CN109723314A - 一种基于fpga控制的飞机货舱门机电驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空机电控制技术领域，具体涉及一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置。本发明包括线性作动器、控制面板、传动软轴和电动驱动工具，可实现“电传飞控”，具有较高的自动化程度，在可靠性、安全性、维修性指标上实现大幅提高，且加工难度小、成本低、重量轻，适合飞机应用，尤其适合在全电/多电飞机上应用。

Description

一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置

技术领域

本发明属于航空机电控制技术领域，具体涉及一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置。

背景技术

国内外现有的民用飞机在进行货舱门开闭时，通常使用货舱门液压控制系统，通过液压控制货舱门的开启和关闭可以实现基本的舱门开闭功能。但是，现有的舱门液压控制系统仅仅是机械式的进行人工控制，内部没有电路系统实现开闭控制，其自动化程度很低，操作复杂，人机工程与安全性方面的考虑存在不足。

现有的货舱门液压控制系统通过阀和液压缸控制货舱门的开关，舱门处结构简单，安装方便，但液压管路布置复杂，不符合多电飞机/全电飞机的发展趋势。货舱门液压控制系统主要存在如下问题：

1.液压管路复杂，总体成本高，若飞机为全电飞机，需要单独为此提供液压能源铺设液压管路，此问题尤为突出；

2.液压油容易受到污染，阀和液压管路容易发生堵塞，系统可靠性低；

3.发生堵塞后没有紧急手动开/关门模式，只能通过阀的旁通模式将门打开，操作性差，延长了飞机停靠时间；

4.该系统维修性差，拆卸液压缸时会出现漏油问题；

该系统为开环系统，需要通过人观察是否开/关门到位，自动化程度低，精度低。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：提供一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，实现货舱门开/关的电传飞控。

本发明的技术方案如下所述：

一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，包括线性作动器和控制面板：

飞机卸货过程中，线性作动器进行自检，自检结果正常时进入工作模式接受开门指令后开启货舱门：控制面板通过将开门指令发送线性作动器，由线性作动器的控制器进行运算，驱动电机转动，电机带动作动杆伸出，作动杆推动货舱门开启；

卸货完成后，线性作动器进行自检，自检结果正常时进入工作模式接受关门指令后关闭货舱门：控制面板通过将关门指令发送线性作动器，由线性作动器的控制器进行运算，驱动电机转动，电机带动作动杆回拉，作动杆拉动货舱门关闭。

作为优选方案：本飞机货舱门机电驱动装置还包括传动软轴和电动驱动工具；自检结果不正常时，进入手动模式开关货舱门：通过电动驱动工具及控制面板内的传动装置带动传动软轴转动，通过线性作动器的传动装置带动作动杆伸缩。

作为优选方案：所述线性作动器包括控制器和作动器，控制器接收机载电源供电、飞机舱门信号系统的状态信号、和控制面板的开/关门指令，驱动作动器作动，最后通过作动杆带动舱门开/关。

作为优选方案：所述控制器采用FPGA核心处理芯片：

控制器上电后，核心处理芯片FPGA首先进行自检，检查控制器各子电路的工作状态；自检通过后，实时将飞机舱门信号系统通过接口电路发来的舱门状态信号传输给控制面板；控制器接收到控制面板发出的开/关门指令后，同时采集相电流、电机转子位置及舱门位置状态信号，完成机电作动器的位置、转速、电流三闭环控制，通过功率驱动电路驱动直流无刷电机运动，完成货舱门的开/关门动作；

货舱门处于关闭位置时，位置计数值为零；货舱门处于开启位置时，位置计数值为最大；线性作动器工作后，通过电机上安装的旋转变压器计算出当前位置，进行位置闭环控制，同时将当前位置信息存储在EEPROM中；

控制器实时监测伺服电机的三相电流，通过电流解算当前电机的输出力矩，如果输出力矩异常增大且超过安全值，则切断伺服电机输入电压、使作动器停止工作。

作为优选方案：所述作动器包括伺服电机、齿轮减速器、反传动逆止装置、滚珠丝杠副和作动杆，伺服电机输出转矩和转速，通过齿轮减速器进行减速，再通过滚珠丝杠副将旋转运动转化为直线运动，在反传动逆止装置的作用下齿轮减速器能够带动滚珠丝杠副的丝杆转动进行正向传动，滚珠丝杠副无法带动齿轮减速器进行反向传动，最终由作动杆输出直线力和位移，带动货舱门开/关。

作为优选方案：所述控制面板包括电连接器、指示灯、拨动开关、自检按钮、驱动工具接口和传动软轴接口；在货舱门作动器没有动作时，按下自检按钮，使控制面板上的各个指示灯同时点亮，控制面板向控制器发送控制面板自检完成指令，控制器向控制面板发出系统自检指令，并在指示灯中显示；自动模式下地勤人员拨动拨动开关，然后通过内部电路、电连接器及电缆将开/关门指令发送给线性作动器，带动货舱门开/关；手动模式下电动驱动工具通过驱动工具接口、内部传动装置、传动软轴接口和传动软轴带动线性作动器，最终带动货舱门开/关。开门过程中指示灯中的开门指示灯闪烁；开门到位后指示灯中的开门指示灯常亮；关门过程中指示灯中的关门指示灯闪烁；关门到位后指示灯中的关门指示灯常亮；若出线负载异常增大等故障线性作动器停止的同时指示灯中的故障指示灯闪烁，通过指示灯输出货舱门机电驱动装置的当前状态，地勤人员据此进行下一步处理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，与现有国内外现有方案相比，可实现“电传飞控”，具有较高的自动化程度，在可靠性、安全性、维修性指标上实现大幅提高，且加工难度小、成本低、重量轻，适合飞机应用，尤其适合在全电/多电飞机上应用；

(2)本发明的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，避免了复杂的液压管路铺设，通过电缆输入电能直接转换为机械能，成本低、效率高，尤其适合全电/多电飞机；

(3)本发明的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，线性作动器、控制面板、传动软轴、电动驱动工具四个组成部分(LRU)互相独立，某一处出现问题，可在线更换，更换时无漏油问题，维修性大幅提高；

(4)本发明的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，通过计算电机转数及位置解算实现位置闭环控制、无需人工判断舱门是否到位，自动化程度高、精度高；

(5)本发明的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，通过电流反馈解算当前电机的输出力矩，如果输出力矩异常增大且超过安全值，进行保护，防止货舱门或机身结构损坏。

附图说明

图1为飞机货舱门机电驱动装置原理图；

图2为飞机货舱门机电驱动装置控制器原理图；

图3为飞机货舱门机电驱动装置作动器原理图；

图4为飞机货舱门机电驱动装置控制面板原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置进行详细说明。

本发明的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置安装在货舱门和机身之间，地勤人员通过控制面板操作，实现货舱门的正常开/关，其系统架构如图1所示。

货舱门机电驱动装置包括线性作动器1、控制面板2、传动软轴3和电动驱动工具4。飞机降落平稳后，开始卸货，供电电源给货舱门机电驱动装置供电，线性作动器1进行自检，自检通过后进入工作模式，地勤人员拨动控制面板2上的拨动开关，控制面板2通过电缆J3将开门指令发送线性作动器1，由线性作动器1的电气部分控制器1-1进行运算，驱动电机转动，电机通过减速装置带动作动杆1-2-5伸出，作动杆1-2-5推动货舱门开启。卸货完成后，货舱门关闭同理。

若线性作动器1的控制器1-1或传输电缆出线故障，可以通过手动模式开关货舱门。此时通过电动驱动工具4带动传动软轴3转动，通过线性作动器1的传动装置带动作动杆1-2-5伸缩，达到控制货舱门开关的目的。

具体而言，所述线性作动器1包括控制器1-1和作动器1-2，控制器1-1通过电缆J1、J2、J3接收电源供电、飞机舱门信号系统的状态信号、和控制面板的开/关门指令，驱动作动器1-2作动，最后通过作动杆1-2-5带动舱门开/关。

如图2所示，所述控制器1-1采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)为核心处理芯片，相对于DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理)具有更高的密度、更快的工作速度、更大的灵活性和更丰富的I/O口。另外民航飞机的适航管理规定，DSP需要按照航空软件审核标准DO-178和航空复杂电子硬件标准DO-254进行适航审定；而FPGA采用硬件描述语言，仅需要复杂电子硬件标准DO-254进行适航审定，选择FPGA审定流程更简单，可大幅缩短研制周期。

控制器1-1上电后，核心处理芯片FPGA首先进行自检，检查控制器各子电路的工作状态。自检通过后，实时将舱门信号系统通过接口电路发来的舱门状态信号传输给控制面板2。控制器1-1接收到控制面板2发出的开/关门指令后，同时采集相电流、电机转子位置及舱门位置状态信号，完成机电作动器的位置、转速、电流双闭环控制，通过功率驱动电路驱动直流无刷电机1-2-1运动，完成货舱门的开/关门动作。

货舱门处于关闭位置时，位置计数值为零；货舱门处于开启位置时，位置计数值为最大。线性作动器1工作后，通过电机1-2-1上安装的旋转变压器计算出当前位置，进行位置闭环控制，同时将当前位置信息存储在EEPROM中，保证掉电情况位置指令保存完好，这样即使线性作动器1工作过程中异常断电，重新上电后FPGA可读取EEPROM中的位置信息，继续闭环运行。

控制器1-1实时监测伺服电机1-2-1的三相电流，通过电流解算当前电机输出力矩，如果输出力矩异常增大且超过安全值，进行保护，切断伺服电机1-2-1输入电压、使作动器1-2停止工作，防止货舱门或机身结构损坏。

如图3所示，所述作动器1-2包括伺服电机1-2-1、齿轮减速器1-2-2、反传动逆止装置1-2-3、滚珠丝杠副1-2-4和作动杆1-2-5，伺服电机1-2-1输出转矩和转速，通过齿轮减速器1-2-2进行减速，再通过滚珠丝杠副1-2-4将旋转运动转化为直线运动，最终由作动杆1-2-5输出直线力和位移，带动货舱门开/关。反传动逆止装置1-2-3实现如下功能：齿轮减速器1-2-2可带动滚珠丝杠副1-2-4的丝杆转动进行正向传动，而滚珠丝杠副1-2-4无法带动齿轮减速器1-2-2进行反向传动，即当货舱门开门到位后伺服电机1-2-1不需要输出力矩，作动杆1-2-5也不会被货舱门的重力负载反向推动。

如图4所示，所述控制面板2包括电连接器2-1、指示灯2-2、拨动开关2-3、自检按钮2-4、驱动工具接口2-5和传动软轴接口2-6。在货舱门作动器没有动作时，按下自检按钮2-4，可使控制面板2上的各个指示灯2-2同时点亮，控制面板2向控制器1-1发送控制面板自检完成指令，控制器1-1向控制面板2发出系统自检指令，并在指示灯中显示。这说明控制器1-1、控制面板2、电源供电及飞机舱门信号系统的状态信号均正常，可进行开/关门操作。自动模式下地勤人员拨动拨动开关2-3，然后通过内部电路、电连接器2-1及电缆J3将开/关门指令发送给线性作动器1，带动货舱门开/关；手动模式下电动驱动工具4通过驱动工具接口2-5、内部传动装置、传动软轴接口2-6和传动软轴3带动线性作动器1，最终带动货舱门开/关。开门过程中指示灯2-2中的开门指示灯闪烁；开门到位后指示灯2-2中的开门指示灯常亮；关门过程中指示灯2-2中的关门指示灯闪烁；关门到位后指示灯2-2中的关门指示灯常亮；若出线负载异常增大等故障线性作动器1停止的同时指示灯2-2中的故障指示灯闪烁，通过指示灯2-2输出货舱门机电驱动装置的当前状态，地勤人员据此进行下一步处理。

所述传动软轴3和所述电动驱动工具4为本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，包括线性作动器(1)和控制面板(2)，其特征在于：

飞机卸货过程中，线性作动器(1)进行自检，自检结果正常时进入工作模式接受开门指令后开启货舱门：控制面板(2)通过将开门指令发送线性作动器(1)，由线性作动器(1)的控制器(1-1)进行运算，驱动电机转动，电机带动作动杆(1-2-5)伸出，作动杆(1-2-5)推动货舱门开启；

卸货完成后，线性作动器(1)进行自检，自检结果正常时进入工作模式接受关门指令后关闭货舱门：控制面板(2)通过将关门指令发送线性作动器(1)，由线性作动器(1)的控制器(1-1)进行运算，驱动电机转动，电机带动作动杆(1-2-5)回拉，作动杆(1-2-5)拉动货舱门关闭。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，其特征在于：还包括传动软轴(3)和电动驱动工具(4)；自检结果不正常时，进入手动模式开关货舱门：通过电动驱动工具(4)及控制面板内的传动装置带动传动软轴(3)转动，通过线性作动器(1)的传动装置带动作动杆(1-2-5)伸缩。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，其特征在于：所述线性作动器(1)包括控制器(1-1)和作动器(1-2)，控制器(1-1)接收机载电源供电、飞机舱门信号系统的状态信号、和控制面板的开/关门指令，驱动作动器(1-2)作动，最后通过作动杆(1-2-5)带动舱门开/关。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，其特征在于：所述控制器(1-1)采用FPGA核心处理芯片：

控制器(1-1)上电后，核心处理芯片FPGA首先进行自检，检查控制器各子电路的工作状态；自检通过后，实时将飞机舱门信号系统通过接口电路发来的舱门状态信号传输给控制面板(2)；控制器(1-1)接收到控制面板(2)发出的开/关门指令后，同时采集相电流、电机转子位置及舱门位置状态信号，完成机电作动器的位置、转速、电流三闭环控制，通过功率驱动电路驱动直流无刷电机(1-2-1)运动，完成货舱门的开/关门动作；

货舱门处于关闭位置时，位置计数值为零；货舱门处于开启位置时，位置计数值为最大；线性作动器(1)工作后，通过电机(1-2-1)上安装的旋转变压器计算出当前位置，进行位置闭环控制，同时将当前位置信息存储在EEPROM中；

控制器(1-1)实时监测伺服电机(1-2-1)的三相电流，通过电流解算当前电机的输出力矩，如果输出力矩异常增大且超过安全值，则切断伺服电机(1-2-1)输入电压、使作动器(1-2)停止工作。

5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，其特征在于：所述作动器(1-2)包括伺服电机(1-2-1)、齿轮减速器(1-2-2)、反传动逆止装置(1-2-3)、滚珠丝杠副(1-2-4)和作动杆(1-2-5)，伺服电机(1-2-1)输出转矩和转速，通过齿轮减速器(1-2-2)进行减速，再通过滚珠丝杠副(1-2-4)将旋转运动转化为直线运动，在反传动逆止装置(1-2-3)的作用下齿轮减速器(1-2-2)能够带动滚珠丝杠副(1-2-4)的丝杆转动进行正向传动，滚珠丝杠副(1-2-4)无法带动齿轮减速器(1-2-2)进行反向传动，最终由作动杆(1-2-5)输出直线力和位移，带动货舱门开/关。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，其特征在于：所述控制面板(2)包括电连接器(2-1)、指示灯(2-2)、拨动开关(2-3)、自检按钮(2-4)、驱动工具接口(2-5)和传动软轴接口(2-6)；在货舱门作动器没有动作时，按下自检按钮(2-4)，使控制面板(2)上的各个指示灯(2-2)同时点亮，控制面板(2)向控制器(1-1)发送控制面板自检完成指令，控制器(1-1)向控制面板(2)发出系统自检指令，并在指示灯中显示；自动模式下地勤人员拨动拨动开关(2-3)，然后通过内部电路、电连接器(2-1)及电缆将开/关门指令发送给线性作动器(1)，带动货舱门开/关；手动模式下电动驱动工具(4)通过驱动工具接口(2-5)、内部传动装置、传动软轴接口(2-6)和传动软轴(3)带动线性作动器(1)，最终带动货舱门开/关。

7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA控制的飞机货舱门机电驱动装置，其特征在于：开门过程中指示灯(2-2)中的开门指示灯闪烁；开门到位后指示灯(2-2)中的开门指示灯常亮；关门过程中指示灯(2-2)中的关门指示灯闪烁；关门到位后指示灯(2-2)中的关门指示灯常亮；若出线负载异常增大等故障线性作动器(1)停止的同时指示灯(2-2)中的故障指示灯闪烁，通过指示灯(2-2)输出货舱门机电驱动装置的当前状态，地勤人员据此进行下一步处理。