微型渦噴發(fā)動機電子系統(tǒng)設(shè)計

沈陽建筑大學(xué) 黃利兵

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微型渦噴發(fā)動機電子系統(tǒng)設(shè)計

沈陽建筑大學(xué) 黃利兵

【摘要】微型渦噴發(fā)動機電子系統(tǒng)的設(shè)計對于發(fā)動機的啟動和運行有著重要意義。本文在某微型渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套完整的電子系統(tǒng)，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速及溫度進行采集和存儲，根據(jù)輸入量對發(fā)動機進行控制，并且在發(fā)動機故障時做出相應(yīng)的處理。

【關(guān)鍵詞】微型渦噴發(fā)動機；數(shù)據(jù)采集；啟動過程；故障處理

引言

微型渦噴發(fā)動機是一個基于現(xiàn)代先進加工技術(shù)的一個新興的研究領(lǐng)域。它是一種特殊的航空發(fā)動機，具有體積小、重量輕、推重比大等特點，在軍用和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。在控制器研究方面，為了適應(yīng)航空發(fā)動機的發(fā)展，控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從機械液壓式、機械液壓加模擬電子混合式、模擬電子式、機械液壓加數(shù)字電子監(jiān)控式、到全權(quán)限電子式控制的發(fā)展歷程［2-3］。

本文在某型發(fā)動機的機械基礎(chǔ)上搭建了一套完整的電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和尾氣溫度進行采集、存儲，然后對起動電機、油閥、油泵及點火器等執(zhí)行機構(gòu)搭建了驅(qū)動電路，系統(tǒng)輸入采用的是天地飛九發(fā)射機和其接收機，通過一個PWM采集信號來獲取發(fā)射機信號，顯示則是通過串口傳給PC上位機，用于監(jiān)視發(fā)動機的運行情況，使得發(fā)動機安全可靠的起動及運行。

1.微型渦噴發(fā)動機電子系統(tǒng)方案設(shè)計

微型渦噴發(fā)動機具有獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在控制方法和性能特性上都有別于大型的航空發(fā)動機。首先，微型渦噴發(fā)動機沒有專門的點火裝置，所以啟動時必須先用起動電機將轉(zhuǎn)子帶到一定的轉(zhuǎn)速，且微型渦噴發(fā)動機起動過程相當(dāng)復(fù)雜，需要五個執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)同工作。其次，微型渦噴發(fā)動機對供油量的變化十分敏感，因此發(fā)動機在運行的時候非常容易受到干擾，控制起來不易穩(wěn)定；另外，微型渦噴發(fā)動機的控制主要是通過判斷轉(zhuǎn)速的大小來調(diào)節(jié)供油量。為了穩(wěn)定的控制渦噴發(fā)動機，設(shè)計了一套發(fā)動機電子系統(tǒng)，渦噴發(fā)動機電子系統(tǒng)可分為三部分：控制系統(tǒng)、采集卡和驅(qū)動卡。其中控制系統(tǒng)選擇了STM32F407作為控制器；采集卡主要是采集轉(zhuǎn)速和溫度的信息；驅(qū)動卡主要是對起動電機、點火器、油泵及油閥進行驅(qū)動。根據(jù)上述特點，微型渦噴發(fā)動機電子控制器需要實現(xiàn)以下功能：

1）實時監(jiān)測發(fā)動機工作狀態(tài)，采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、尾氣溫度、遙控器輸入、環(huán)境溫度、執(zhí)行機構(gòu)的電壓。

2）采用PWM方式驅(qū)動油泵和起動電機，采用I/O口方式驅(qū)動點火器及油閥。

3）和上位機通信，采用串口方式接收上位機指令并將狀態(tài)信息發(fā)送給上位機、能夠存儲發(fā)動機實驗參數(shù)。

4）一定的容錯能力，在發(fā)動機發(fā)生故障時能及時停止并熄火。

5）體積小，集成度高及穩(wěn)定性好。

6）要有良好的電磁兼容性。

2.微型渦噴發(fā)動機電子系統(tǒng)功能設(shè)計

整個渦噴發(fā)動機電子系統(tǒng)由三部分組成，其中采集卡是安裝在渦噴發(fā)動機的內(nèi)部，采用的是霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速，尾氣溫度則是在噴氣口，其溫度能夠達(dá)到800度；驅(qū)動卡是對起動電機、點火器、油泵和油閥進行驅(qū)動，其中起動電機和點火器電流能夠達(dá)到40A，所以將驅(qū)動卡單獨設(shè)計，避免影響控制卡。現(xiàn)將三部分的主要模塊進行介紹：

1）電源模塊

電源是電子設(shè)備中必不可少的一部分，它為設(shè)備提供了能量。本系統(tǒng)中采用外接電池供電，電池采用的是3s電池，能夠提供9.9V電壓。起動電機、點火器和油泵的驅(qū)動模塊的電壓是寬壓輸入，所以采用電池直接接入驅(qū)動模塊。在控制模塊中，一些傳感器需要使用5V供電，而控制器的工作電壓是3.3V，因此電源模塊需要對電池電壓進行轉(zhuǎn)換。綜合考慮，電源模塊采用穩(wěn)壓芯片MP2359將電池電壓穩(wěn)定在5V，采用LM1117電源芯片來進行5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。

2）STM32主控模塊

控制器的核心采用STM32F407芯片［4］。它內(nèi)部集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括定時器、SPI接口、IIC接口、USART串口、USB接口、CAN接口，16通道的ADC。

3）轉(zhuǎn)速采集模塊

渦噴發(fā)動機的輸出是推力，但是直接測量推力比較困難，而其推力和轉(zhuǎn)速成正比，所以發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是一個重要的采集量。某型發(fā)動機在起動電機軸上有一個磁鐵，每轉(zhuǎn)一圈有一個脈沖，所以采用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)速。

4）溫度采集模塊

渦噴發(fā)動機在運行時如果給油量過多會產(chǎn)生較高的溫度，而如果溫度過高會損壞發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時會發(fā)生不可預(yù)計的后果，所以對尾氣溫度的檢測必不可少。由于溫度變化范圍在20度到800度范圍內(nèi)，所以采用熱電偶對尾氣溫度進行檢測。

5）SD卡模塊

渦噴發(fā)動機故障診斷和監(jiān)控是高質(zhì)量維護發(fā)動機的保障，是通過檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、尾氣溫度等重要參數(shù)，提取有關(guān)的信息實現(xiàn)對發(fā)動機的狀態(tài)識別。因此，發(fā)動機運行過程中要實時記錄下運行參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)選用了SD卡作為存儲設(shè)備，SD卡被廣泛應(yīng)用于便捷式裝置上，它擁有高記憶容量、快速的數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性和高的安全性［5］。

6）AD模塊

模擬信號的采集是通過控制器的核心處理器自帶的ADC模塊來實現(xiàn)［6］。模擬信號的采集主要是電壓信號的采集，包括點火器、油泵、起動電機和油閥等執(zhí)行機構(gòu)兩端的電壓。由于ADC模塊采集的電壓是3.3V以內(nèi)的電壓，而點火器等執(zhí)行機構(gòu)的電壓都在5V及以上，所以有必要對執(zhí)行機構(gòu)的電壓進行分壓。

7）無線收發(fā)模塊

在地面試車實驗時，發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音很大，已及周邊危險系數(shù)高，所以人和PC監(jiān)控端最好是遠(yuǎn)離實驗臺。系統(tǒng)中采用NRF24L01作為無線通信模塊，通過SPI實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，最高速度可達(dá)10Mb/s，而且擁有自動應(yīng)答和自動發(fā)射功能。

8）驅(qū)動模塊

對于點火器、起動電機和油泵都是大電流模塊，所以采用工程上常用的電機驅(qū)動模塊，并且選擇60A電流級別的驅(qū)動模塊。而油閥屬于小電流模塊，利用三極管搭建一個驅(qū)動電路。

9）遙控器模塊

微型渦噴發(fā)動機一般都配有一個遙控器，因為在進行外場飛行試驗時，需要一個手動的操作裝置對發(fā)動機進行操縱。自行設(shè)計一個遙控器需要花費一定的時間，而且其傳輸距離都只有一部分，所以采用航模常用的天地飛九作為遙控器?，F(xiàn)在需要做的只是一個PWM采集將遙控器信號采集進來即可。

3.結(jié)束語

本文通過在現(xiàn)有微型渦噴發(fā)動機機械基礎(chǔ)上，對其電子系統(tǒng)進行設(shè)計，由于實驗危險系數(shù)高，所以將整個系統(tǒng)分成三個部分，采集卡、驅(qū)動卡和控制卡。在各個模塊測試通過之后對發(fā)動機進行地面試車實驗。隨著系統(tǒng)的正常運行 ，該系統(tǒng)能夠滿足發(fā)動機的安全運行。

參考文獻

［1］謝偉.微型渦噴發(fā)動機電子控制器設(shè)計技術(shù)研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2013.

［2］徐建國，張?zhí)旌?微型渦輪發(fā)動機燃油閉環(huán)控制起動方法［J］.航空動力學(xué)報，2012，03：701-706.

［3］余紅旭，黃金泉.航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)延時分析［J］.測控技術(shù)，2008，06：50-51+54.

［4］勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2012，09：26-28.

［5］顧春洋，李鑫，張強.基于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，02：96-98.

［6］董寶玉，薛嚴(yán)冰，馬馳，盛虎.基于AD9854與STM32的頻率特性測試儀設(shè)計［J］.化工自動化及儀表，2014，06：655-659.