供所需的工作电源有两种， 一种是恒压源，另一种是恒流源。 通常都采用恒流源，因为采用恒流 源的电路比采用恒压源电路的输出 精度要高，抗干扰能力强。恒流源电路恒流源电路v位移信号变换与调理电路 发动机数控系统中使用的位移传感器大部分是电位计式和线性差动变压器式（即Linear variable differential transformer,LVDT）. 对于电位计式位移传感器，一般只要输送精密直流电压源作为激励信号，

7、传感器的输出信号比较大，信号处理电路比较简单。电位计式位移传感器的缺点是输出阻抗较大，因此处理电路的输入阻抗应比较大。同时电位计在滑动过程中会产生噪声，处理电路应有良好的低通性能。 对于LVDT式的位移传感器，位移信号变换和调理电路一般采用专用芯片。如AD598。AD598是LVDT的调制解调单片集成电路，它将LVDT感受的位移变换成相对应的直流电压信号。AD598为LVDT位移传感器提供激励电源，其调制频率和幅值可以通过选择外围阻容元件确定。AD598产生的正弦激励信号施加到LVDT的初级线圈，在LVDT的次级感应出频率相同的两级交流信号。v转速信号变换与调理电路 发动机转速测量一般采用磁感

8、应音轮式测速传感器，如图所示。音轮为导磁材料，当音轮转动 时，齿峰和齿谷到永久磁铁的间隙变化 引起磁路中磁阻的变化，从而在线圈中 感应出相应的交变电压信号。此信号的 频率与转速成正比，幅度从几十毫伏到 几伏，内阻为数千欧。磁感应音轮式测速原理磁感应音轮式测速原理 转速信号变换和调理电路的原理框图如图所示。图中，滤波放大电路将伴随转速交流电压信号的干扰信号滤除，并对交流电压信号进行放大。由于发动机的转速范围变化非常大，交流信号的幅值变化也很大。在低转速时信号幅值小，电路要有足够的放大倍数；在高转速时，必须对信号进行限幅。为了提高抗干扰能力，对信号处理电路和数字电路进行隔离并将信号整形成方波信号。

9、为满足数字电路的电平，需对方波信号进行电平匹配。转速信号变换和调理电路的原理框图转速信号变换和调理电路的原理框图v信号转换电路 信号转换电路一般由模拟量转换输入电路（A/D）、频率量转换输入电路（F/D）、开关量输入电路等构成。通过输入电路，电子控制器将各种模拟量、频率量、开关量信号全部转换成CPU能够接受的数字信号。1、模拟量转换输入电路逐次比较型模/数转换器 电压/频率型模/数转换器 （V/FC）并行模/数转换器双积分型模/数转换器逐次比较型模逐次比较型模/数转换器模拟数转换器模拟量输入电路量输入电路2、频率量转换输入电路 频率量输入电路主要用于转速、流量等频率信号的采集这种电路具有极高的

10、转换精度和稳定性。 频率量采样一般采用测频法和测周法两种。发动机转速信号频率比较低，即使在高转速时频率也只有几千赫。由于在低转速时也需要较高的采样精度，因此电子控制器中最常用的是测周法，它在精度和转换速度方面能很好地兼顾。而测频法一般不采用，除非信号的频率较高。 测周法的原理是用输入的方波信号为计数窗口，用标准时钟脉冲信号对此窗口填充计数，计数值乘以标准时钟的周期可得到输入信号的周期，周期的倒数便是输入信号的频率。测周法原理图测周法原理图测周电路原理框图测周电路原理框图v3、开关量输入电路 开关量输入电路主要采集代表发动机工作状态的继电器输出信号和开关状态信号。需要注意的是，对高电压大电流信号

11、需要进行隔离。隔离的方式一般采隔离用光电隔离或继电器。由于继电器线圈电流、触点寿命、火花和体积等因素，一般采用光电耦合器进行隔离。 光电耦合器是将电转成光，再 由光转成电。由于隔离前的干 扰电信号没有足够的能量使发 光管发光，因此它具有很好的 抗干扰能力。光电耦合器还具 有将电子控制器外部的强电信 号转化为电子控制器内部的弱电信号进行电平匹配的功能。光电隔离电路光电隔离电路控制模块v控制模块的主要功能是根据输入模块采集的各个传感器信号按照发动机的控制计划和控制算法进行运算处理，输出所需的控制信号。同时，协调数字式电子控制器各输入、输出接口，实现与外界的通信，监视各输入参数或信号的正确性，适时产

12、生控制通道切换信号，使本模块进入或退出控制。v对于一般的数字式电子控制器，控制模块的电路主要包括CPU（中央处理器）电路、外围接口电路、通信接口电路、故障检测电路等，结构图如图所示。v由于数字式电子控制器属于典型的嵌 入式控制系统，所以在电路设计时应 该尽可能采用低功耗、高集成度电路， 以减少电子控制器的体积，提高整个 电路的可靠性，同时在电路结构布局上充分考虑电子控制器的抗恶劣环境能力设计。控制模块结构框图控制模块结构框图vCPU电路 CPU电路是电子控制器的核心部件，一般由CPU、ROM、RAM、复位电路、译码电路等组成，原理框图如图所示。数字式电子控制器的性能和功能主要由CPU电路的性能

13、和电子控制器的电路结构决定。 CPU可以根据具体应用场合采用微处理器、微控制器。微控制器内部一般集成了存 储器和一定数量的外设接口（ 如A/D,D/A,PWM,通信，定时/ 计数器等），集成度高，适合 嵌入式系统应用。在满足系统 性能要求的前提下，CPU应该 尽可能地选用微控制器。CPU电路原理框图电路原理框图v外围接口电路 外围接口电路是指CPU以外的支持电路，主要包括中断控制部件、DMA控制部件、定时/计数部件等。在有些嵌入CPU芯片中这些外围接口电路都与CPU集成在一起。有些CPU有相配套的专用外围芯片。 中断控制器是数字式电子控制器中非常重要的一个部分，中断源数量以及中断处理功能直接关

14、系到数字式电子控制器的实时性。一般地，当中断源超过某一数量时，常采用级联方式大大扩充数字式电子控制器处理中断的能力。合理安排中断优先级将对控制软件的实时性以及控制软件的可靠性带来非常大的影响。数字式电子控制器中的外部中断源一般有以下两种：（1）非屏蔽中断（2）可屏蔽中断v通信接口电路 通信接口电路用于各控制模块之间的通信、与其他系统的通信以及用于调试接口。一般的通信方式有并行通信和串行通信两种。并行通信的特点是通信速率高，传输的信息量大，缺点是通信信号多，传输距离短。串行通信又可分为同步传输和异步传输。同步传输的传输速率虽比并行通信速率低但异步通信传输速率高，其缺点是对时序有一定的要求。异步传

15、传输的速率相对于上面两种方法的速率要低，但它对时序的要求不是很苛刻，通信的信号线要少许多。不管采用何种通信，国际上都有标准的电气传输标准。 对应于并行或串行通信的接口，有专用的芯片和转换电路。这些芯片大多能和CPU直接连接，时序和电平都能匹配。 随着航空电子综合化的要求和电子技术的发展，光纤通信也将在电子控制器上得到应用。输出模块v输出模块的主要任务是，将控制模块按一定的控制规律运算得到的控制数字量经过各种变换电路和驱动电路转换成执行机构可以接受的控制信号。一般有模拟量输出电路（包括PWM输出电路）和开关量输出电路。v模拟量输出电路 模拟量输出电路有几种实现 方法。如图是最常用的方法， 用数/

16、模转换器（DAC）将数 字量转换成模拟量，然后再 用功率元件对模拟量进行功 率放大，驱动负载。DAC有 多种规格型号的芯片，有电压输出型和电流输出型。模拟量输出框图模拟量输出框图 另一种常用的方法是将数字量转换成脉宽调投影（PWM）信号输出。用功率元件对PWM信号进行功率放大，以便驱动负载。采用PWM输出对信号进行隔离和故障检测比较容易，输出功率也比较大。PWM输出电路输出电路v开关输出电路 开关量输出电路是将CPU发出的代表开关状态的数字量转换成相应的开关状态信号。在数字电子控制器中，开关量输出信号一般都是带动如指示灯、继电器、电磁阀等需要高电压大电流的负载，因此，信号隔离和电平匹配应特别注

17、意。对高电压大电流信号的隔离的方式一般采用光电隔离。开关量输出电路的框图如图所示。开关量输出电路框图开关量输出电路框图故障检测模块v故障检测电路的作用是为控制模拟提供故障检测的硬件环境。故障检测电路一般采用“看门狗”（Watchdog）对CPU的工作状态进行实时监控。一旦CPU出现“死循环”或程序由于干扰而“飞掉”等软故障，Watchdog能及时对CPU进行“激活”，即复位CPU，使之重新投入工作。Watchdo芯片原理框图芯片原理框图切换及保护模块v如果执行机构只有一个（单余度），则多余度控制系统的同一种控制信号输出只能由一个通道提供，绝不允许多个通道同时输出的情况出现。切换电路的基本功能就

18、是保证有效的控制信号可靠地进行输出，而备份控制信号绝不输出，并保证在有效控制信号的控制输出通道出现故障是能可靠地切换到备份输出信号通道的输出，使故障信号得到有效的隔离。切换电路逻辑图切换电路逻辑图 完全独立的保护模式的优点是即使电子控制器失去控制功能，保护功能依然可以起作用，不需要占用电子控制器的工作时间，反应速度快。缺点是增加硬件电路，体积、重量都会增加，调整点的改变比较麻烦。由于它与控制通道完成独立，可能会在正常工作时由于保护电路的故障或由于干扰产生误动作。因此，保护电路的可靠性和抗干扰能力要求高。独立保护模式的电路结构框图如图所示。独立保护电路结构框图独立保护电路结构框图电源模式v作为数

19、字式电子控制器的至关重要的部件。电源部件首要考虑的是可靠性和电磁兼容性，设计上的不完善和工艺上的不当都可能使电源部件对电子控制器乃至整个系统产生不可估量的影响。v机载环境的电子控制器的外部供电一般为28V直流电源或115V/400Hz的交流电源。电子控制器内部使用的各种电源都是通过对上述两种电源的变换产生的。考虑到以上两种电源同时供电时的相互隔离和转换效率，在电子控制器中一般使用开关电源进行直流变换。v对于外部28V的直流电源供电系统，数字式电子控制器内部使用的各种电源（5V，15V等）只需通过DC/DC变换产生。而外部115V交流供电则需要首先通过AC/DC变换成直流，然后通过DC/DC变换

20、得到28V直流电源，再通过DC/DC变换得到电子控制器内部使用的各种电源。外部28V直流电源和115V交流电源供电时，必须考虑两种电源的无扰动切换问题。v电源模块的原理框图如图所示。115V/400Hz的交流电源和28V直流电源之间的无扰动切换由两个二极管实现。当三相115V/400Hz的交流电源变换的28V直流电压高于28V直流电流供电电压时，V1导通、V2截止，电子控制器的供电由115V/400Hz的交流电源提供。当115V/400Hz的交流电源发生故障时，其变换电压低于28V，则V2导通、V1截止，这时电子控制器的供电由28V的直流电源提供。电源模式原理框图电源模式原理框图v交流/直流（

21、AC/DC）变换电路 在数字式电子控制器中，交流电源主要是115V/400Hz的三相交流电源。为了将三相交流电源转换成直流电源，最常用的方法是采用全桥整流滤波电路。 全桥整流滤波电路如图623所示。图中，V1，V2，V3，V4，V5，V6为整流二极管，它们组成全波整流桥，将交流电变成直流电。电容C1，C2为滤波电容，其容量和耐压应足够大。在电子控制器中一般都采用钽电容，由于钽电容的耐压和容量不可能做得很大，一般都采用串联连接提高耐压，用并联连接增加容量。电阻R1，R2用于平衡电容上的电压，以保护电容由于参数不一致而引起的击穿。全桥整流滤波电路全桥整流滤波电路v直流/直流（DC/DC）变换电路

22、数字式电子控制器的电源部件一般都考虑使用高可靠性、高集成度、高效率的组件。高可靠性来自电源部件的元件选择和电路结构上的余度设计；高集成度可以大大减少电源部件的体积和重量；高效率可以减少电源部件自身的功率消耗，以缓和整个数字电子控制器热设计的矛盾。因此数字式电子控制器的电源都采用标准的变换模块。对于DC/DC变换器模块，根据不同的需要有PCB板安装和箱体安装等结构，需要根据电压和电流容量以及安装方式合理选择。v驱动功率和效率 选用电源模块时，在技术指标上应考虑降额使用。电源部件的降额使用可以提高电源部件的可靠性。降额因子一般为0.50.8。电源DC/DC部件的转换效率通常应高于70，以减少电源部件自身功率消耗的发热，必要时要采取专门的散热措施。v电源的滤波和抗传导干扰 电源部件的电磁兼容性对电子控制器是至关重要的。在机载环境下，很大一部分干扰是通过电子控制器的外部供电线传导而进入的，而电子控制器内部的部分高频信号也通过电子控制器的外部供电线传导出去，可能对其他机载设备产生干扰，这部分高频信号多半来源于DC/DC部件。电源滤