[發明專利]一種基于FPGA+CPU架構的主動控制旋翼實時控制系統

在審

• 申請號: 202011021482.0
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112162509A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 張仕明;胡和平;高樂;周云;鄧旭東;魏武雷
• 申請（專利權）人: 中國直升機設計研究所
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 王世磊

本發明屬于旋翼控制技術領域，公開了一種基于FPGA+CPU架構的主動控制旋翼實時控制系統，包括：控制主機、處理器板卡、帶FPGA模塊的I/O板卡和背板總線；控制主機與處理器板卡連接；控制主機用于監控控制系統與操縱控制系統；處理器板卡上設有外層控制模塊和中間層控制模塊外層控制模塊用于任務控制；中間層控制模塊用于各個旋翼槳葉驅動器的動態誤差補償的一致性控制；處理器板卡通過背板總線與帶FPGA模塊的I/O板卡連接；帶FPGA模塊的I/O板卡用于信號采集、時鐘同步、硬件觸發信號處理，帶FPGA模塊的I/O板卡上還設有內層控制模塊；內層控制模塊用于旋翼槳葉驅動器的穩態誤差補償控制。

技術領域

本發明屬于旋翼控制技術領域，尤其涉及一種基于FPGA+CPU架構的主動控制旋翼實時控制系統。

背景技術

在過去的三十年里，為了減小旋翼振動，涌現出了多種主動控制旋翼技術，其中主動控制后緣襟翼，actively controlled flap，ACF最為成熟。此外ACF旋翼還具有降噪、旋翼性能提升、旋翼錐體在線平衡等能力，被稱為下一代旋翼。

ACF旋翼控制系統一般包含內層、中間層、外層3個層次，如圖1所示，最內層是驅動器控制器，其作用為控制驅動器按給定指令運行，消除遲滯等誤差。中間層控制器為槳葉間一致控制器，其作用為消除各片槳葉制造、驅動裝置加工裝配誤差、驅動器性能差異等引起的各片槳葉間后緣襟翼偏轉差異。最外層控制器為任務控制器，根據控制任務不同(減振、降噪、錐體在線平衡等)，其控制律相應更改，其作用是給出優化的后緣襟翼揮舞的期望信號。不同于常見的飛行控制系統(低頻率定時控制),ACF旋翼控制系統與槳葉旋轉的相位角緊密相關,控制信號常采用等相位輸出而不是等時,觸發信號為編碼器硬件觸發(如1024/rev)。此外，ACF旋翼控制系統的三層控制更新周期各不相同，如內層驅動器控制器更新為1024/rev，中間層幅相補償控制器更新為1/rev，而外層任務控制器更新為1/3rev，且外層控制律計算復雜，對實時計算機能力要求高。因此，ACF旋翼控制系統的復雜外層控制律計算和不同更新周期的3層控制結構引起的通訊問題，使得ACF旋翼控制系統硬件環境設計和軟件設計都很困難。

傳統的ACF旋翼主動控制，大部分采用dSPACE系統或dSPACE模塊作為實時計算機，運行外層任務控制器或外層任務控制器，中間層幅相補償控制器和內存驅動器控制器常為驅動器制造商提供，為單獨的一個控制器設備，兩者之間還需專門設計通訊接口。

發明內容

針對背景技術中的問題，本發明的目的在于提出一種具備基于模型的控制器設計快速迭代能力的主動控制旋翼控制系統，3層控制器在一個設備內實現，滿足主動控制旋翼系統的實時性、多控制器更新周期不同、控制信號與槳葉相位高度相關等需求。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案予以實現。

一種基于FPGA+CPU架構的主動控制旋翼實時控制系統，包括：控制主機、處理器板卡、帶FPGA模塊的I/O板卡和背板總線；

所述控制主機與處理器板卡連接；所述控制主機用于監控控制系統與操縱控制系統；所述處理器板卡上設有外層控制模塊和中間層控制模塊；

所述外層控制模塊用于任務控制；

所述中間層控制模塊用于各個旋翼槳葉驅動器的動態誤差補償的一致性控制；

所述處理器板卡通過背板總線與帶FPGA模塊的I/O板卡連接；所述帶FPGA模塊的I/O板卡用于信號采集、時鐘同步、硬件觸發信號處理，所述帶FPGA模塊的I/O板卡上還設有內層控制模塊；

所述內層控制模塊用于旋翼槳葉驅動器的穩態誤差補償控制。

進一步，所述控制系統包括多塊帶FPGA模塊的I/O板卡；所述多塊帶FPGA模塊的I/O板卡通過背板總線相互連接。