基于RTOS涡喷发动机数字控制系统.docVIP

基于RTOS的涡喷发动机数字控制系统 郑玉全　陈杰　沈为群　宋子善 （北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京? 100083） controller with RTOS for turbine jet engine Author: ABSTRACT：This thesis introduces an ECU( Engine Control Unit) for micro turbine jet. Based on C8051F021 MCU and embedded MicroStar RTOS, this ECU has the capability to ignite, start up, stabilize rotate speed /thrust, protect engine from over-temperature and over speed, check itself and so on. The controller has the virtues of small size, light weight, function . key words：C8051F021、MicroStar RTOS、turbine jet engine、PID 1? 引言图1 控制系统结构框图 控制器接收遥控接收机（或主控计算机）发出的PCM(Pulse Coding Modulation，脉冲编码调制)形式的推力和起停指令，驱动油泵、油阀、点火器等伺服机构，实时的测量发动机的温度和转速，完成自动点火、加速、减速、转速稳定、超温超速保护等控制功能，并能将状态参数实时通过RS232总线发送到PC机。通过手持终端，可修改系统参数。 为便于系统调试和测试发动机性能，我们还开发了运行Windows平台的实时检测软件ECU1.0( Engine Control Unit , Version1.0)。 2硬件设计 C8051F021单片机是美国cygnal公司推出的一款高性能8位SOC单片机。针对本系统应用，它有以下优点： 采用了流水线技术，峰值处理速度可达25MIPS，远远高于其它51单片机。 具有12位8通道逐次比较式ADC,数据转换速率可达100ksps。 4K字节的片上RAM和64K字节的Flash程序存储器。C8051F021单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，几乎不需扩展即可满足控制系统对硬件资源的需求 图2 硬件结构图 2.1 转速测量模块 采用红外对管来测量发动机的转速。发动机的轴上钻有一通孔，安装时使发送-接收管的连线通过该孔。发动机每转一周，红外接收管会导通两次。由于通、断状态是渐变的，再加上普通红外管开关速度较低，在发动机高速运转（可达120000RPM/m）时，接收管输出的脉冲信号幅值很小，而且上升沿/下降沿较为平缓，单片机无法准确识别，必须加以整形。整形电路如图3所示。 信号通过电容C1耦合至运放AR1的同相输入端，以2.5V为参考点，进行高倍数放大，以保证即使在高转速下，脉冲的峰峰幅值接近供电电源5伏。运放AR3用于实现了回滞比较器，提高抗干扰能力，输出至单片机T4EX脚。利用定时器4的边沿捕捉功能可方便的测出相邻脉冲间的时间间隔，从而换算出速度。 2.2温度测量模块 发动机体内的温度是发动机安全、可靠工作的重要指标。由于发动机较小，考虑到装配的方便，以尾喷管的温度来表征发动机的工作温度。 试验表明，尾喷管的温度最高可达900℃。出于测温范围、成本方面的考虑，选用的镍铬－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，℃。由于发动机对温度测量精度的要求并不苛刻，采用热敏电阻来实现温度补偿。 2.3 PWM驱动模块 采用PWM方式来控制系统中气阀，点火器，启动电机和油泵电机等伺服机构。启动电机、齿轮泵的工作电流较大，可达14安培。宜选用过流大且导通电阻小的MOS管和压降小的肖特基二极管。本系统选用了过流120A、导通电阻7.5毫欧的MOS管，但试验表明，MOS管工作温度仍然较高，故采用了两片并联驱动方式。一路PWM控制单元的原理图如图43所示。 电阻R6主要作用是当无控制输入信号（如线路故障、单片机复位过程中）时，MOS管保持关闭，伺服机构不动作。开通时，通过Q4对MOS管输入电容快速充电；关断时，输入电容通过D3和Q3快速放电。采用上述具有较高开关速度的电路,可有效减少MOS管发热量。 2.4　系统通讯总线 I2C总线成本低廉，连线简单，并有一定的抗干扰能力，同时可连结多个器件，故选用I2C作为系统通讯总线。手持终端、信号灯均通过I2C总线与系统板连接，由串转并芯片PCF8574驱动。 3系统软件 本系统主要完成发动机控制与人机接口任务。直接基