基于RTOS的涡喷发动机数字控制系统

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1、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）摘要：本文介绍了一种应用于无人机的微型涡轮喷气式发动机数字控制系统的设计与实现。该系统基于C8051F021单片机和MicroStar嵌入式实时操作系统，实现了小型涡喷发动机自动点火、启动、推力控制与稳定、超温超速保护、系统自检、冷却等功能。具有体积小、重量轻、功能全的特点。关键字：C8051F021、MicroStarRTOS、涡喷发动机、PIDAdigitalcontrollerw

2、ithRTOSforturbinejetengineAuthor:ABSTRACT：ThisthesisintroducesanECU(EngineControlUnit)formicroturbinejet.BasedonC8051F021MCUandembeddedMicroStarRTOS,thisECUhasthecapabilitytoignite,startup,stabilizerotatespeed/thrust,protectenginefromover-temperatureandovers

3、peed,checkitselfandsoon.Thecontrollerhasthevirtuesofsmallsize,lightweight,function.keywords：C8051F021、MicroStarRTOS、turbinejetengine、PID1 引言与活塞发动机相比，涡轮喷气发动机（以下简称涡喷发动机）在推重比方面的优势无可争议。如果将之微型化，它将使小型无人飞行器能获取较高的速度和载荷能力。因此，研制微型涡喷发动机，在军用和民用领域都有深远的意义。目前，美、德、丹麦等国家都有相当

4、成熟的微型涡喷发动机产品，成功的应用到航模和无人机上。但在国内，无论是发动机本身还是控制系统，都是较新领域。［1］针对国产某系统发动机，我们设计了基于C8051F021和MicroStarRTOS的微型涡喷发动机的通用控制系统。它以处理器为核心，集传感器、伺服机构、人机接口为一体，体积小，重量轻，提供了与主控系统的指令接口和与地面测试设备的检测接口，功能完善。微型涡喷发动机计算机控制系统的整体结构如图1所示。遥控接收机控制器温度、转速转感器油泵油阀气阀启动机点火器发动机手持终端、PC机图1控制系统结构框图控制器

5、接收遥控接收机（或主控计算机）发出的PCM(PulseCodingModulation，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(EngineControlUnit,Version1.0)。2硬件设计C8051F021单片机

6、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：1.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。2.具有12位8通道逐次比较式ADC,数据转换速率可达100ksps。3.4K字节的片上RAM和64K字节的Flash程序存储器。对本应用而言，无需扩展存储器。4.可提供5路可编程PWM控制信号。5.丰富的定时器资源，具有5个硬件定时器。6.提供I2C总线控制模块和2个UART口。7.片内FLASH支持IAP（在应用可编程）。因此，不常修改的数据如配置

7、参数、查询表等可直接存放于片上的FLASH内，而不需外扩非易失性存储体。C8051F021单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，对本控制系统，几乎不需扩展即可满足控制系统对硬件资源的需求并有较大裕量。图2给出硬件结构图。C8051021比较器ADUART捕捉定时器PWMFLASH温度测量模块转速测理模块驱动模块I2C手持终端PC遥控接收机图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

8、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