CN112698201A - 一种基于fpga的燃油系统步进电机故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，CPU连接FPGA，FPGA连接四相八拍步进电机，将步进电机四个相位按照顺序分别设为A、B、C和D相，FPGA内的开关管S1将采样电阻R4和步进电机串联，FPGA控制步进电机转动并每2ms采集一次步进电机状态信息以及采样电阻R4电压信息，每6ms发送6帧数据，每帧数据包含，时间戳、A项输出信息、B项输出信息、C项输出信息、D项输出信息、AC在线信息、BD在线信息、AC过流信息和BD过流信息，CPU每6ms获取FPGA发送的6帧数据并进行计算，以分析电机是否存在断线或过流的问题。采用本发明的技术方案，能够有效地检测步进电机在线故障，可靠性高、虚警率低、可移植性好。

Description

一种基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA和软件判断的步进电机在线实时故障诊断技术，属于故障诊断技术领域。

背景技术

在航空发动机数字电子控制系统中，使用步进电机控制燃油执行机构成为未来的发展趋势。对步进电机的故障诊断也成为航空发动机燃油控制系统的高安全性要求。

由于数控系统步进电机工作时处于高速运行状态，电机每相工作时间仅2ms，对其进行实时故障检测困难较大，采用CPU实时检测，不仅占用资源巨大，且难以实现。

发明内容

发明目的：基于背景技术中的问题，本发明提供基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，发动机运行过程中，实时检测步进电机和解算器的断线、过流故障，有效改善上电过程检测一次的弊端；

在步进电机高速运行时，硬件可在2ms内完成故障信息收集，由CPU确认故障，并执行相应故障对策，有效避免故障带来的影响。

技术方案：为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

一种基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，CPU连接FPGA，FPGA连接四相八拍步进电机，步进电机每2ms步进一拍，将步进电机四个相位按照顺序分别设为A相、B相、C相和D相，FPGA内的开关管S1将采样电阻R4和步进电机串联，A相和C相并联后和一个第一采样电阻串联，B相和D相并联后和一个与第一采样电阻完全相同的第二采样电阻串联，包括以下步骤：

1)设定时间戳为0，FPGA控制步进电机转动并每2ms采集一次步进电机状态信息以及采样电阻R4电压信息，每2ms时间戳自增1；

2)设置在采样电阻R4和FPGA间的比较器将获得的采样电阻R4电压信息和FPGA中预设的在线检测阀值和过流检测阀值比对，以获得AC的在线或过流信息，以及BD的在线或过流信息，将AC的在线或过流信息、BD的在线或过流信息以及和步骤；

3)FPGA每6ms向CPU发送6帧数据，其中包括3帧前6ms的数据以及3帧现在6ms的数据，每帧数据包含时间戳、A项输出信息、B项输出信息、C项输出信息、D项输出信息、AC在线信息、BD在线信息、AC过流信息和BD过流信息；

4)CPU每6ms获取FPGA发送的6帧数据并进行计算，以分析电机是否存在断线或过流的问题。

进一步地，所述步骤1)中，电机状态信息包括A项输出信息、B项输出信息、C项输出信息和D项输出信息。

进一步地，所述步骤2)中，当采样电阻R4电压高于预设的在线检测阀值或过流检测阀值，则判断步进电机处于在线或过流的状态，当步进电机不在线，电流无法流过R4采样电阻，采样电阻R4电压值接近0V，低于预设的在线检测阀值或过流检测阀值，则判断步进电机不在线或不过流状态。

进一步地，所述步骤4)中，每6msCPU判断一次步进电机是否故障，X相代表A相、B相、C相或D相中任意一项，具体包括以下步骤：

A)在每6ms，CPU查看获取的6帧数据中，新的3帧数据时间戳是否更新；

B)若时间戳更新，检查A、B、C、D项是否有输出；

C)若X项输出，且X项在线信息不成立，代表X项断线，连续诊断X项断线信息成立60个周期，认为X项断线故障成立；

D)若X项断线故障成立后，连续诊断X项断线信息不成立50个周期，取消X项断线故障。

进一步地，所述步骤C)或D)中，故障确认以及取消过程中需要注意的是，X项断线故障的确认以及取消必须在X项输出时进行诊断。

有益效果：本发明与现有技术相比：

经过半物理稳态和动态验证，证实航空发动机燃油控制系统中步进电机故障监测方法，能够有效地检测步进电机在线故障，可靠性高、虚警率低、可移植性好，其控制稳态性能、动态性能均能够满足控制要求。其优势是可以在发动机运行状态下实时检测步进电机故障，并且检测时间短，有效避免因故障带来的不良影响，后续可在其它项目中得到更多的推广和应用。

附图说明

图1为步进电机在线、过流的第一种形式检测原理框图；

图2为步进电机在线、过流的第二种形式检测原理框图；

图3为FPGA每6ms发送的6帧数据示意图；

图4为步进电机在线诊断策略；

图5为步进电机在线故障诊断流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地说明。

实施例

如图1至图5所示，

FPGA实现步进电机驱动输出以及BIT状态采集功能，如图1所示。步进电机采用四相八拍恒流的控制方式，对每相控制采用上下管的方式，上管恒流斩波，下管进行相序控制，硬件BIT检测主要针对关键部件故障模式进行检测，本方案设计有断线检测、在线检测以及过流检测。

步进电机在线工作时，FPGA控制开关管S1导通，电流流过采样电阻R4，在线检测阀值U1和过流检测阀值U2，均有电压产生，与设计的基准值比较，高于基准值，则判断步进电机处于在线或过流的状态。当步进电机不在线时，电流无法流过采样电阻R4，U1和U2电压值接近0V，低于设计的基准值，则判断步进电机初步不在线或不过流状态，如图2所示。

一种基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，CPU连接FPGA，FPGA连接四相八拍步进电机，步进电机每2ms步进一拍，将步进电机四个相位按照顺序分别设为A相、B相、C相和D相，FPGA内的开关管S1将采样电阻R4和步进电机串联，A相和C相并联后和一个第一采样电阻串联，B相和D相并联后和一个与第一采样电阻完全相同的第二采样电阻串联，还包括能够对步进电机RS、以及比较器进行驱动的驱动电路，包括以下步骤：

设定时间戳为0，FPGA控制步进电机转动并每2ms采集一次步进电机状态信息以及采样电阻R4电压信息，每2ms时间戳自增1；

步骤1)中，电机状态信息包括A项输出信息、B项输出信息、C项输出信息和D项输出信息。

2)设置在采样电阻R4和FPGA间的比较器将获得的采样电阻R4电压信息和FPGA中预设的在线检测阀值和过流检测阀值比对，以获得AC的在线或过流信息，以及BD的在线或过流信息，将AC的在线或过流信息、BD的在线或过流信息以及和步骤；

记录步进电机当前是哪一项输出，使用了A、B、C、D相输出信息,步进电机是4相8拍的控制方式，也就是A->AB->B->BC->C->CD->D->DA->A。例如A、B、C、D相输出信息是A、B有效，C、D无效那么当前输出项就是AC相；

AC、BD在线信息：硬件是A和C相的BIT信息组合为一个状态，即“AC在线信息”，也就是A、C中任何一个在输出，那么通过输出端口的电压变化来检测，“AC在线信息”是有效；如果无效，就说明输出了A、C相，但是硬件端口没有电压变化，说明A、C相有一个断了，过流同理。

步骤2)中，当采样电阻R4电压高于预设的在线检测阀值或过流检测阀值，则判断步进电机处于在线或过流的状态，当步进电机不在线，电流无法流过R4采样电阻，采样电阻R4电压值接近0V，低于预设的在线检测阀值或过流检测阀值，则判断步进电机不在线或不过流状态。

3)FPGA每6ms向CPU发送6帧数据，其中包括3帧前6ms的数据以及3帧现在6ms的数据，每帧数据包含时间戳、A项输出信息、B项输出信息、C项输出信息、D项输出信息、AC在线信息、BD在线信息、AC过流信息和BD过流信息；

4)CPU每6ms获取FPGA发送的6帧数据并进行计算，以分析电机是否存在断线或过流的问题。

当且仅当某项输出时执行故障诊断逻辑，在已存在了故障的基础上，当且仅当某项输出时执行故障取消逻辑。

步骤4)中，每6msCPU判断一次步进电机是否故障，X相代表A相、B相、C相或D相中任意一项，具体包括以下步骤：

A)在每6ms，CPU查看获取的6帧数据中，新的3帧数据时间戳是否更新；

B)若时间戳更新，检查A、B、C、D项是否有输出；

C)若X项输出，且X项在线信息不成立，代表X项断线，连续诊断X项断线信息成立60个周期，认为X项断线故障成立；

D)若X项断线故障成立后，连续诊断X项断线信息不成立50个周期，取消X项断线故障。

步骤C)或D)中，故障确认以及取消过程中需要注意的是，X项断线故障的确认以及取消必须在X项输出时进行诊断。

每6ms采集的步进电机BIT信息包含6帧数据，由于仅当步进电机驱动后数据的时间戳会更新，所以每6ms采集的数据并不是本周期步进电机动作的数据，包含多种情况，例如更新了3帧数据(步进电机走3步)，或没有更新数据(步进电机未驱动)，因此必须根据时间戳判断更新的数据，以及增加时间戳循环计数时的防误判设计。

本方案在国内航空发动机控制领域，首次采用FPGA硬件驱动和控制步进电机，实时采集驱动和反馈状态，通过软件分析故障诊断，实现了BIT检测，不仅可靠性高，实时性好，且节省了大量的软件资源。

验证

故障诊断算法影响分析

值得注意的是，诊断出故障的时间是不确定的，以下分析诊断时间对系统稳定性的影响。

a)最长诊断时间情况分析。

若开环控制步进电机情况下，步进电机稳定在某项时，CPU每6ms采集的FPGA返回数据中时间戳不会更新，此时最大故障诊断周期为理论为无穷大，即为最长诊断时间。此时由于步进电机没有动作，不改变计量燃油状态，对系统输出没有影响。

b)最小诊断时间情况分分析。

稳态过程中，假设步进电机断线在A相，并且步进电机一直在DA、A、AB三项之间震荡，此时软件每6ms判断步进电机断线3次，如果故障成立确实时间为连续60次，得到确认后故障时间为60/3*6ms＝120ms，即为最小诊断时间。此时由于步进电机在前后走动，对计量燃油波动影响较小。

c)影响最大情况分析。

加减速过程需要油针持续开大或持续减小，由于两种方案在步进电机的表现是正传与反转的区别，此处仅分析加速过程。步进电机驱动为2ms驱动1步或0步，6ms最大驱动3步。假设某状态下加速控制过程，6ms向同一方向驱动3步，且A项断线。步进电机每走一圈会判断A项断线3次(走一圈会经历DA->A->AB，其中3次经历了A项，所以可以判断3次)，在判故周期为60个数据帧的情况下，步进电机转动20圈能判出故障。如果油针1°对应步进电机步长为4步，步进电机一圈走8步，所以一圈是2°，20圈40°，此时对应油针已经变化40°，相对计量燃油变化较大，对系统稳定性的影响也较大。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，CPU连接FPGA，FPGA连接四相八拍步进电机，步进电机每2ms步进一拍，将步进电机四个相位按照顺序分别设为A相、B相、C相和D相，FPGA内的开关管S1将采样电阻R4和步进电机串联，A相和C相并联后和一个第一采样电阻串联，B相和D相并联后和一个与第一采样电阻完全相同的第二采样电阻串联，其特征在于：包括以下步骤：

1)设定时间戳为0，FPGA控制步进电机转动并每2ms采集一次步进电机状态信息以及采样电阻R4电压信息，每2ms时间戳自增1；

2)设置在采样电阻R4和FPGA间的比较器将获得的采样电阻R4电压信息和FPGA中预设的在线检测阀值和过流检测阀值比对，以获得AC的在线或过流信息，以及BD的在线或过流信息，将AC的在线或过流信息、BD的在线或过流信息以及和步骤；

3)FPGA每6ms向CPU发送6帧数据，其中包括3帧前6ms的数据以及3帧现在6ms的数据，每帧数据包含时间戳、A项输出信息、B项输出信息、C项输出信息、D项输出信息、AC在线信息、BD在线信息、AC过流信息和BD过流信息；

4)CPU每6ms获取FPGA发送的6帧数据并进行计算，以分析电机是否存在断线或过流的问题。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，其特征在于：所述步骤1)中，电机状态信息包括A项输出信息、B项输出信息、C项输出信息和D项输出信息。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，其特征在于：所述步骤2)中，当采样电阻R4电压高于预设的在线检测阀值或过流检测阀值，则判断步进电机处于在线或过流的状态，当步进电机不在线，电流无法流过R4采样电阻，采样电阻R4电压值接近0V，低于预设的在线检测阀值或过流检测阀值，则判断步进电机不在线或不过流状态。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，其特征在于：所述步骤4)中，每6msCPU判断一次步进电机是否故障，X相代表A相、B相、C相或D相中任意一项，具体包括以下步骤：

A)在每6ms，CPU查看获取的6帧数据中，新的3帧数据时间戳是否更新；

B)若时间戳更新，检查A、B、C、D项是否有输出；

C)若X项输出，且X项在线信息不成立，代表X项断线，连续诊断X项断线信息成立60个周期，认为X项断线故障成立；

D)若X项断线故障成立后，连续诊断X项断线信息不成立50个周期，取消X项断线故障。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法，其特征在于：所述步骤C)或D)中，故障确认以及取消过程中需要注意的是，X项断线故障的确认以及取消必须在X项输出时进行诊断。

Images