C8051F单片机的小型涡喷发动机控制系统方案.doc

一种基于C8051F单片机的小型涡喷发动机控制系统   摘要介绍了一种航空用小型涡轮喷气发动机控制系统的设计原理、实现方法和软硬件构成等。关键词 MCU,软件实现,中断控制 OneKindofMCUBasedSmallTurbineJetControlSystem Jite ChenShenggong ShenWeiqun SongZishan(SchoolofAutomationScienceandElectricEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsAndAstronautics,Beijing100083) Abstract Thearticleintroducesthedesignprinciples,realizationmethodandconfigurationofsoftwareandhardwareofasmallturbinejetcontrolsystem. Keywords Controlsystem,Turbinejet,Systemconfiguration,MCU,Softwarerealization,Interruptcontrol1 前 言该小型涡轮喷气发动机具有结构紧凑、体积小、重量轻和推重比大等特点。可应用于军用和民用领域,例如靶机和用来侦察、攻击、护林的小型无人机等。发动机控制系统性能的优劣将直接影响发动机及飞机的性能。航空发动机控制系统的作用是根据控制杆指令,改变可控变量(供油量),以保证发动机推力(转速)按预定的规律变化,使发动机安全、可靠、稳定的工作,并获得最佳性能。发动机控制系统传统上一直由液压机械式和气动机械式调节器实现。随着发动机控制和飞机系统之间联系的增加以及状态监视,故障诊断,参数显示等功能的扩充,飞机发动机一体化控制的水平要求不断提高。不论是三维凸轮计算元件还是膜盒组计算元件,它们所能综合计算的参数是很有限的。如要增加,势必带来重量、体积、成本的增加并且是难于实现的。传统式控制系统的发展受到限制。因此,在发动机控制中,采用计算机控制系统的要求越来越重要。计算机控制系统用于发动机控制,具有提高发动机性能、降低燃油消耗、提高可靠性和改进维修性等优点。计算机感受的参数不受限制以及它的计算、逻辑判断、机内测试、故障诊断、存储记忆功能,加之与飞机系统易于接口,易于实现发动机状态监控,易于实现与飞机控制的一体化,使其发展具有很大潜力。本论文讨论的小型涡轮喷气发动机控制系统集传感器、作动器和控制计算机于一体,具有体积小、重量轻、功能强大的特点,可完成发动机的过渡控制(启动控制,加速控制,减速控制)、推力控制、安全控制(包括转速,温度等)和故障诊断功能等。其推力控制有遥控方式和数字指令方式。该控制系统的研制可为我国无人飞行器的技术提升和探索自己特色的小型涡轮喷气发动机控制技术打下良好的基础,具有较高的军用价值和民用价值。2 计算机控制系统方案控制系统方案如图1所示。系统监测发动机尾喷管气体温度EGT(ExhaustGasTemperature)、涡轮转速(RPM)、控制系统电源电压和遥控接收机发来的速度指令,根据控制算法产生控制数据,控制数据经过转换算法产生控制量(PWM信号),并通过驱动电路控制油泵电机的转速,调节发动机的给油量,使发动机按给定的推力(转速)工作,以实现推力控制。小型涡轮喷气发动机的正常工作还需要许多辅助控制系统,在本控制系统中包含有发动机启动过程控制系统,发动机过热自动保护控制系统,发动机熄火过程控制系统和发动机故障检测和诊断系统。为满足不同发动机的控制需要,本系统还有控制参数设置与保存系统和发动机工作过程参数记录系统。将来发动机功能提升后,还可实现发动机进气控制,进一步提高发动机系统的性能。图1系统框图3系统配置该控制系统主要由单片机、PWM控制电路、信号滤波及放大电路、I2C总线、状态指示电路、参数设置与LCD显示电路、参数记录电路等构成,各部分连接关系如图2所示。图2 ,单片机要具有丰富的外设接口资源和足够高的运算速度,才可能实现各种功能模块并满足系统实时性要求。经过分析比较,采用了CYGNAL公司的51单片机C8051F作为控制器,该单片机具有以下特点:(1)10位8通道逐次比较式ADC,数据转换速率可达100ksps。(2)JTAG调试和边界扫描接口,可实现     在线实时动态调试。(3)流水线指令结构,最高处理速度高达25MIPS (参见图3)。(4)4K字节的片上RAM和64K字节的Flash程序存储器。(5)PWM信号由PCA产生,PCA由一个专门的16位C/pare模块构成。每个模块可独立设置为6种操作模式之一:边缘触发捕获、软件定时器、高速输出、频率输出(方波输