1 引言
从控制角度来说，最初的副翼控制纯粹是靠机械机构完成的，是飞行员投手操作，利用拉杆完成副翼角度的调整；后来的副翼控制利用了模拟电子元器件，靠电机驱动执行机构，大大减轻了飞行员的操作强度。随着科技的发展对新一代飞机提出了更高要求，实现数字化控制是飞机副翼控制的发展方向。在此，文中提出了某型号飞机副翼数字控制系统设计方案。
2 系统原理结构
2.1系统组成
飞机副翼由两片副翼调整片组成，分布在机舱两侧的机翼上，相距十几米，飞行时必须保证动作一致，也就是两个副翼调整片的转过角度相等，采用连杆使其动作一致显然不可行。系统设计要求副翼调整片的转过角度为±6°，精度为±0.25°，驱动副翼转动靠伺服电机完成。为了得到精确控制，需将系统设计成闭环工作模式，采集反馈信号的方法有两种：一是从副翼上利用转角传感器采样，二是从电机输出轴上采集，本文采用后一种方法。副翼控制系统原理结构图如图1所示。
图1中的控制器是系统核心，采用Atmel公司的单片机AT89C52。它具有8 KB Flash存储器，128字节RAM，32条I／O口线，2个16位定时／计数器，6个中断源，1个串行I／O口，片内振荡器和时钟电路。控制器安装于飞机机舱中。键盘和显示部分安装于飞行员的驾驶室，由两条16 m多芯带屏蔽导线与控制器相连，分别对应于两台不同电机的指令发出和动作回显，回显信号为电压信号，即1～13 V对应±60°副翼、伺服电机和转角采样部分位于两机翼末端，也由2条16 m多芯带屏蔽导线与控制器相连，分别承载两台不同电机的旋转信号和反馈位置信号。
2.2反馈角度检测
转过角度检测采用线性霍尔磁敏元件OH3503，其原理如图2所示。图中霍尔元件固定不动，位置磁钢旋转，霍尔元件输出为一条正弦曲线，利用反正弦函数即可得到位置磁钢的旋转角度。
然而，在图2所示的0°、180°和360°附近，曲线斜率很小，如果采用一个霍尔元件抗干扰能力很差，因此该系统采用了3个环形分布、互差120°的霍尔元件。
2.3信号传输
由于机载设备的电磁辐射较大，采用电压传送数字信号容易受到干扰，而飞机一般选用专用航空总线，例如1553B、ARINC429等，专用总线价格较高，而且开发周期长。结合该系统特点，因数据量不大，可选用低波特率。为此，该系统选用电流环方式通讯。电压电流变换选用AD694，其内部结构如图3所示。
由于AD694的供电电源范围为4.5～36 V，根据不同的连线方式可以输入0～2 V、0～2.5 V、0～10 V以及0～12.5 V，输出可选0～20 mA和4～20 mA。本系统设计输入为0～2.5 V，输出为4～20 mA。
2.4机构中介位置
机构中介位置是整个机构的基准点，当机构处于中介位置时，副翼转角为0°，在正常运行时，机构应从中介位置开始运行；结束时，应停在中介位置。在中介位置处，光电开关输出低电平，当CPU收到低电平时，自动校正电机位置。
2.5电源设计
机载电源为直流27 V，受其他机载电子设备的影响，电源波动较大，因此设计控制系统电源时选用了隔离电源。控制器的核心器件、A／D转换器、D／A转换器及霍尔元件的工作电压均为5 V。该电源的稳定程度直接影响输出电压，因此采用独立电源；A／D、D／A转换器的基准电压采用直流5V；信号运算放大器的电压为±12 V，伺服电机直接用27 V电压，位置电压输出运算放大器电源为非隔离15 V，其电源变换如图4所示。
2.6其他辅助电路
系统要求能在非正常断电时保存副翼当前角度的位置信息，当再次上电后能在此基础上继续运行。本系统选用Atmel公司的24C02存储器EEPROM保存当前电机的位置信息。掉电时，系统能将当前电机的位置信息写入EEPROM。选用MAX813L实现对电源的监测。当电源检测端电压低于1.25 V时，向CPU发出中断，CPU响应该中断时，将当前电机位置信息写入EEPROM，1.25 V电压由电源电压经过分压后获得。CPU需要定时向MAX813L的看门狗定时器发出喂狗指令，否则将视CPU程序跑飞，给CPU发出复位信号，强制CPU复位。
3 系统电路设计
根据上述原理结构分析，该系统共有6通道A／D转换、2通道D／A转换、两台电机正反转共4个键值、两台机构中介位置、电源失电中断、EEPROM(24C02)以及看门狗(MAX813L)；系统采用54HC373和54HC138扩展I／O口。图5给出其各个器件之间的连线。
3.1 CPU电路
该系统采用Atmel公司的AT89C52单片机作为处理器。图6给出CPU的最小系统。它由CPU、电源滤波电路、复位电路和振荡电路组成。
3.2霍尔元件输出信号调理
霍尔元件工作时只需接电源和地即可输出。在无磁场情况下输出的理论值为直流2.5 V，但由于器件的差异，实际输出在2.35～2.65 V之间。为了得到统一的输出，在后级的信号调理电路中，采用加／减法电路，将该输出调整为5 V。为了简化电路，使用时对器件进行筛选，选出2.35～2.5 V器件，利用加法电路将输出抬升到2.5 V。将霍尔元件安装于电机中，由于霍尔元件与位置磁钢之问的相对位置可能不同，导致霍尔元件输出的正弦峰峰值可能不同，采用可调放大电路使该部分输出达到1～4 V，如图7所示。电平抬升电路由R19、R20和RW7组成；放大电路由R17和RW4组成。
3.3电流环电路
电压电流变换采用AD694完成，从引脚3输入电压0.75～2.25 V；从引脚11输出电流6～18 mA。经过长线传输后在控制器处将电流转换为电压，采用100Ω采样电阻，其压降为0.6～1.8 V。然后进入运算放大器放大2.5倍，可得1.5～4.5 V的直流电压。电压电流变换和电流电压变换电路如图8所示。
3.4 A／D转换电路
A／D转换器采用ADC0809。该器件为8通道8位A／D转换器，其电路如图9。图中IN_0～IN_7为8个通道的输入端，设计中只采用6个通道，用于将两台电机的6个霍尔输出转化成数字量信号。2-1～2-8为8个数字量输出端，与54HC373相连，然后再与CPU的P0口相连；EOC为转换结束信号线，与CPU的中断0(INT0)相连，当转换结束后，通知CPU读取数字量信号；ADD-A、ADD-B和ADD-C用于选择转换通道，由CPU的P2.4、P2.5和P2.6口直接控制；ALE和ATART为启动A／D转换信号，由CPU的P2.7控制；CLOCK为转换时钟，由CPU的ALE输出2分频后提供；参考电压由LM136提供5 V电压。
3.5 D／A转换电路
D／A转换电路采用ADC0832，如图10。图中D0-D7为8个数字量输入端，与54HC373相连，然后再与CPU的P0口相连；CS为片选信号，与54HC138相连；WR1和WP2与CPU的P3.6相连；参考电压由LM136提供；输出为电流形式，必须外接LM124A，输出为负电压，在此采用反相比例运放(LM124B)将其变为正电压。
3.6键盘和电源掉电中断电路
图11示出键盘和电源掉电中断电路。键盘信号幅值为27 V，且与电源共地，采用光电隔离器件TLP521将信号耦合到控制系统中，光隔后级采用低通滤波和斯密特反相器整形，MAX813L监测到电源掉电也会输出低电平，这几个信号相与后与中断1(INT1)相连接；CPU产生中断后立即查询是哪路信号引起中断，该查询过程需要配合54HC373的开通，该部分见图5。
3.7电机正反转控制电路
图12示出电机正反转控制电路。当P2.3为低电平时，史密特反相器输出高电平，光耦输出高电平，场效应管VO1导通，电机正转，线圈形成闭合回路，线圈中有电流，电机正转，此时P2.2为高电平；反之当P2.2为低电平时，电机反转。
4 结语
副翼控制器采用霍尔元件对机构绝对位置信息进行采集，非接触、无摩损、可靠性高；远距离采用电流通讯环保证了反馈信号安全有效传输；副翼转动精度远远超过设计时给定目标。该系统已在地面试验台经过验证，正在进行各种例行试验。
