8051F单片机的小型涡喷发动机控制系统

1、一种基于CC80511F单片机机的小型涡涡喷发动机机控制系统统 摘摘要介介绍了一种种航空用小小型涡轮喷喷气发动机机控制系统统的设计原原理、实现现方法和软软硬件构成成等。关键词MMCU，软软件实现，中中断控制One Kindd of MCU Baseed Smmall Turbbine Jet Conttrol SysttemJitee Chhen SShengggongg Shhen WWeiquun SSong Zishhan(SSchoool off Auttomattion Scieence and Elecctricc Enggineeeringg，Beiijingg Uniivers

2、sity of AAeronnautiics AAnd AAstroonauttics, Beiijingg 1000083)AbsstracctThhe arrticlle inntrodducess thee dessign prinnciplles, reallizattion methhod aand cconfiiguraationn of softtwaree andd harrdwarre off a ssmalll turrbinee jett conntroll sysstem.KeeyworrdsCContrrol ssysteem， TTurbiine jjet，SSys

3、teem coonfiggurattion， MCU，SSoftwware reallizattion，IInterrruptt conntroll1 前 言该小型涡轮轮喷气发动动机具有结结构紧凑、体积小、重量轻和和推重比大大等特点。可应用于于军用和民民用领域，例例如靶机和和用来侦察察、攻击、护林的小小型无人机机等。发动动机控制系系统性能的的优劣将直直接影响发发动机及飞飞机的性能能。航空发发动机控制制系统的作作用是根据据控制杆指指令，改变变可控变量量（供油量量），以保保证发动机机推力（转转速）按预预定的规律律变化，使使发动机安安全、可靠靠、稳定的的工作，并并获得最佳佳性能。发动机控制制系统传统

4、统上一直由由液压机械械式和气动动机械式调调节器实现现。随着发发动机控制制和飞机系系统之间联联系的增加加以及状态态监视，故故障诊断，参参数显示等等功能的扩扩充，飞机机发动机一一体化控制制的水平要要求不断提提高。不论论是三维凸凸轮计算元元件还是膜膜盒组计算算元件，它它们所能综综合计算的的参数是很很有限的。如要增加加，势必带带来重量、体积、成成本的增加加并且是难难于实现的的。传统式式控制系统统的发展受受到限制。因此，在在发动机控控制中，采采用计算机机控制系统统的要求越越来越重要要。计算机控制制系统用于于发动机控控制，具有有提高发动动机性能、降低燃油油消耗、提提高可靠性性和改进维维修性等优优点。计算算

5、机感受的的参数不受受限制以及及它的计算算、逻辑判判断、机内内测试、故故障诊断、存储记忆忆功能，加加之与飞机机系统易于于接口，易易于实现发发动机状态态监控，易易于实现与与飞机控制制的一体化化，使其发发展具有很很大潜力。本论文讨论论的小型涡涡轮喷气发发动机控制制系统集传传感器、作作动器和控控制计算机机于一体，具具有体积小小、重量轻轻、功能强强大的特点点，可完成成发动机的的过渡控制制（启动控控制，加速速控制，减减速控制）、推力控制制、安全控控制（包括括转速，温温度等）和和故障诊断断功能等。其推力控控制有遥控控方式和数数字指令方方式。该控控制系统的的研制可为为我国无人人飞行器的的技术提升升和探索自自己

6、特色的的小型涡轮轮喷气发动动机控制技技术打下良良好的基础础，具有较较高的军用用价值和民民用价值。2 计算算机控制系系统方案控制系统方方案如图11所示。系系统监测发发动机尾喷喷管气体温温度EGTT（Exhhaustt Gass Temmperaaturee）、涡轮轮转速（RRPM）、控制系统统电源电压压和遥控接接收机发来来的速度指指令，根据据控制算法法产生控制制数据，控控制数据经经过转换算算法产生控控制量（PPWM信号号），并通通过驱动电电路控制油油泵电机的的转速，调调节发动机机的给油量量，使发动动机按给定定的推力（转转速）工作作，以实现现推力控制制。小型涡涡轮喷气发发动机的正正常工作还还需要许

7、多多辅助控制制系统，在在本控制系系统中包含含有发动机机启动过程程控制系统统，发动机机过热自动动保护控制制系统，发发动机熄火火过程控制制系统和发发动机故障障检测和诊诊断系统。为满足不不同发动机机的控制需需要，本系系统还有控控制参数设设置与保存存系统和发发动机工作作过程参数数记录系统统。将来发发动机功能能提升后，还还可实现发发动机进气气控制，进进一步提高高发动机系系统的性能能。图1 系统统框图3 系统配配置该控制系统统主要由单单片机、PPWM控制制电路、信信号滤波及及放大电路路、I2C总线、状状态指示电电路、参数数设置与LLCD显示示电路、参参数记录电电路等构成成，各部分分连接关系系如图2所所示。

8、图2 系系统配置框框图31 单单片机从图2可看看出，单片片机要具有有丰富的外外设接口资资源和足够够高的运算算速度，才才可能实现现各种功能能模块并满满足系统实实时性要求求。经过分分析比较，采采用了CYYGNALL公司的551单片机机C80551F作为为控制器,该单片机机具有以下下特点：（1）100位8通道道逐次比较较式ADCC,数据转转换速率可可达1000kspss。（2）JTTAG调试试和边界扫扫描接口，可可实现 在线实时时动态调试试。（3）流水水线指令结结构，最高高处理速度度高达255MIPSS （ 参见图33 ）。（4） 44K字节的的片上RAAM和644K字节的的Flassh程序存存储器

9、。（5）PWWM信号由由PCA产产生，PCCA由一个个专门的116位 CC/T和55个cappturee/commparee模块构成成。每个模模块可独立立设置为66种操作模模式之一：边缘触发发捕获、软软件定时器器、高速输输出、频率率输出(方方波输出)、8-bbit PPWM和116-biit PWWM等。 由以上特点点可以看出出，C80511F单片机机具有丰富富的片上硬硬件资源及及高运算速速度，这为为实现复杂杂的控制算算法提供了了保障，而而且几乎不不需系统扩扩展即可满满足控制系系统对硬件件资源的需需求，极大大提高了系系统可靠性性。32 PWM控控制电路控制系统中中气阀，点点火器，启启动电机和和

10、油泵电机机等器件需需要PWMM信号来控控制其工图3 四四种单片机机最高执行行速度比较较作。这些大大功率器件件都不能直直接由单片片机输出信信号直接控控制。因此此需要设计计驱动电路路以实现对对这些器件件的控制。根据各被被驱动器件件的工作特特点，合理理选择相应应参数的MMOS管，使使MOS管管可靠地控控制各器件件，电路如如图4所示示。 图44 PWWM控制电电路33 尾喷管温温度测量电电路尾喷管温度度（EGTT）最高可可达10000，是是发动机安安全、可靠靠工作的重重要指标。从测温范范围、测量量精度及成成本等方面面综合考虑虑，采用了了镍铬镍镍硅（Nii,Cr,Si）热热电偶作为为测温元件件，镍铬镍硅

11、热电电偶具有良良好的线性性度，能很很好地满足足发动机尾尾喷管测温温需求。热热电偶的输输出为双端端输出的差差模小信号号，这就要要求处理此此信号的放放大器具有有极高的输输入阻抗和和共模抑制制比，这里里采用了常常用的三运运放差动放放大器（即即仪用放大大器），见见图5。关关于热电偶偶的冷端补补偿问题，这这里采用单单片机片上上温度传感感器测得的的温度作为为冷端温度度，根据中中间温度定定律，E(T,0)=E(TT,T0)+E(T0,0),其中E(T0,0)由由所测的冷冷端温度TT0根据热电电势和温度度的单值函函数关系式式求出，所所以E(TT,0)亦亦可求出，从从而推算出出热端温度度。这种方方法比通常常采用

12、的利利用补偿电电路实现冷冷端补偿更更为简单方方便。图5 仪用用放大器34 转转速及遥控控指令测量量电路 发动机机转速通过过光电器件件测量，见见图6所示示。发动机机每转一周周，测量电电路发出两两个脉冲。由于发动动机推力控控制本质是是对发动机机转速的控控制，所以以转速的测测量精度直直接关系到到控制性能能的优劣。转速由单单片机的116-biit定时器器T4的捕捕获功能（快快速输入）测测得每个脉脉冲的周期期而推算出出来。发动动机正常工工作状态时时的转速范范围为333000rrpm11200000rpmm, 由此此可推算出出正常工作作状态时，周周期范围为为909uus2550us,定时器每每个计数单单位

13、对应的的时间值为为1/188.4322M = 0.0554us（晶晶振采用118.4332M）,且周期时时间不会超超过16-bit定定时器的溢溢出周期。所以既可可达到足够够高的测量量精度，又又为软件处处理提供方方便。发动机速度度指令是通通过遥控接接收机的一一个通道发发送给单片片机的。速速度指令脉脉冲的脉宽宽对应不同同的期望转转速，并通通过16bit定定时器T22实现测量量。35 I2C总线和UUART总总线系统中的状状态指示电电路、LCCD显示电电路、参数数记录电路路和键盘扫扫描电路等等功能模块块图6 转速速测量电路路示意图采用I2CC总线结构构，以实现现各个模块块的数据和和指令交换换。I2C

14、总线有以以下特点：(1)只需需要两条线线，SDAA数据线和和SCL时时钟线。(2)挂在在总线上的的各个器件件都通过软软件寻址，且且总存在主主/从关系系，当两个个或多个主主方同时发发起数据传传输时，可可进行冲突突检测及仲仲裁。(3)数据据传输率最最高可达到到400kkbitss/s。 除除了以上特特点外，II2C总线作为为一种流行行的通用总总线，有丰丰富的功能能器件支持持，扩展的的功能器件件可方便的的接到总线线上，为系系统扩展提提供极大方方便。其中参数记记忆器件采采用32KK EEPPROM (AT224C2556),四四个LEDD状态显示示灯利用PPCF85574串并并转换器来来驱动。若若发动

15、机控控制系统作作为分布式式计算机控控制系统的的一个子系系统，可通通过此总线线与上位计计算机进行行通讯。为为实现功能能扩展的需需要，也将将片上的两两个UARRT接口通通过接口芯芯片接出来来，以便于于与PC机机或其它设设备通讯。36 LCD显显示及参数数设置根据参数显显示的要求求，LCDD显示选用用了主控制制驱动电路路为HD4447800的16字字符2行行的588点阵液晶晶显示器，此此显示器是是通过并行行口与外部部控制器连连接的，因因此，我们们采用了PPCF85574 II2C并口转转换芯片将将其与系统统相连。为为了省去由由单片机专专门提供LLCD的读读写控制信信号和使能能信号等，利利用所发送送数

16、据的低低三位提供供控制和使使能信号，高高半字节为为向LCDD发送的指指令或数据据。控制系统的的状态和参参数显示或或修改通过过6个功能能菜单实现现，其中四四个菜单可可通过快捷捷键直接进进入，而所所有菜单都都可通过菜菜单选择键键（MENNU + 或MEENU -）进入入。参数设设定盒上的的10个按按键通过一一块PCFF85744芯片,构构成矩阵键键盘来实现现的,并通通过反转法法只通过两两次扫描读读数既可识识别按键。此参数盒盒也通过II2C总线与系系统连接。4 控制制系统软件件控制软件需需要完成的的任务包括括：数据检检测（包括括4路A/D转换，转转速和速度度指令测量量等）、键键盘扫描, LCDD显示

17、, 参数记忆忆与提取，控控制算法和和4路PWWM输出等等。 41 主程序主程序首先先要实现系系统时钟初初始化、MMCU端口口初始化、中断设置置及学习速速度指令（包包括关闭，怠怠速，和大大车状态）等等，并从参参数记忆器器件中提取取发动机启启动和正常常工作状态态中需要的的参数等。 发动机进入入启动过程程后根据发发动机启动动油量曲线线，控制启启动电机、可燃气体体及油泵电电机的供油油量等，使使发动机在在尽可能短短的时间内内进入正常常工作状态态。完成启动过过程后，主主程序进入入循环状态态，主要完完成参数检检测及状态态显示等，直直到发出关关闭指令为为止。主程程序流程图图见图7。42 中中断控制控制软件要要

18、实现多个个任务，如如果能在单单片机中嵌嵌入实时多多任务操作作系统（RRTOS）,可以简化化多任务的的调度管理理和软件设设计过程。控制系统统的实时性性要求，需需要操作系系统支持任任务抢占来来保证。KKEIL C自带的的RTX551 TIINY仅支支持循环任任务切换，其其它操作系系统涉及移移植，开销销等方面的的问题，所所以未采用用操作系统统。对各任任务的调度度和管理，以以及重要任任务的实时时执行，就就需要各个个中断精确确规划和彼彼此协调来来保证。控制软件中中共用到77个中断，包包括INTT1外部中中断，T00中断,UUART00中断，TT4中断，II2C总线中断断，IE66扩展外部部中断，AA/D

19、转换换完成中断断等。其功功能特点是是：(1) IINT1中中断，主要要发出发动动机的启动动或停止指指令，由外外部开关触触发。(2) TT0定时器器中断完成成系统采样样周期的定定时。(3) UUART00中断，用用来实现与与PC机的的数据通讯讯。(4) TT4定时器器中断，用用来测量发发动机的转转速。(5) II2C总线中断断，实现总总线协议，并并完成数据据传送。(6) IIE6 外外部中断，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) AA/D 转转换完成中中断用于发发动机启动动过程中的的尾喷管温温度测量（EGT），起动过程

20、中EGT是一个重要的参数依据。图7 主主程序流程程图并不是每个个中断都自自始至终发发挥作用，而而是在不同同阶段，有有些中断使使能，其余余禁止，且且同一中断断在发动机机工作的不不同状态其其优先级也也会不同。IE6外外部中断在在速度指令令脉宽学习习和正常运运转状态都都为高级中中断，而在在启动过程程中则为低低级中断。T0作为为采样周期期，在正常常工作状态态时要求准准确的定时时，所以也也设置为高高级中断，当当与IE66高级中断断同时触发发时，因其其默认优先先级更高，所所以先执行行T0中断断。另一种种情况是当当T0中断断触发时，IIE6中断断已经执行行，此中断断只有三条条C指令，且且为赋值和和减法指令令

21、，最大延延迟为几十十uS,所所以对T00的实时性性影响可以以忽略。若若IE6中中断触发时时，T0中中断已经响响应，从TT0中断程程序返回前前将IE66的中断标标志位清除除，可保证证速度指令令脉宽测量量的准确性性。通过以上灵灵活的中断断设置与协协调，可实实现实时任任务和非实实时任务的的调度管理理。图8 T0中断断程序流程程图 图图9 PID控控制系统框框图43 PID 控制算法法控制算法在在T0中断断程序中完完成,程序序流程见图图8。按照照比例（PP）、积分分(I)和和微分(DD)进行控控制的PIID控制器器是应用最最为广泛的的一种自动动控制器。在计算机机控制系统统中，PIID控制与与计算机的的

22、逻辑判断断和运算功功能结合起起来，使PPID控制制更加灵活活，并能满满足各种要要求。在算算法中将积积分项改进进，采用积积分分离式式PID算算法，以使使控制性能能更加完善善。对应的的连续域PPID控制制系统框图图见图9所所示，采样样周期为220ms。5 系统仿仿真51 数数学仿真数学仿真结结构图见图图10，所所取控制对对象为时间间常数为4470mss的一阶环环节。采样样周期20mms时，KKp = 1, KKi = 0.0223, KKd = 0.1999时,得得到如图111所示的的动态响应应曲线。 图图10 数学仿仿真结构框框图图11 数学学仿真动态态响应曲线线52 半半实物仿真真 半半实物仿真真硬件框图图如图122所示，单单片机输出出的燃油泵泵PWM控控制信号首首先经过有有源二阶滤滤波器，进进行滤波后后近似为脉脉动很小的的直流电压压信号，此此信号对应应于原系统统的供油量量。此信号号加到一个个RC构成成的一阶环环节上，此此环节近似似认为是涡涡喷发动机机的实物模模型，时间间常数T设设置为4770ms。一阶对象象的输出电电压信号对对应于涡喷喷发动机的的转速信号号，经过AA/D采样样后，根据据此电压值值的大小，可可编程计数数阵列的通通