C8051F单片机的小型涡喷发动机控制系统

1、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 One Kind of MCU Based Small Turbi ne Jet Con trol System Jite Chen Shenggong Shen Weiqun Song Zishan （School of Automation Science and Electric Engineering ， Beijing University of Aeronautics And Astronautic

2、s, Beijing 100083） Abstract The article introduces the design principles, realization method and configuration of software and hardware of a small turbine jet control system. Keywords Control system ， Turbine jet ， System configuration ， MCU， Software realization ， Interrupt control 丄 、八 、- 1 前言 该小型

3、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

4、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

5、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 （Exhaust Gas Temperature、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

6、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。 速度反馈 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

7、所示。 图 2 系统配置框图 3. 1 单片机 从图 2 可看出，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 启动气体控制 燃油泵 启动电机 点火器 燃油电磁阀 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

8、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/T 和 5 个 capture/compare 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（方波输出）、8-bit PWM 和 16-bit PWM 等。 由以上特点可以看出，C8051F 单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，这为 实现复杂的控制算法提供了保障，而且几乎不需系统扩展即可满足控制系统对硬件资源 的需求，极大提高了系统可靠性。 3. 2 PWM 空制电路 控制系统中气阀，点火器，启动电机和油泵电机等器件需要 PWM

9、信号来控制其工 图 3 四种单片机最高执行速度比较 作。这些大功率器件都不能直接由单片机输出信号直接控制。因此需要设计驱动电路以 实现对这些器件的控制。根据各被驱动器件的工作特点，合理选择相应参数的 MOS 管, 使 MOS 管可靠地控制各器件，电路如图 4 所示。 图 4 PWM 空制电路 3. 3 尾喷管温度测量电路 尾喷管温度(EGT)最高可达 1000E，是发动机安全、可靠工作的重要指标。从测温 范围、测量精度及成本等方面综合考虑，采用了镍铬镍硅( Ni,Cr,Si )热电偶作为测温 元件，镍铬-镍硅热电偶具有良好的线性度，能很好地满足发动机尾喷管测温需求。热 电偶的输出为双端输出的差

10、模小信号，这就要求处理此信号的放大器具有极高的输入阻 抗和共模抑制比，这里采用了常用的三运放差动放大器(即仪用放大器) ，见图 5。关于 热电偶的冷端补偿问题，这里采用单片机片上温度传感器测得的温度作为冷端温度，根 据中间温度定律，E(T,O)=E(T,To)+E(To,O),其中 E(To,O)由所测的冷端温度 To根据热电势和 温度的单值函数关系式求出，所以 E(T,O)亦可求出，从而推算出热端温度。这种方法比 通常采用的利用补偿电路实现冷端补偿更为简单方便。 图 5 仪用放大器 3. 4 转速及遥控指令测量电路 发动机转速通过光电器件测量，见图 6 所示。发动机每转一周，测量电路发出两个

11、脉 冲。由于发动机推力控制本质是对发动机转速的控制，所以转速的测量精度直接关系到 控制性能的优劣。 转速由单片机的16-bit定时器T4的捕获功能(快速输入)测得每个脉 冲的周期而推算出来。发动机正常工作状态时的转速范围为 33000rpm120000rpm,由此 可推算出正常工作状态时，周期范围为 909us250us 定时器每个计数单位对应的时间值 为 1/18.432M = 0.054us (晶振采用 18.432M)且周期时间不会超过 16-bit 定时器的溢出 周期。所以既可达到足够高的测量精度，又为软件处理提供方便。 发动机速度指令是通过遥控接收机的一个通道发送给单片机的。速度指令

12、脉冲的脉宽 对应不同的期望转速，并通过 16 bit 定时器 T2 实现测量。 3. 5 I 2C 总线和 UART 总线 系统中的状态指示电路、LCD 显示电路、参数记录电路和键盘扫描电路等功能模块 VCC1 启动电机 图 6 转速测量电路示意图 采用 I2C 总线结构，以实现各个模块的数据和指令交换。I2C 总线有以下特点： (1) 只需要两条线，SDA 数据线和 SCL 时钟线。 (2) 挂在总线上的各个器件都通过软件寻址，且总存在主 /从关系，当两个或多个主方 同时发起数据传输时，可进行冲突检测及仲裁。 (3) 数据传输率最高可达到 400kbits/s。 除了以上特点外，I2C 总线

13、作为一种流行的通用总线，有丰富的功能器件支持，扩展 的功能器件可方便的接到总线上，为系统扩展提供极大方便。 其中参数记忆器件采用 32K EEPROM (AT24C256),四个 LED 状态显示灯利用 PCF8574 串并转换器来驱动。若发动机控制系统作为分布式计算机控制系统的一个子系 统，可通过此总线与上位计算机进行通讯。为实现功能扩展的需要，也将片上的两个 UART 接口通过接口芯片接出来，以便于与 PC 机或其它设备通讯。 3. 6 LCD 显示及参数设置 根据参数显示的要求，LCD 显示选用了主控制驱动电路为 HD44780 的 16 字符&行 的 5$点阵液晶显示器，此显示

14、器是通过并行口与外部控制器连接的，因此，我们采用 2 了 PCF8574 I C 并口转换芯片将其与系统相连。为了省去由单片机专门提供 LCD 的读 写控制信号和使能信号等，利用所发送数据的低三位提供控制和使能信号，高半字节为 向 LCD发送的指令或数据。 控制系统的状态和参数显示或修改通过 6 个功能菜单实现，其中四个菜单可通过快捷 键直接进入，而所有菜单都可通过菜单选择键( MENU +或 MENU -)进入。参数设 定盒上的 10 个按键通过一块 PCF8574 芯片，构成矩阵键盘来实现的，并通过反转法只通过 两次扫描读数既可识别按键。此参数盒也通过 I2C 总线与系统连接。 I 发光二

15、极管 发动机轴 通孔 4 控制系统软件 控制软件需要完成的任务包括：数据检测(包括 4 路 A/D 转换，转速和速度指令测 量等)、键盘扫描，LCD 显示,参数记忆与提取，控制算法和 4 路 PWM 输出等。 4 1 主程序 主程序首先要实现系统时钟初始化 、 MCU 端口初始化 、中断设置及学习速度指令 (包 括关闭，怠速，和大车状态)等，并从参数记忆器件中提取发动机启动和正常工作状态 中需要的参数等。 发动机进入启动过程后根据发动机启动油量曲线，控制启动电机、可燃气体及油泵电 机的供油量等，使发动机在尽可能短的时间内进入正常工作状态。 完成启动过程后，主程序进入循环状态，主要完成参数检测及

16、状态显示等，直到发出 关闭指令为止。主程序流程图见图 7。 42 中断控制 控制软件要实现多个任务，如果能在单片机中嵌入实时多任务操作系统( RTOS),可 以简化多任务的调度管理和软件设计过程。控制系统的实时性要求，需要操作系统支持 任务抢占来保证。 KEIL C 自带的 RTX51 TINY 仅支持循环任务切换，其它操作系统涉及 移植，开销等方面的问题，所以未采用操作系统。对各任务的调度和管理，以及重要任 务的实时执行，就需要各个中断精确规划和彼此协调来保证。 控制软件中共用到 7 个中断，包括 INT1 外部中断，T0 中断,UARTO 中断，T4 中断， I2C 总线中断， IE6 扩

17、展外部中断， A/D 转换完成中断等。其功能特点是： (1) INT1 中断，主要发出发动机的启动或停止指令，由外部开关触发。 (2) TO 定时器中断完成系统采样周期的定时。 (3) UARTO 中断，用来实现与 PC 机的数据通讯。 (4) T4 定时器中断，用来测量发动机的转速。 (5) I2C 总线中断，实现总线协议，并完成数据传送。 (6) IE6 外部中断， T2 定时器记录速度指令脉冲的下降沿时刻，上升沿时触发此中断 并读取此时 T2 的数据，两者相减可获取速度指令脉宽。 (7) A/D 转换完成中断用于发动机启动过程中的尾喷管温度测量( EGT) ，起动过程中 EGT 是一个重

18、要的参数依据。主程序开始 图 7 主程序流程图 并不是每个中断都自始至终发挥作用，而是在不同阶段，有些中断使能，其余禁止， 且同一中断在发动机工作的不同状态其优先级也会不同 。IE6 外部中断在速度指令脉宽学 习和正常运转状态都为高级中断，而在启动过程中则为低级中断。 TO 作为采样周期，在 正常工作状态时要求准确的定时，所以也设置为高级中断，当与 IE6 高级中断同时触发 时，因其默认优先级更高，所以先执行 TO 中断。另一种情况是当 TO 中断触发时，IE6 中断已经执行，此中断只有三条 C 指令，且为赋值和减法指令，最大延迟为几十 uS 所以 对TO 的实时性影响可以忽略。若 IE6 中

19、断触发时，TO 中断已经响应，从 TO 中断程序返 回前将IE6 的中断标志位清除，可保证速度指令脉宽测量的准确性。 通过以上灵活的中断设置与协调，可实现实时任务和非实时任务的调度管理 图 9 PID 控制系统框图 4. 3 PID 控制算法 控制算法在 T0 中断程序中完成，程序流程见图&按照比例（P）、积分（I）和微分（D） 进行控制的 PID 控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。在计算机控制系统中， PID 控制与计算机的逻辑判断和运算功能结合起来，使 PID 控制更加灵活，并能满足各种要 求。在算法中将积分项改进，采用积分分离式 PID 算法，以使控制性能更加完善。对应 的连

20、续域 PID 控制系统框图见图 9 所示，采样周期为 20ms。 保持5秒钟 速度指令最大? 油门线性增 加到9.4% 通过按键可进行外 部器件测试 保持2秒钟 启动电机开始运转 - 、 N 转速到达3000RPM 燃油泵以4%占空比开始按 一定加油曲线加到5.5% 油门线性增加到12.9%,若 转速达到55000RPM则保 持当前油门不变3秒钟 启动电机停止 油门线性减小，直至U 转速降到33000RPM,油 门不变，保持3秒钟 重新设置设 置各中断 进入闭环控制 图 8 T0 中断程序流程图 Y 温度大于400度 -j-Y 打开燃气阀 和点火器 5 系统仿真 5. 1 数学仿真 周期 20

21、ms 时，Kp = 1, Ki = 0.023, Kd = 0.199 时，得到如图 11 所示的动态响应曲线 图 11 数学仿真动态响应曲线 5. 2 半实物仿真 半实物仿真硬件框图如图 12 所示，单片机输出的燃油泵 PWM 控制信号首先经过有源 二阶滤波器，进行滤波后近似为脉动很小的直流电压信号，此信号对应于原系统的供油 量。此信号加到一个 RC 构成的一阶环节上，此环节近似认为是涡喷发动机的实物模型， 时间常数 T 设置为 470ms。一阶对象的输出电压信号对应于涡喷发动机的转速信号，经 过 A/D 采样后，根据此电压值的大小，可编程计数阵列的通道 0 (CEX0)工作在高速输 出方式下(HS