一种基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于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。采用本发明专利技术的技术方案，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。可移植性好。可移植性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的燃油系统步进电机故障监测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：基于
技术介绍
中的问题，本专利技术提供基于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；
[0005]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。
[0006]技术方案：为解决上述问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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：
[0015]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；
[0016]B)若时间戳更新，检查A、B、C、D项是否有输出；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]有益效果：本专利技术与现有技术相比：
[0021]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
[0022]图1为步进电机在线、过流的第一种形式检测原理框图；
[0023]图2为步进电机在线、过流的第二种形式检测原理框图；
[0024]图3为FPGA每6ms发送的6帧数据示意图；
[0025]图4为步进电机在线诊断策略；
[0026]图5为步进电机在线故障诊断流程图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步地说明。
[0028]实施例
[0029]如图1至图5所示，
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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：
[0033]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；
[0034]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。
[0035]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；
[0036]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
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>AB
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>B
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>BC
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>C
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>CD
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢林，郭潇晟，李志鹏，李辉，杨云强，
申请(专利权)人：中国航发控制系统研究所，
类型：发明
国别省市：