年5月29日C8051F單片機(jī)的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)文檔僅供參考一種基于C8051F單片機(jī)的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

摘要介紹了一種航空用小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)方法和軟硬件構(gòu)成等。關(guān)鍵詞MCU,軟件實(shí)現(xiàn),中斷控制OneKindofMCUBasedSmallTurbineJetControlSystem

Jite

ChenShenggong

ShenWeiqun

SongZishan

(SchoolofAutomationScienceandElectricEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsAndAstronautics,Beijing100083)AbstractThearticleintroducesthedesignprinciples,realizationmethodandconfigurationofsoftwareandhardwareofasmallturbinejetcontrolsystem.KeywordsControlsystem,Turbinejet,Systemconfiguration,MCU,Softwarerealization,Interruptcontrol1

前

言該小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕和推重比大等特點(diǎn)?？蓱?yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域,例如靶機(jī)和用來偵察、攻擊、護(hù)林的小型無人機(jī)等。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)的性能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)控制桿指令,改變可控變量(供油量),以保證發(fā)動(dòng)機(jī)推力(轉(zhuǎn)速)按預(yù)定的規(guī)律變化,使發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定的工作,并獲得最佳性能。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)上一直由液壓機(jī)械式和氣動(dòng)機(jī)械式調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制和飛機(jī)系統(tǒng)之間聯(lián)系的增加以及狀態(tài)監(jiān)視,故障診斷,參數(shù)顯示等功能的擴(kuò)充,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化控制的水平要求不斷提高。不論是三維凸輪計(jì)算元件還是膜盒組計(jì)算元件,它們所能綜合計(jì)算的參數(shù)是很有限的。如要增加,勢必帶來重量、體積、成本的增加而且是難于實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)式控制系統(tǒng)的發(fā)展受到限制。因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)控制中,采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求越來越重要。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制,具有提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低燃油消耗、提高可靠性和改進(jìn)維修性等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)感受的參數(shù)不受限制以及它的計(jì)算、邏輯判斷、機(jī)內(nèi)測試、故障診斷、存儲(chǔ)記憶功能,加之與飛機(jī)系統(tǒng)易于接口,易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控,易于實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)控制的一體化,使其發(fā)展具有很大潛力。本論文討論的小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)集傳感器、作動(dòng)器和控制計(jì)算機(jī)于一體,具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)大的特點(diǎn),可完成發(fā)動(dòng)機(jī)的過渡控制(啟動(dòng)控制,加速控制,減速控制)、推力控制、安全控制(包括轉(zhuǎn)速,溫度等)和故障診斷功能等。其推力控制有遙控方式和數(shù)字指令方式。該控制系統(tǒng)的研制可為中國無人飛行器的技術(shù)提升和探索自己特色的小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)打下良好的基礎(chǔ),具有較高的軍用價(jià)值和民用價(jià)值。2

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案控制系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管氣體溫度EGT(ExhaustGasTemperature)、渦輪轉(zhuǎn)速(RPM)、控制系統(tǒng)電源電壓和遙控接收機(jī)發(fā)來的速度指令,根據(jù)控制算法產(chǎn)生控制數(shù)據(jù),控制數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換算法產(chǎn)生控制量(PWM信號),并經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的給油量,使發(fā)動(dòng)機(jī)按給定的推力(轉(zhuǎn)速)工作,以實(shí)現(xiàn)推力控制。小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作還需要許多輔助控制系統(tǒng),在本控制系統(tǒng)中包含有發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程控制系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)過熱自動(dòng)保護(hù)控制系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)熄火過程控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測和診斷系統(tǒng)。為滿足不同發(fā)動(dòng)機(jī)的控制需要,本系統(tǒng)還有控制參數(shù)設(shè)置與保存系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程參數(shù)記錄系統(tǒng)。將來發(fā)動(dòng)機(jī)功能提升后,還可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制,進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能。圖1系統(tǒng)框圖3系統(tǒng)配置該控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、PWM控制電路、信號濾波及放大電路、I2C圖2

系統(tǒng)配置框圖3．1單片機(jī)從圖2可看出,單片機(jī)要具有豐富的外設(shè)接口資源和足夠高的運(yùn)算速度,才可能實(shí)現(xiàn)各種功能模塊并滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。經(jīng)過分析比較,采用了CYGNAL公司的51單片機(jī)C8051F作為控制器,該單片機(jī)具有以下特點(diǎn):(1)10位8通道逐次比較式ADC,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100ksps。(2)JTAG調(diào)試和邊界掃描接口,可實(shí)現(xiàn)

在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)試。(3)流水線指令結(jié)構(gòu),最高處理速度高達(dá)25MIPS

(參見圖3)。(4)4K字節(jié)的片上RAM和64K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器。(5)PWM信號由PCA產(chǎn)生,PCA由一個(gè)專門的16位C/T和5個(gè)capture/compare模塊構(gòu)成。每個(gè)模塊可獨(dú)立設(shè)置為6種操作模式之一:邊緣觸發(fā)捕獲、軟件定時(shí)器、高速輸出、頻率輸出(方波輸出)、8-bitPWM和16-bitPWM等。由以上特點(diǎn)能夠看出,C8051F單片機(jī)具有豐富的片上硬件資源及高運(yùn)算速度,這為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法提供了保障,而且?guī)缀醪恍柘到y(tǒng)擴(kuò)展即可滿足控制系統(tǒng)對硬件資源的需求,極大提高了系統(tǒng)可靠性。3．2

PWM控制電路控制系統(tǒng)中氣閥,點(diǎn)火器,啟動(dòng)電機(jī)和油泵電機(jī)等器件需要PWM信號來控制其工圖3

四種單片機(jī)最高執(zhí)行速度比較作。這些大功率器件都不能直接由單片機(jī)輸出信號直接控制。因此需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)對這些器件的控制。根據(jù)各被驅(qū)動(dòng)器件的工作特點(diǎn),合理選擇相應(yīng)參數(shù)的MOS管,使MOS管可靠地控制各器件,電路如圖4所示。

圖4

PWM控制電路3．3

尾噴管溫度測量電路尾噴管溫度(EGT)最高可達(dá)1000℃,是發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠工作的重要指標(biāo)。從測溫范圍、測量精度及成本等方面綜合考慮,采用了鎳鉻－鎳硅(Ni,Cr,Si)熱電偶作為測溫元件,鎳鉻－鎳硅熱電偶具有良好的線性度,能很好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管測溫需求。熱電偶的輸出為雙端輸出的差模小信號,這就要求處理此信號的放大器具有極高的輸入阻抗和共模抑制比,這里采用了常見的三運(yùn)放差動(dòng)放大器(即儀用放大器),見圖5。關(guān)于熱電偶的冷端補(bǔ)償問題,這里采用單片機(jī)片上溫度傳感器測得的溫度作為冷端溫度,根據(jù)中間溫度定律,E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0),其中E(T0,0)由所測的冷端溫度T0根據(jù)熱電勢和溫度的單值函數(shù)關(guān)系式求出,因此E(T,0)亦可求出,從而推算出熱端溫度。這種方法比一般采用的利用補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償更為簡單方便。圖5儀用放大器3．4轉(zhuǎn)速及遙控指令測量電路

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過光電器件測量,見圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周,測量電路發(fā)出兩個(gè)脈沖。由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制本質(zhì)是對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,因此轉(zhuǎn)速的測量精度直接關(guān)系到控制性能的優(yōu)劣。轉(zhuǎn)速由單片機(jī)的16-bit定時(shí)器T4的捕獲功能(快速輸入)測得每個(gè)脈沖的周期而推算出來。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍為33000rpm～10rpm,由此可推算出正常工作狀態(tài)時(shí),周期范圍為909us～250us,定時(shí)器每個(gè)計(jì)數(shù)單位對應(yīng)的時(shí)間值為1/18.432M=0.054us(晶振采用18.432M),且周期時(shí)間不會(huì)超過16-bit定時(shí)器的溢出周期。因此既可達(dá)到足夠高的測量精度,又為軟件處理提供方便。發(fā)動(dòng)機(jī)速度指令是經(jīng)過遙控接收機(jī)的一個(gè)通道發(fā)送給單片機(jī)的。速度指令脈沖的脈寬對應(yīng)不同的期望轉(zhuǎn)速,并經(jīng)過16－bit定時(shí)器T2實(shí)現(xiàn)測量。3．5

I2C系統(tǒng)中的狀態(tài)指示電路、LCD顯示電路、參數(shù)記錄電路和鍵盤掃描電路等功能模塊圖6轉(zhuǎn)速測量電路示意圖采用I2C總線結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)和指令交換。I2(1)只需要兩條線,SDA數(shù)據(jù)線和SCL時(shí)鐘線。(2)掛在總線上的各個(gè)器件都經(jīng)過軟件尋址,且總存在主/從關(guān)系,當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)主方同時(shí)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時(shí),可進(jìn)行沖突檢測及仲裁。(3)數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)到400kbits/s。

除了以上特點(diǎn)外,I2C其中參數(shù)記憶器件采用32KEEPROM(AT24C256),四個(gè)LED狀態(tài)顯示燈利用PCF8574串并轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)。若發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)作為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng),可經(jīng)過此總線與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。為實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的需要,也將片上的兩個(gè)UART接口經(jīng)過接口芯片接出來,以便于與PC機(jī)或其它設(shè)備通訊。3．6

LCD顯示及參數(shù)設(shè)置根據(jù)參數(shù)顯示的要求,LCD顯示選用了主控制驅(qū)動(dòng)電路為HD44780的16字符×2行的5×8點(diǎn)陣液晶顯示器,此顯示器是經(jīng)過并行口與外部控制器連接的,因此,我們采用了PCF8574I2C控制系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)顯示或修改經(jīng)過6個(gè)功能菜單實(shí)現(xiàn),其中四個(gè)菜單可經(jīng)過快捷鍵直接進(jìn)入,而所有菜單都可經(jīng)過菜單選擇鍵(MENU

+或MENU

-)進(jìn)入。參數(shù)設(shè)定盒上的10個(gè)按鍵經(jīng)過一塊PCF8574芯片,構(gòu)成矩陣鍵盤來實(shí)現(xiàn)的,并經(jīng)過反轉(zhuǎn)法只經(jīng)過兩次掃描讀數(shù)既可識別按鍵。此參數(shù)盒也經(jīng)過I2C4

控制系統(tǒng)軟件控制軟件需要完成的任務(wù)包括:數(shù)據(jù)檢測(包括4路A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)速和速度指令測量等)、鍵盤掃描,LCD顯示,參數(shù)記憶與提取,控制算法和4路PWM輸出等。4．1

主程序主程序首先要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、MCU端口初始化、中斷設(shè)置及學(xué)習(xí)速度指令(包括關(guān)閉,怠速,和大車狀態(tài))等,并從參數(shù)記憶器件中提取發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和正常工作狀態(tài)中需要的參數(shù)等。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入啟動(dòng)過程后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)油量曲線,控制啟動(dòng)電機(jī)、可燃?xì)怏w及油泵電機(jī)的供油量等,使發(fā)動(dòng)機(jī)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。完成啟動(dòng)過程后,主程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài),主要完成參數(shù)檢測及狀態(tài)顯示等,直到發(fā)出關(guān)閉指令為止。主程序流程圖見圖7。4．2中斷控制控制軟件要實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù),如果能在單片機(jī)中嵌入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS),能夠簡化多任務(wù)的調(diào)度管理和軟件設(shè)計(jì)過程?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,需要操作系統(tǒng)支持任務(wù)搶占來保證。KEILC自帶的RTX51TINY僅支持循環(huán)任務(wù)切換,其它操作系統(tǒng)涉及移植,開銷等方面的問題,因此未采用操作系統(tǒng)。對各任務(wù)的調(diào)度和管理,以及重要任務(wù)的實(shí)時(shí)執(zhí)行,就需要各個(gè)中斷精確規(guī)劃和彼此協(xié)調(diào)來保證。控制軟件中共用到7個(gè)中斷,包括INT1外部中斷,T0中斷,UART0中斷,T4中斷,I2C(1)INT1中斷,主要發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或停止指令,由外部開關(guān)觸發(fā)。(2)T0定時(shí)器中斷完成系統(tǒng)采樣周期的定時(shí)。(3)UART0中斷,用來實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。(4)T4定時(shí)器中斷,用來測量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。(5)I2C(6)IE6外部中斷,T2定時(shí)器記錄速度指令脈沖的下降沿時(shí)刻,上升沿時(shí)觸發(fā)此中斷并讀取此時(shí)T2的數(shù)據(jù),兩者相減可獲取速度指令脈寬。(7)A/D轉(zhuǎn)換完成中斷用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的尾噴管溫度測量(EGT),起動(dòng)過程中EGT是一個(gè)重要的參數(shù)依據(jù)。圖7

主程序流程圖并不是每個(gè)中斷都自始至終發(fā)揮作用,而是在不同階段,有些中斷使能,其余禁止,且同一中斷在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的不同狀態(tài)其優(yōu)先級也會(huì)不同。IE6外部中斷在速度指令脈寬學(xué)習(xí)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)都為高級中斷,而在啟動(dòng)過程中則為低級中斷。T0作為采樣周期,在正常工作狀態(tài)時(shí)要求準(zhǔn)確的定時(shí),因此也設(shè)置為高級中斷,當(dāng)與IE6高級中斷同時(shí)觸發(fā)時(shí),因其默認(rèn)優(yōu)先級更高,因此先執(zhí)行T0中斷。另一種情況是當(dāng)T0中斷觸發(fā)時(shí),IE6中斷已經(jīng)執(zhí)行,此中斷只有三條C指令,且為賦值和減法指令,最大延遲為幾十uS,因此對T0的實(shí)時(shí)性影響能夠忽略。若IE6中斷觸發(fā)時(shí),T0中斷已經(jīng)響應(yīng),從T0中斷程序返回前將IE6的中斷標(biāo)志位清除,可保證速度指令脈寬測量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過以上靈活的中斷設(shè)置與協(xié)調(diào),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度管理。

圖8

T0中斷程序流程圖

圖9

PID控制系統(tǒng)框圖4．3

PID控制算法控制算法在T0中斷程序中完成,程序流程見圖8。按照比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,PID控制與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷和運(yùn)算功能結(jié)合起來,使PID控制更加靈活,并能滿足各種要求。在算法中將積分項(xiàng)改進(jìn),采用積分分離式PID算法,以使控制性能更加完善。對應(yīng)的連續(xù)域PID控制系統(tǒng)框圖見圖9所示,采樣周期為20ms。

5系統(tǒng)仿真5．1數(shù)學(xué)仿真數(shù)學(xué)仿真結(jié)構(gòu)圖見圖10,所取控制對象為時(shí)間常數(shù)為470ms的一階環(huán)節(jié)。采樣周期20ms時(shí),Kp=1,Ki=0.023,Kd=0.199時(shí),得到如圖11所示的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖10

數(shù)學(xué)仿真結(jié)構(gòu)框圖

圖11

數(shù)學(xué)仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線5．2半實(shí)物仿真

半實(shí)物仿真硬件框圖如圖12所示,單片機(jī)輸出的燃油泵PWM控制信號首先經(jīng)過有源二階濾波器,進(jìn)行濾波后近似為脈動(dòng)很小的直流電壓信號,此信號對應(yīng)于原系統(tǒng)的供油量。此信號加到一個(gè)RC構(gòu)成的一階環(huán)節(jié)上,此環(huán)節(jié)近似認(rèn)為是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)物模型,時(shí)間常數(shù)T設(shè)置為470ms。一階對象的輸出電壓信號對應(yīng)于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號,經(jīng)過A/D采樣后,根據(jù)此電壓值的大小,可編程計(jì)數(shù)陣列的通道0(CEX0)工作在高速輸出方式下