如何簡化航空應(yīng)用中的電機(jī)位置控制系統(tǒng)

用于飛機(jī)和國防應(yīng)用的線性執(zhí)行器控制系統(tǒng)

隨著飛機(jī)重量、尺寸和速度的增加，飛行控制表面驅(qū)動需要更高效、更可靠的半導(dǎo)體解決方案。

在這篇博文中，我們將演示一個線性執(zhí)行器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用 LX4580 24 通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有同步電機(jī)控制接口片上系統(tǒng) （SoC） 和雙 ATSAMV71 MCU。

航空業(yè)正在轉(zhuǎn)向電動飛機(jī)（MEA），用電動解決方案取代機(jī)械、液壓和氣動系統(tǒng)。這導(dǎo)致重量顯著減輕，從而減少油耗和排放。使用較少機(jī)械內(nèi)容的另一個好處是提高了可靠性并減少了維護(hù)和擁有費用。

LX4580 驅(qū)動芯片

LX4580 是一款模擬前端，適用于在 DO-160 等嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)下工作的電機(jī)執(zhí)行器控制系統(tǒng)。LX4580與MCU或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）接口，以實時執(zhí)行數(shù)字控制系統(tǒng)算法。雙高速串行外設(shè)接口 （SPI） 或通用異步接收器和發(fā)射器 （UART） 接口為冗余命令/監(jiān)視器 （COM/MON） 系統(tǒng)架構(gòu)提供同步雙端口寄存器訪問。這些接口使用 ECC 編碼在每個 1 位數(shù)據(jù)事務(wù)中提供 2 位糾錯和 16 位錯誤檢測。順序邏輯通過三模式冗余 （TMR） 實現(xiàn)，以防止單事件翻轉(zhuǎn) （SEU）。模擬輸入、LVDT 驅(qū)動器和邏輯 I/O 可以冷備用，允許兩個 LX4580 以冗余配置運行，其中一個通電，另一個關(guān)閉或復(fù)位。系統(tǒng)配置、校準(zhǔn)和接口設(shè)置數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部一次性可編程（OTP）存儲器中，并在上電時自動加載。圖1顯示了典型應(yīng)用中LX4580的內(nèi)部功能和外部連接。

圖 1：典型致動應(yīng)用

典型控制系統(tǒng)架構(gòu)

飛機(jī)和機(jī)載防御系統(tǒng)中使用的電機(jī)位置和線性驅(qū)動控制系統(tǒng)可以使用帶有雙 ATSAMV4580Q71 MCU 的 LX21 電機(jī)采集 SoC 來實現(xiàn)。MCU 運行電機(jī)控制環(huán)路，并在經(jīng)典命令/監(jiān)視器 （COM/MON） 雙控制器冗余控制系統(tǒng)中生成電機(jī)控制信號（圖 2）。LX4580 SoC管理傳感器（在本例中為一個LVDT和兩個溫度傳感器），并直接驅(qū)動LVDT初級，計算兩個LVDT次級的RMS，并基于PT100或TP1000遠(yuǎn)程傳感器自動進(jìn)行溫度檢測。

圖 2：帶雙處理器的 COM/MON 電機(jī)控制系統(tǒng)

為了提供這種控制系統(tǒng)實現(xiàn)的實際演示，我們開發(fā)了電機(jī)位置控制系統(tǒng)的源代碼，該系統(tǒng)使用LVDT作為位置反饋傳感器，作為更大控制系統(tǒng)的核心。通過使用現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制器，而不是使用LX4580的脈寬調(diào)制（PWM）輸出和電流檢測輸入，簡化了電機(jī)驅(qū)動硬件。

COM 處理器函數(shù)

COM處理器是主要的電機(jī)控制處理器。其功能是：

與主系統(tǒng)控制器通信，以進(jìn)行位置目標(biāo)設(shè)置和高級診斷

使用 LX4580 獲取系統(tǒng)位置、溫度和其他狀態(tài)

基于帶遲滯的相位檢測 （PD） 環(huán)路控制 TB6600 電機(jī)驅(qū)動器（下圖 3）

執(zhí)行錯誤檢查

將結(jié)果傳送給 MON 處理器以比較結(jié)果并讀取 MON 錯誤狀態(tài)

圖3：相位檢測環(huán)路

周一處理器功能

MON處理器是備用電機(jī)控制處理器。其功能是：

與主系統(tǒng)控制器通信，以進(jìn)行位置目標(biāo)設(shè)置、高級診斷和錯誤報告

使用 LX4580 獲取位置（使用 LX2 的第二個 LVDT 通道獨立）、溫度和其他狀態(tài)

監(jiān)視 COM 處理器控制輸出

測量脈沖波形指令電機(jī)步進(jìn)的頻率

檢測DIR波形的極性，指示電機(jī)方向

運行與COM處理器相同的控制電機(jī)驅(qū)動算法，但基于MON處理器收集的數(shù)據(jù)

與 COM 處理器通信以獲取 COM 結(jié)果并報告錯誤

錯誤檢查COM和MON之間的數(shù)據(jù)不一致（脈沖頻率，位置，溫度）

COM 和 MON 處理器之間的通信使用 UART 接口訪問共享內(nèi)存區(qū)域。

電腦（主系統(tǒng)控制器）

PC軟件在Python中運行命令系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過單獨的USB接口與COM和MON處理器進(jìn)行通信。命令被調(diào)度到 COM 和 MON 處理器，以允許 MON 處理器檢測 COM 或 MON 接口故障。在錯誤檢測時，MON 處理器將 COM 命令與電機(jī)隔離，并將等待，直到更高級別的控制可以處理錯誤并可能重新啟動控制過程。

審核編輯：郭婷