基于单片机的无人机小型涡喷发动机控制系统设计

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1、基于单片机的无人机小型涡喷发动机控制系统设计【摘要】无人机在洪涝灾害应急监测、大型科学试验和军事斗争中发挥了重要作用，本文对基于单片机的无人机小型涡喷发动机控制系统进行了阐述，该系统具有体积小、重量轻、功能强大的特点。【关键词】M⑶无人机涡喷发动机【Abstract]thedronesintheflooddisasteremergencymonitoring,largescientificexperimentsandplayedanimportantroleinmilitarystruggle,inthispaper,theunmanne

2、daerialvehicle(uav)smallturbojetenginecontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer,thesystemhasthecharacteristicsofsmallvolume,lightweight,powerful.[Keyword]MCU,Unmannedaerialvehicles,Turbojetengine一、前言无人机上的小型涡轮喷气发动机具有结构紧凑、体积小、重量轻和推重比大等特点。发动机控制系统性能的性能直接影响无人机发动机的性能。发动机控制系统一

3、直由液压机械式和气动机械式调节器实现。随着发动机控制和飞机系统之间联系的增加以及状态监视，故障诊断，参数显示等功能的扩充，飞机发动机一体化控制的水平要求不断提高。不论是三维凸轮计算元件还是膜盒组计算元件，其所能综合计算的参数是很有限的。在小型涡喷发动机控制中，采用计算机控制系统的要求越来越重要。二、系统设计方案系统用于监测发动机尾喷管气体温度、涡轮转速、控制系统电源电压和遥控接收机发来的速度指令，根据控制算法产生控制数据，控制数据经过转换算法产生控制量，并通过驱动电路控制油泵电机的转速，调节发动机的给油量，使发动机按给定的推力工作，以实现

4、推力控制。小型涡轮喷气发动机的正常工作还需要许多辅助控制系统，在本控制系统中包含有发动机启动过程控制系统，发动机过热自动保护控制系统，发动机熄火过程控制系统和发动机故障检测和诊断系统，见图1。为满足不同发动机的控制需要，本系统还有控制参数设置与保存系统和发动机工作过程参数记录系统。将来发动机功能提升后，实现发动机进气控制［1］。1系统总体框三、系统结构组成该控制系统主要由单片机、PWM控制电路、信号滤波及放大电路、I2C总线、状态指示电路、参数设置与LCD显示电路、参数记录电路等构成［2］，各部分连接关系如图2所不o（一）单片机单片机要具

5、有丰富的外设接口资源和足够高的运算速度，才可能实现各种功能模块并满足系统实时性要求。经过分析比较，采用了CYGNAL公司的51单片机C8051F作为控制器，该单片机具有以下特点：10位8通道逐次比较式ADC，数据转换速率可达lOOksps。TTAG调试和边界扫描接口，可实现在线实时动态调试。流水线指令结构，最高处理速度高达25MIPS；4K字节的片上RAM和64K字节的Flash程序存储器。P丽信号由PCA产生，PCA由一个专门的16位C/T和5个capture/compare模块构成。每个模块可独立设置为6种操作模式之一：边缘触发捕获、

6、软件定时器、高速输出、频率输出（方波输出）、8-bitPWM和16-bitPWM等。由以上特点可以看出，C8051F单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，这为实现复杂的控制算法提供了保障，而且几乎不需系统扩展即可满足控制系统对硬件资源的需求，极大提高了系统可靠性。2系统配置框（二）PWM控制电路控制系统中气阀，点火器，启动电机和油泵电机等器件需要PWM信号来控制其工作。这些大功率器件都不能直接由单片机输出信号直接控制。因此需要设计驱动电路以实现对这些器件的控制。根据各被驱动器件的工作特点，合理选择相应参数的MOS管，使MOS管可靠地控

7、制各器件。（三）尾喷管温度测量电路尾喷管温度最高可达1000°C，是发动机安全、可靠工作的重要指标。从测温范围、测量精度及成本等方面综合考虑，采用了镍铬-镍硅热电偶作为测温元件，镍铬-镍硅热电偶具有良好的线性度，能很好地满足发动机尾喷管测温需求。关于热电偶的冷端补偿问题，这里采用单片机片上温度传感器测得的温度作为冷端温度，根据中间温度定律，E（T，0）=E（T,TO）+E（TO,0）,其中E（TO,0）由所测的冷端温度TO根据热电势和温度的单值函数关系式求出，所以E（T，0）亦可求出，从而推算出热端温度。（四）转速及遥控指令测量电路发动机

8、工作一周，测量电路发出两个脉冲。由于发动机推力控制本质是对发动机转速的控制，所以转速的测量精度直接关系到控制性能的优劣。转速由单片机的16-bit定时器T4的捕获功能测得每个脉冲的周期而推算出