C8051F單片機的小型渦噴發(fā)動機控制系統(tǒng)

1、一種基于C80051F單片片機的小型渦渦噴發(fā)動機控控制系統(tǒng) 摘要要介紹了一一種航空用小小型渦輪噴氣氣發(fā)動機控制制系統(tǒng)的設(shè)計計原理、實現(xiàn)現(xiàn)方法和軟硬硬件構(gòu)成等。關(guān)鍵詞MCCU，軟件實實現(xiàn)，中斷控控制One Kiind off MCU Basedd Smalll Turrbine Jet CControol SysstemJite Chenn Shennggongg Sheen Weiiqun Song Zishaan(Schhool oof Auttomatiion Scciencee and Electtric EEngineeeringg，Beijjing UUniverrsity of A

2、eeronauutics And AAstronnauticcs, Beeijingg 1000083)AbstrractTThe arrticlee intrroducees thee desiign prrincipples, realiizatioon metthod aand coonfiguuratioon of softwware aand haardwarre of a smaall tuurbinee jet contrrol syystem.KeyywordssConttrol ssystemm， Turrbine jet，SSystemm conffiguraation，

3、MCU，SSoftwaare reealizaation，IInterrrupt ccontrool1 前 言言該小型渦輪噴氣氣發(fā)動機具有有結(jié)構(gòu)緊湊、體體積小、重量量輕和推重比比大等特點?？煽蓱?yīng)用于軍用用和民用領(lǐng)域域，例如靶機機和用來偵察察、攻擊、護護林的小型無無人機等。發(fā)發(fā)動機控制系系統(tǒng)性能的優(yōu)優(yōu)劣將直接影影響發(fā)動機及及飛機的性能能。航空發(fā)動動機控制系統(tǒng)統(tǒng)的作用是根根據(jù)控制桿指指令，改變可可控變量（供供油量），以以保證發(fā)動機機推力（轉(zhuǎn)速速）按預(yù)定的的規(guī)律變化，使使發(fā)動機安全全、可靠、穩(wěn)穩(wěn)定的工作，并并獲得最佳性性能。發(fā)動機控制系統(tǒng)統(tǒng)傳統(tǒng)上一直直由液壓機械械式和氣動機機械式調(diào)節(jié)器器實現(xiàn)。隨著著

4、發(fā)動機控制制和飛機系統(tǒng)統(tǒng)之間聯(lián)系的的增加以及狀狀態(tài)監(jiān)視，故故障診斷，參參數(shù)顯示等功功能的擴充，飛飛機發(fā)動機一一體化控制的的水平要求不不斷提高。不不論是三維凸凸輪計算元件件還是膜盒組組計算元件，它它們所能綜合合計算的參數(shù)數(shù)是很有限的的。如要增加加，勢必帶來來重量、體積積、成本的增增加并且是難難于實現(xiàn)的。傳傳統(tǒng)式控制系系統(tǒng)的發(fā)展受受到限制。因因此，在發(fā)動動機控制中，采采用計算機控控制系統(tǒng)的要要求越來越重重要。計算機控制系統(tǒng)統(tǒng)用于發(fā)動機機控制，具有有提高發(fā)動機機性能、降低低燃油消耗、提提高可靠性和和改進維修性性等優(yōu)點。計計算機感受的的參數(shù)不受限限制以及它的的計算、邏輯輯判斷、機內(nèi)內(nèi)測試、故障障診斷、

5、存儲儲記憶功能，加加之與飛機系系統(tǒng)易于接口口，易于實現(xiàn)現(xiàn)發(fā)動機狀態(tài)態(tài)監(jiān)控，易于于實現(xiàn)與飛機機控制的一體體化，使其發(fā)發(fā)展具有很大大潛力。本論文討論的小小型渦輪噴氣氣發(fā)動機控制制系統(tǒng)集傳感感器、作動器器和控制計算算機于一體，具具有體積小、重重量輕、功能能強大的特點點，可完成發(fā)發(fā)動機的過渡渡控制（啟動動控制，加速速控制，減速速控制）、推推力控制、安安全控制（包包括轉(zhuǎn)速，溫溫度等）和故故障診斷功能能等。其推力力控制有遙控控方式和數(shù)字字指令方式。該該控制系統(tǒng)的的研制可為我我國無人飛行行器的技術(shù)提提升和探索自自己特色的小小型渦輪噴氣氣發(fā)動機控制制技術(shù)打下良良好的基礎(chǔ)，具具有較高的軍軍用價值和民民用價值。2

6、 計算機控控制系統(tǒng)方案案控制系統(tǒng)方案如如圖1所示。系系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)動動機尾噴管氣氣體溫度EGGT（Exhhaust Gas TTemperraturee）、渦輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（RPMM）、控制系系統(tǒng)電源電壓壓和遙控接收收機發(fā)來的速速度指令，根根據(jù)控制算法法產(chǎn)生控制數(shù)數(shù)據(jù)，控制數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換換算法產(chǎn)生控控制量（PWWM信號），并并通過驅(qū)動電電路控制油泵泵電機的轉(zhuǎn)速速，調(diào)節(jié)發(fā)動動機的給油量量，使發(fā)動機機按給定的推推力（轉(zhuǎn)速）工工作，以實現(xiàn)現(xiàn)推力控制。小小型渦輪噴氣氣發(fā)動機的正正常工作還需需要許多輔助助控制系統(tǒng)，在在本控制系統(tǒng)統(tǒng)中包含有發(fā)發(fā)動機啟動過過程控制系統(tǒng)統(tǒng)，發(fā)動機過過熱自動保護護控制系統(tǒng)，發(fā)發(fā)動機熄火過

7、過程控制系統(tǒng)統(tǒng)和發(fā)動機故故障檢測和診診斷系統(tǒng)。為為滿足不同發(fā)發(fā)動機的控制制需要，本系系統(tǒng)還有控制制參數(shù)設(shè)置與與保存系統(tǒng)和和發(fā)動機工作作過程參數(shù)記記錄系統(tǒng)。將將來發(fā)動機功功能提升后，還還可實現(xiàn)發(fā)動動機進氣控制制，進一步提提高發(fā)動機系系統(tǒng)的性能。圖1 系統(tǒng)框圖圖3 系統(tǒng)配置該控制系統(tǒng)主要要由單片機、PWM控制電路、信號濾波及放大電路、I2C總線、狀態(tài)指示電路、參數(shù)設(shè)置與LCD顯示電路、參數(shù)記錄電路等構(gòu)成，各部分連接關(guān)系如圖2所示。圖2 系統(tǒng)配配置框圖31 單片機機從圖2可看出，單單片機要具有有豐富的外設(shè)設(shè)接口資源和和足夠高的運運算速度，才才可能實現(xiàn)各各種功能模塊塊并滿足系統(tǒng)統(tǒng)實時性要求求。經(jīng)過分析

8、析比較，采用用了CYGNNAL公司的的51單片機機C80511F作為控制制器,該單片片機具有以下下特點：（1）10位88通道逐次比比較式ADCC,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換速率可達1100kspps。（2）JTAGG調(diào)試和邊界界掃描接口，可可實現(xiàn) 在線線實時動態(tài)調(diào)調(diào)試。（3）流水線指指令結(jié)構(gòu)，最最高處理速度度高達25MMIPS （ 參見圖圖3 ）。（4） 4K字字節(jié)的片上RRAM和644K字節(jié)的FFlash程程序存儲器。（5）PWM信信號由PCAA產(chǎn)生，PCCA由一個專專門的16位位 C/T和和5個cappture/compaare模塊構(gòu)構(gòu)成。每個模模塊可獨立設(shè)設(shè)置為6種操操作模式之一一：邊緣觸發(fā)發(fā)捕獲、軟件

9、件定時器、高高速輸出、頻頻率輸出(方方波輸出)、88-bit PWM和116-bitt PWM等等。 由以上特點可以以看出，C8051FF單片機具有有豐富的片上上硬件資源及及高運算速度度，這為實現(xiàn)現(xiàn)復(fù)雜的控制制算法提供了了保障，而且且?guī)缀醪恍柘迪到y(tǒng)擴展即可可滿足控制系系統(tǒng)對硬件資資源的需求，極極大提高了系系統(tǒng)可靠性。32 PWWM控制電路路控制系統(tǒng)中氣閥閥，點火器，啟啟動電機和油油泵電機等器器件需要PWWM信號來控控制其工圖3 四種單單片機最高執(zhí)執(zhí)行速度比較較作。這些大功率率器件都不能能直接由單片片機輸出信號號直接控制。因因此需要設(shè)計計驅(qū)動電路以以實現(xiàn)對這些些器件的控制制。根據(jù)各被被驅(qū)動器件的

10、的工作特點，合合理選擇相應(yīng)應(yīng)參數(shù)的MOOS管，使MMOS管可靠靠地控制各器器件，電路如如圖4所示。 圖4 PWM控制制電路33 尾噴噴管溫度測量量電路尾噴管溫度（EEGT）最高高可達10000，是發(fā)發(fā)動機安全、可可靠工作的重重要指標(biāo)。從從測溫范圍、測測量精度及成成本等方面綜綜合考慮，采采用了鎳鉻鎳硅（Nii,Cr,SSi）熱電偶偶作為測溫元元件，鎳鉻鎳硅熱電偶偶具有良好的的線性度，能能很好地滿足足發(fā)動機尾噴噴管測溫需求求。熱電偶的的輸出為雙端端輸出的差模模小信號，這這就要求處理理此信號的放放大器具有極極高的輸入阻阻抗和共模抑抑制比，這里里采用了常用用的三運放差差動放大器（即即儀用放大器器），見

11、圖55。關(guān)于熱電電偶的冷端補補償問題，這這里采用單片片機片上溫度度傳感器測得得的溫度作為為冷端溫度，根根據(jù)中間溫度度定律，E(T,0)=E(T,TT0)+E(TT0,0),其其中E(T00,0)由所所測的冷端溫溫度T0根據(jù)熱電勢勢和溫度的單單值函數(shù)關(guān)系系式求出，所所以E(T,0)亦可求求出，從而推推算出熱端溫溫度。這種方方法比通常采采用的利用補補償電路實現(xiàn)現(xiàn)冷端補償更更為簡單方便便。圖5 儀用放大大器34 轉(zhuǎn)速及及遙控指令測測量電路 發(fā)動機轉(zhuǎn)速速通過光電器器件測量，見見圖6所示。發(fā)發(fā)動機每轉(zhuǎn)一一周，測量電電路發(fā)出兩個個脈沖。由于于發(fā)動機推力力控制本質(zhì)是是對發(fā)動機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的控制，所所以轉(zhuǎn)速的測測量

12、精度直接接關(guān)系到控制制性能的優(yōu)劣劣。轉(zhuǎn)速由單單片機的166-bit定定時器T4的的捕獲功能（快快速輸入）測測得每個脈沖沖的周期而推推算出來。發(fā)發(fā)動機正常工工作狀態(tài)時的的轉(zhuǎn)速范圍為為330000rpm11200000rpm, 由此可推算算出正常工作作狀態(tài)時，周周期范圍為9909us250uss,定時器每每個計數(shù)單位位對應(yīng)的時間間值為1/118.4322M = 00.054uus（晶振采采用18.4432M）,且周期時間間不會超過116-bitt定時器的溢溢出周期。所所以既可達到到足夠高的測測量精度，又又為軟件處理理提供方便。發(fā)動機速度指令令是通過遙控控接收機的一一個通道發(fā)送送給單片機的的。速度指

13、令令脈沖的脈寬寬對應(yīng)不同的的期望轉(zhuǎn)速，并并通過16bit定時時器T2實現(xiàn)現(xiàn)測量。35 I22C總線和UAART總線系統(tǒng)中的狀態(tài)指指示電路、LLCD顯示電電路、參數(shù)記記錄電路和鍵鍵盤掃描電路路等功能模塊塊圖6 轉(zhuǎn)速測量量電路示意圖圖采用I2C總線線結(jié)構(gòu)，以實實現(xiàn)各個模塊塊的數(shù)據(jù)和指指令交換。II2C總線有以下下特點：(1)只需要兩兩條線，SDDA數(shù)據(jù)線和和SCL時鐘鐘線。(2)掛在總線線上的各個器器件都通過軟軟件尋址，且且總存在主/從關(guān)系，當(dāng)當(dāng)兩個或多個個主方同時發(fā)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸輸時，可進行行沖突檢測及及仲裁。(3)數(shù)據(jù)傳輸輸率最高可達達到400kkbits/s。 除了以以上特點外，I2C總線作為

14、一種流行的通用總線，有豐富的功能器件支持，擴展的功能器件可方便的接到總線上，為系統(tǒng)擴展提供極大方便。其中參數(shù)記憶器器件采用322K EEPPROM (AT24CC256),四個LEDD狀態(tài)顯示燈燈利用PCFF8574串串并轉(zhuǎn)換器來來驅(qū)動。若發(fā)發(fā)動機控制系系統(tǒng)作為分布布式計算機控控制系統(tǒng)的一一個子系統(tǒng)，可可通過此總線線與上位計算算機進行通訊訊。為實現(xiàn)功功能擴展的需需要，也將片片上的兩個UUART接口口通過接口芯芯片接出來，以以便于與PCC機或其它設(shè)設(shè)備通訊。36 LCCD顯示及參參數(shù)設(shè)置根據(jù)參數(shù)顯示的的要求，LCCD顯示選用用了主控制驅(qū)驅(qū)動電路為HHD447880的16字字符2行的的58點陣陣液

15、晶顯示器器，此顯示器器是通過并行行口與外部控控制器連接的的，因此，我我們采用了PPCF85774 I2C并口轉(zhuǎn)換換芯片將其與與系統(tǒng)相連。為為了省去由單單片機專門提提供LCD的的讀寫控制信信號和使能信信號等，利用用所發(fā)送數(shù)據(jù)據(jù)的低三位提提供控制和使使能信號，高高半字節(jié)為向向LCD發(fā)送送的指令或數(shù)數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的狀態(tài)態(tài)和參數(shù)顯示示或修改通過過6個功能菜菜單實現(xiàn)，其其中四個菜單單可通過快捷捷鍵直接進入入，而所有菜菜單都可通過過菜單選擇鍵鍵（MENUU + 或或MENU -）進入入。參數(shù)設(shè)定定盒上的100個按鍵通過過一塊PCFF8574芯芯片,構(gòu)成矩矩陣鍵盤來實實現(xiàn)的,并通通過反轉(zhuǎn)法只只通過兩次掃掃描

16、讀數(shù)既可可識別按鍵。此此參數(shù)盒也通通過I2C總線與系統(tǒng)統(tǒng)連接。4 控制系統(tǒng)統(tǒng)軟件控制軟件需要完完成的任務(wù)包包括：數(shù)據(jù)檢檢測（包括44路A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速和和速度指令測測量等）、鍵鍵盤掃描, LCD顯示示, 參數(shù)記記憶與提取，控控制算法和44路PWM輸輸出等。 41 主程程序主程序首先要實實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘鐘初始化、MMCU端口初初始化、中斷斷設(shè)置及學(xué)習(xí)習(xí)速度指令（包包括關(guān)閉，怠怠速，和大車車狀態(tài)）等，并并從參數(shù)記憶憶器件中提取取發(fā)動機啟動動和正常工作作狀態(tài)中需要要的參數(shù)等。 發(fā)動機進入啟動動過程后根據(jù)據(jù)發(fā)動機啟動動油量曲線，控控制啟動電機機、可燃?xì)怏w體及油泵電機機的供油量等等，使發(fā)動機機在盡可能短短

17、的時間內(nèi)進進入正常工作作狀態(tài)。完成啟動過程后后，主程序進進入循環(huán)狀態(tài)態(tài)，主要完成成參數(shù)檢測及及狀態(tài)顯示等等，直到發(fā)出出關(guān)閉指令為為止。主程序序流程圖見圖圖7。42 中斷控控制控制軟件要實現(xiàn)現(xiàn)多個任務(wù)，如如果能在單片片機中嵌入實實時多任務(wù)操操作系統(tǒng)（RRTOS）,可以簡化多多任務(wù)的調(diào)度度管理和軟件件設(shè)計過程。控控制系統(tǒng)的實實時性要求，需需要操作系統(tǒng)統(tǒng)支持任務(wù)搶搶占來保證。KKEIL CC自帶的RTTX51 TTINY僅支支持循環(huán)任務(wù)務(wù)切換，其它它操作系統(tǒng)涉涉及移植，開開銷等方面的的問題，所以以未采用操作作系統(tǒng)。對各各任務(wù)的調(diào)度度和管理，以以及重要任務(wù)務(wù)的實時執(zhí)行行，就需要各各個中斷精確確規(guī)劃和彼

18、此此協(xié)調(diào)來保證證?？刂栖浖泄灿糜玫?個中斷斷，包括INNT1外部中中斷，T0中中斷,UARRT0中斷，TT4中斷，II2C總線中斷，IIE6擴展外外部中斷，AA/D轉(zhuǎn)換完完成中斷等。其其功能特點是是：(1) INTT1中斷，主主要發(fā)出發(fā)動動機的啟動或或停止指令，由由外部開關(guān)觸觸發(fā)。(2) T0定定時器中斷完完成系統(tǒng)采樣樣周期的定時時。(3) UARRT0中斷，用用來實現(xiàn)與PPC機的數(shù)據(jù)據(jù)通訊。(4) T4定定時器中斷，用用來測量發(fā)動動機的轉(zhuǎn)速。(5) I2CC總線中斷，實實現(xiàn)總線協(xié)議議，并完成數(shù)數(shù)據(jù)傳送。(6) IE66 外部中斷斷，T2定時時器記錄速度度指令脈沖的的下降沿時刻刻，上升沿時時

19、觸發(fā)此中斷斷并讀取此時時T2的數(shù)據(jù)據(jù)，兩者相減減可獲取速度度指令脈寬。(7) A/DD 轉(zhuǎn)換完成成中斷用于發(fā)發(fā)動機啟動過過程中的尾噴噴管溫度測量量（EGT），起起動過程中EEGT是一個個重要的參數(shù)數(shù)依據(jù)。圖7 主程序序流程圖并不是每個中斷斷都自始至終終發(fā)揮作用，而而是在不同階階段，有些中中斷使能，其其余禁止，且且同一中斷在在發(fā)動機工作作的不同狀態(tài)態(tài)其優(yōu)先級也也會不同。IIE6外部中中斷在速度指指令脈寬學(xué)習(xí)習(xí)和正常運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)狀態(tài)都為高高級中斷，而而在啟動過程程中則為低級級中斷。T00作為采樣周周期，在正常常工作狀態(tài)時時要求準(zhǔn)確的的定時，所以以也設(shè)置為高高級中斷，當(dāng)當(dāng)與IE6高高級中斷同時時觸發(fā)時，因

20、因其默認(rèn)優(yōu)先先級更高，所所以先執(zhí)行TT0中斷。另另一種情況是是當(dāng)T0中斷斷觸發(fā)時，IIE6中斷已已經(jīng)執(zhí)行，此此中斷只有三三條C指令，且且為賦值和減減法指令，最最大延遲為幾幾十uS,所所以對T0的的實時性影響響可以忽略。若若IE6中斷斷觸發(fā)時，TT0中斷已經(jīng)經(jīng)響應(yīng)，從TT0中斷程序序返回前將IIE6的中斷斷標(biāo)志位清除除，可保證速速度指令脈寬寬測量的準(zhǔn)確確性。通過以上靈活的的中斷設(shè)置與與協(xié)調(diào)，可實實現(xiàn)實時任務(wù)務(wù)和非實時任任務(wù)的調(diào)度管管理。圖8 T00中斷程序流流程圖 圖9 PIDD控制系統(tǒng)框框圖43 PIID 控制算算法控制算法在T00中斷程序中中完成,程序序流程見圖88。按照比例例（P）、積積分

21、(I)和和微分(D)進行控制的的PID控制制器是應(yīng)用最最為廣泛的一一種自動控制制器。在計算算機控制系統(tǒng)統(tǒng)中，PIDD控制與計算算機的邏輯判判斷和運算功功能結(jié)合起來來，使PIDD控制更加靈靈活，并能滿滿足各種要求求。在算法中中將積分項改改進，采用積積分分離式PPID算法，以以使控制性能能更加完善。對對應(yīng)的連續(xù)域域PID控制制系統(tǒng)框圖見見圖9所示，采采樣周期為220ms。5 系統(tǒng)仿真51 數(shù)學(xué)仿仿真數(shù)學(xué)仿真結(jié)構(gòu)圖圖見圖10，所所取控制對象象為時間常數(shù)數(shù)為470mms的一階環(huán)環(huán)節(jié)。采樣周期20ms時時，Kp = 1, KKi = 00.023, Kd = 0.1999時,得到到如圖11所所示的動態(tài)響響應(yīng)曲線。 圖100 數(shù)學(xué)學(xué)仿真結(jié)構(gòu)框框圖圖11 數(shù)學(xué)仿真動動態(tài)響應(yīng)曲線線52 半實物物仿真 半實物物仿真硬件框框圖如圖122所示，單片片機輸出的燃燃油泵PWMM控制信號首首先經(jīng)過有源源二階濾波器器，進行濾波波后近似為脈脈動很小的直直流電壓信號號，此信號對對應(yīng)于原系統(tǒng)統(tǒng)的供油量。此此信號加到一一個RC構(gòu)成成的一階環(huán)節(jié)節(jié)上，此環(huán)節(jié)節(jié)近似認(rèn)為是是渦噴發(fā)動機機的實物模型型，時間常數(shù)數(shù)T設(shè)置為4470ms。一一階對象的輸輸出電壓信號號對應(yīng)于渦噴噴發(fā)動機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)經(jīng)過A/D采采樣后，根據(jù)據(jù)此電壓值的的大小，可編編程計數(shù)陣列列的通道0（