C8051F单片机的小型涡喷发动机控制系统

1、袄一种基于扒C昂8051F办单片机的小型涡稗喷发动机控制系般统巴 埃摘要哀介绍了一种航搬空用小型涡轮喷啊气发动机控制系敖统的设计原理、笆实现方法和软硬凹件构成等。背关键词斑MCU，软件凹实现，中断控制扒懊One Kin爱d of MC柏U Based盎 Small 班Turbine艾 Jet Co埃ntrol S胺ystem阿Jite哎 Chen S板henggon芭g Shen绊 Weiqun蔼 Song 拜Zishan柏(School斑 of Aut佰omation板 Scienc八e and E案lectric柏 Engine拌ering，B敖eijing 蔼Univers稗ity of

2、 叭Aeronau柏tics An唉d Astro斑nautics傲, Beiji靶ng 1000皑83)罢白Abstrac瓣t捌The ar绊ticle i奥ntroduc肮es the 搬design 岸princip摆les, re霸alizati稗on meth绊od and 敖configu爸ration 斑of soft拜ware an敖d hardw佰are of 坝a small跋 turbin拌e jet c肮ontrol 蔼system.氨耙Keyword罢s班Contro白l syste哀m， Turb澳ine jet挨，System敖 config八uration芭，

3、MCU，S唉oftware拜 realiz昂ation，I拜nterrup澳t contr安ol1 前 言百该小型涡轮喷气翱发动机具有结构跋紧凑、体积小、拔重量轻和推重比癌大等特点。可应袄用于军用和民用邦领域，例如靶机疤和用来侦察、攻傲击、护林的小型柏无人机等。发动跋机控制系统性能拌的优劣将直接影笆响发动机及飞机颁的性能。航空发拔动机控制系统的矮作用是根据控制隘杆指令，改变可扒控变量（供油量安），以保证发动靶机推力（转速）瓣按预定的规律变把化，使发动机安搬全、可靠、稳定皑的工作，并获得奥最佳性能。案发动机控制系统半传统上一直由液瓣压机械式和气动疤机械式调节器实百现。随着发动机摆控制和飞机系统伴

4、之间联系的增加败以及状态监视，板故障诊断，参数哀显示等功能的扩霸充，飞机发动机斑一体化控制的水版平要求不断提高澳。不论是三维凸隘轮计算元件还是般膜盒组计算元件佰，它们所能综合瓣计算的参数是很八有限的。如要增碍加，势必带来重俺量、体积、成本把的增加并且是难鞍于实现的。传统摆式控制系统的发霸展受到限制。因俺此，在发动机控扒制中，采用计算版机控制系统的要搬求越来越重要。斑计算机控制系统百用于发动机控制爸，具有提高发动稗机性能、降低燃挨油消耗、提高可佰靠性和改进维修胺性等优点。计算俺机感受的参数不熬受限制以及它的袄计算、逻辑判断笆、机内测试、故按障诊断、存储记摆忆功能，加之与百飞机系统易于接蔼口，易于

5、实现发扮动机状态监控，奥易于实现与飞机吧控制的一体化，颁使其发展具有很巴大潜力。芭本论文讨论的小坝型涡轮喷气发动柏机控制系统集传按感器、作动器和暗控制计算机于一坝体，具有体积小百、重量轻、功能捌强大的特点，可百完成发动机的过般渡控制（启动控叭制，加速控制，埃减速控制）、推肮力控制、安全控爸制（包括转速，昂温度等）和故障按诊断功能等。其斑推力控制有遥控癌方式和数字指令笆方式。该控制系拜统的研制可为我绊国无人飞行器的唉技术提升和探索般自己特色的小型肮涡轮喷气发动机半控制技术打下良斑好的基础，具有安较高的军用价值半和民用价值。白2 计算机控爱制系统方案坝控制系统方案如扳图伴1所示。系统监败测发动机尾

6、喷管百气体温度EGT罢（Exhaus斑t Gas T翱emperat捌ure）、涡轮按转速（RPM）盎、控制系统电源邦电压和遥控接收皑机发来的速度指拔令，根据控制算安法产生控制数据跋，控制数据经过唉转换算法产生控斑制量（PWM信靶号），并通过驱氨动电路控制油泵靶电机的转速，调柏节发动机的给油八量，使发动机按跋给定的推力（转俺速）工作，以实昂现推力控制。小背型涡轮喷气发动扳机的正常工作还岸需要许多辅助控啊制系统，在本控懊制系统中包含有把发动机启动过程伴控制系统，发动矮机过热自动保护把控制系统，发动奥机熄火过程控制百系统和发动机故绊障检测和诊断系败统。为满足不同哎发动机的控制需哎要，本系统还有癌控

7、制参数设置与巴保存系统和发动唉机工作过程参数盎记录系统。将来凹发动机功能提升碍后，还可实现发安动机进气控制，版进一步提高发动半机系统的性能。图1 系统框图3 系统配置叭该控制系统主要板由单片机、八PWM控制电路败、信号滤波及放蔼大电路、I般2安C挨总线、状态指示罢电路、参数设置爸与LCD显示电佰路、参数记录电颁路等构成，各部百分连接关系如图拔2所示。办图澳2 系统配置般框图31 单片机柏从图爸2可看出，单片扒机要具有丰富的靶外设接口资源和盎足够高的运算速埃度，才可能实现版各种功能模块并八满足系统实时性隘要求。经过分析岸比较，采用了C半YGNAL公司埃的51单片机C埃8051F鞍作为控制器,该矮

8、单片机具有以下扮特点：翱（哎1）10位8通败道逐次比较式A扒DC,数据转换埃速率可达100唉ksps。跋（板2）JTAG调暗试和边界扫描接凹口，可实现爱 在线实伴时动态调试。拜（安3）流水线指令办结构，最高处理版速度高达25M把IPS （ 百参见图3 ）。稗（八4） 4K字节靶的片上RAM和耙64K字节的F稗lash程序存颁储器。白（埃5）PWM信号氨由PCA产生，叭PCA由一个专拌门的16位 C白/T和5个ca凹pture/c捌ompare模班块构成。每个模扳块可独立设置为唉6种操作模式之耙一：边缘触发捕俺获、软件定时器扮、高速输出、频阿率输出(方波输稗出)、8-bi艾t PWM和1疤6-b

9、it P拔WM等。 百由以上特点可以叭看出，捌C哀8051F扮单片机具有丰富耙的片上硬件资源般及高运算速度，蔼这为实现复杂的哀控制算法提供了背保障，而且几乎瓣不需系统扩展即捌可满足控制系统白对硬件资源的需唉求，极大提高了稗系统可靠性。叭32 PW爱M控制电路俺控制系统中气阀阿，点火器，启动澳电机和油泵电机碍等器件需要艾PWM信号来控按制其工傲图班3 四种单片版机最高执行速度吧比较稗作。这些大功率瓣器件都不能直接稗由单片机输出信安号直接控制。因唉此需要设计驱动扮电路以实现对这柏些器件的控制。败根据各被驱动器拌件的工作特点，靶合理选择相应参巴数的凹MOS管，使M颁OS管可靠地控笆制各器件，电路靶如

10、图4所示。昂败 隘图啊4 PWM控袄制电路吧33 坝尾喷管温度测量邦电路柏尾喷管温度（按EGT）最高可邦达俺1000耙，是发动机安全俺、可靠工作的重拜要指标。从测温岸范围、测量精度颁及成本等方面综百合考虑，采用了傲镍铬镍硅（N鞍i,Cr,Si澳）热电偶作为测鞍温元件，镍铬癌镍硅热电偶具有捌良好的线性度，百能很好地满足发板动机尾喷管测温背需求。热电偶的霸输出为双端输出佰的差模小信号，叭这就要求处理此哀信号的放大器具懊有极高的输入阻啊抗和共模抑制比绊，这里采用了常懊用的三运放差动扒放大器（即仪用矮放大器），见图昂5。关于热电偶俺的冷端补偿问题把，这里采用单片罢机片上温度传感俺器测得的温度作敖为冷端

11、温度，根阿据中间温度定律奥，E(T,0)胺=E(T,T啊0佰)+E(T巴0捌,0),其中E昂(T胺0邦,0)由所测的跋冷端温度T扒0跋根据热电势和温蔼度的单值函数关靶系式求出，所以爱E(T,0)亦般可求出，从而推拜算出热端温度。按这种方法比通常板采用的利用补偿唉电路实现冷端补暗偿更为简单方便傲。拔图坝5 仪用放大器般34 靶转速及遥控指令艾测量电路爸扒 叭发动机转速通过颁光电器件测量，笆见图埃6所示。发动机笆每转一周，测量板电路发出两个脉靶冲。由于发动机瓣推力控制本质是挨对发动机转速的捌控制，所以转速啊的测量精度直接版关系到控制性能暗的优劣。转速由颁单片机的16-哀bit定时器T皑4的捕获功能

12、（斑快速输入）测得般每个脉冲的周期澳而推算出来。发拜动机正常工作状盎态时的转速范围鞍为33000r摆pm1200板00rpm, 捌由此可推算出正吧常工作状态时，氨周期范围为捌909us2稗50us,定时爱器每个计数单位拌对应的时间值为半1/巴18.432M矮 = 0.05佰4us（晶振采拌用佰18.432M扳）,且周期时间鞍不会超过16-八bit定时器的跋溢出周期。所以吧既可达到足够高艾的测量精度，又耙为软件处理提供芭方便。办发动机速度指令拌是通过遥控接收靶机的一个通道发熬送给单片机的。皑速度指令脉冲的半脉宽对应不同的癌期望转速，并通颁过八16bit定盎时器T2实现测挨量。埃35 I凹2哀C搬

13、总线和UART爱总线半系统中的状态指白示电路、版LCD显示电路扮、参数记录电路扳和键盘扫描电路坝等功能模块颁图矮6 转速测量电懊路示意图暗采用吧I傲2皑C般总线结构，以实柏现各个模块的数板据和指令交换。盎I懊2邦C盎总线有以下特点板：叭(1)只需要两爱条线，SDA数拌据绊线和SCL时钟按线。版(2)挂在总线背上的各个器件都隘通过软件寻址，斑且总存在主/从稗关系，当两个或败多个主方同时发哀起数据传输时，巴可进行冲突检测傲及仲裁。邦(3)数据传输把率最高可达到4靶00kbits阿/s。扳爸 摆除了以上特点外盎，按I埃2暗C瓣总线作为一种流癌行的通用总线，把有丰富的功能器俺件支持，扩展的背功能器件可

14、方便傲的接到总线上，拌为系统扩展提供癌极大方便。按其中参数记忆器般件采用把32K EEP肮ROM (AT癌24C俺256),四个癌LED状态显示颁灯利用PCF8芭574串并转换澳器来驱动。若发班动机控制系统作八为分布式计算机哀控制系统的一个皑子系统，可通过挨此总线与上位计板算机进行通讯。笆为实现功能扩展隘的需要，也将片百上的两个UAR背T接口通过接口板芯片接出来，以翱便于与PC机或稗其它设备通讯。哎36 LC案D显示及参数设摆置敖根据参数显示的把要求，皑LCD显示选用艾了主控制驱动电隘路为HD447班80的16字符扒2行的58肮点阵液晶显示器唉，此显示器是通艾过并行口与外部拌控制器连接的，敖因

15、此，我们采用埃了PCF857拔4 I班2拌C把并口转换芯片碍将其与系统相连扒。为了省去由单氨片机专门提供L凹CD的读写控制蔼信号和使能信号哎等，利用所发送奥数据的低三位提扳供控制和使能信八号，高半字节为艾向LCD发送的巴指令或数据。安控制系统的状态拔和参数显示或修凹改通过捌6个功能菜单实拔现，其中四个菜佰单可通过快捷键肮直接进入，而所昂有菜单都可通过扒菜单选择键（M柏ENU + 绊或MENU 俺-）进入。参数芭设定盒上的10奥个按键通过一块埃PCF8574罢芯片,构成矩阵氨键盘来实现的,盎并通过反转法只翱通过两次扫描读把数既可识别按键霸。此参数盒也通白过I矮2矮C瓣总线与系统连接安。哀4 控制

16、系统佰软件伴控制软件需要完阿成的任务包括：凹数据检测（包括胺4路A/D转换矮，转速和速度指败令测量等）、键懊盘扫描, LC昂D显示, 参数爸记忆与提取，控凹制算法和4路P盎WM输出等。 隘41 主程按序肮主程序首先要实稗现系统时钟初始罢化、捌MCU端口初始般化、中断设置及暗学习速度指令（颁包括关闭，怠速坝，和大车状态）蔼等，并从参数记俺忆器件中提取发碍动机启动和正常柏工作状态中需要隘的参数等。 邦发动机进入启动挨过程后根据发动八机启动油量曲线拌，控制启动电机捌、可燃气体及油疤泵电机的供油量斑等，使发动机在澳尽可能短的时间坝内进入正常工作把状态。拔完成启动过程后爸，主程序进入循把环状态，主要完办

17、成参数检测及状昂态显示等，直到罢发出关闭指令为跋止。主程序流程盎图见图笆7。矮42 中断控唉制笆控制软件要实现绊多个任务，如果笆能在单片机中嵌拌入实时多任务操坝作系统（摆RTOS）,可艾以简化多任务的坝调度管理和软件盎设计过程。控制澳系统的实时性要芭求，需要操作系巴统支持任务抢占扳来保证。KEI扒L C自带的R矮TX51 TI矮NY仅支持循环疤任务切换，其它阿操作系统涉及移版植，开销等方面叭的问题，所以未搬采用操作系统。扮对各任务的调度拔和管理，以及重芭要任务的实时执癌行，就需要各个昂中断精确规划和版彼此协调来保证疤。摆控制软件中共用阿到扮7个中断，包括皑INT1外部中白断，T0中断,矮UAR

18、T0中断拜，T4中断，I唉2爱C柏总线中断，IE哀6扩展外部中断斑，A/D转换完安成中断等。其功肮能特点是：澳(1) INT稗1中断，主要发叭出发动机的启动癌或停止指令，由疤外部开关触发。哎(2) T0定矮时器中断完成系扳统采样周期的定笆时。叭(3) UAR佰T0中断，用来矮实现与PC机的安数据通讯。氨(4) T4定白时器中断，用来碍测量发动机的转傲速。哀(5) I岸2吧C熬总线中断，实现把总线协议，并完瓣成数据传送。拌(6) IE6昂 巴外部中断，熬T2定时器记录版速度指令脉冲的白下降沿时刻，上摆升沿时触发此中唉断并读取此时T办2的数据，两者颁相减可获取速度半指令脉宽。拔(7) A/D爱 隘

19、转换完成中断用白于发动机启动过懊程中的尾喷管温哀度测量（蔼EGT），起动矮过程中EGT是把一个重要的参数跋依据。爸图办7 主程序流办程图跋并不是每个中断肮都自始至终发挥白作用，而是在不爸同阶段，有些中岸断使能，其余禁安止，且同一中断袄在发动机工作的俺不同状态其优先蔼级也会不同。傲IE6外部中断胺在速度指令脉宽扮学习和正常运转背状态都为高级中叭断，而在启动过癌程中则为低级中昂断。T0作为采爸样周期，在正常爱工作状态时要求颁准确的定时，所哀以也设置为高级疤中断，当与IE八6高级中断同时搬触发时，因其默跋认优先级更高，傲所以先执行T0拔中断。另一种情般况是当T0中断隘触发时，IE6懊中断已经执行，皑

20、此中断只有三条芭C指令，且为赋扒值和减法指令，瓣最大延迟为几十巴uS,所以对T埃0的实时性影响胺可以忽略。若I安E6中断触发时霸，T0中断已经胺响应，从T0中碍断程序返回前将捌IE6的中断标澳志位清除，可保靶证速度指令脉宽霸测量的准确性。跋通过以上灵活的邦中断设置与协调跋，可实现实时任鞍务和非实时任务拔的调度管理。佰图邦8 T0中佰断程序流程图皑 图9 疤PID控制翱系统框图拌43 PI唉D 般控制算法败控制算法在蔼T0中断程序中跋完成,程序流程哀见图8。按照比隘例（P）、积分暗(I)和微分(扮D)进行控制的绊PID控制器是半应用最为广泛的吧一种自动控制器扮。在计算机控制佰系统中，PID案控制

21、与计算机的耙逻辑判断和运算斑功能结合起来，氨使PID控制更绊加灵活，并能满挨足各种要求。在氨算法中将积分项埃改进，采用积分巴分离式PID算笆法，以使控制性爱能更加完善。对扮应的连续域PI绊D控制系统框图癌见图9所示，采肮样周期为20m袄s。5 系统仿真凹51 数学仿把真拌数学仿真结构图背见图盎10，所取控制哎对象为时间常数拔为470ms的隘一阶环节。采样瓣周期熬20ms时，K碍p = 1, 啊Ki = 0.哎023, Kd矮 = 0.19班9时,得到如图柏11所示的动态爱响应曲线。鞍 图10八 数学仿真把结构框图班图11 哀数学仿真动态响蔼应曲线昂52 半实物氨仿真癌拜 办半实物仿真硬件傲框图如图袄12所示，单片罢机输出的燃油泵柏PWM控制信号芭首先经过有源二凹阶滤波器，进行捌滤波后近似为脉哎动很小的直流电胺压信号，此信号哀对应于原系统的叭供油量。此信号搬加到一个RC构按成的一阶环节上板，此环节近似认扒为是涡喷发动机翱的实物模型，时瓣间常数T设置为暗470ms。一邦阶对象的输出电疤压信号对应于涡笆喷发动机的转速坝信号，经过A/瓣D采样后，根据哎此电压值的大小芭，可编