第六章 电子控制器

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 恒流源电路 精度要高，抗干扰能力强。

转速信号变换与调理电路
发动机转速测量一般采用磁感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
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。为满足数字电路的电平，需对 方波信号进行电平匹配。
逐次比较型模/数转换器模拟 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。
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

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。

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，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。
转速信号变换和调理电路的原理框图

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 ①逐次比较型模/数转换器 ②电压/频率型模/数转换器 （V/FC） ③并行模/数转换器 ④双积分型模/数转换器

CPU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。
第六章 电子控制器


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。 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。
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－55~145˚C，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。
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输入模块



数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。 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。 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。
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
开关量输出电路框图
故障检测模块
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。


数字式电子控制器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。 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 数字式电子控制器结构图 ，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。

输出模块


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。 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/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 模拟量输出框图 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。
CPU电路原理框图
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

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。
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。
测周法原理图
测周电路原理框图
3、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 光电隔离电路 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。

控制模块



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， 适时产生控制通道切换信号，使本模块进入或退出控制。 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。 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 控制模块结构框图 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。