實驗用脈沖爆震發(fā)動機控制系統(tǒng)設計

陳 潔，王 棟，馬 虎，于棟梁

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

作為一種新概念發(fā)動機-脈沖爆震發(fā)動機（Pulse Detonation Engine，簡稱PDE）。脈沖爆震發(fā)動機有著熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、推重比高（大于20）、比沖大（大于2 100 s）、耗油率低（低于 1 kg/（daN·h））、工作范圍寬（Ma=0～10）、工作可靠、噪聲較小、成本低和能分別以吸氣式和火箭式兩種模態(tài)工作等眾多優(yōu)點[1-2]。由于脈沖爆震發(fā)動機上述的獨特性能，因此其具有廣闊的應用前景。脈沖爆震發(fā)動機的潛在應用包括民用、軍用和空間技術(shù)。脈沖爆震發(fā)動機控制技術(shù)是發(fā)動機的一項關(guān)鍵技術(shù)。脈沖爆震發(fā)動機工作性能的好壞，在很大程度上決定于它的控制系統(tǒng)的品質(zhì)。所以，研究一套完整、可靠地實驗型脈沖爆震發(fā)動機控制系統(tǒng)有著十分重要的意義。

1 總體系統(tǒng)設計

實驗用脈沖爆震發(fā)動機系統(tǒng)[3]如圖1所示。根據(jù)發(fā)動機實驗要求，本系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、人機交互模塊、脈沖輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、軟件設計等組成。該系統(tǒng)以單片機為核心控制部件，鍵盤和液晶顯示屏為人機交互部件，其中通過鍵盤實現(xiàn)參數(shù)設置，并由液晶顯示器顯示。在發(fā)動機工作過程中，通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集，然后由液晶屏顯示出發(fā)動機工作狀態(tài)。

2 硬件系統(tǒng)設計

圖2給出了系統(tǒng)的硬件框架圖。

圖1 脈沖爆震發(fā)動機實驗圖Fig.1 PDE experiment diagram

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖Fig.2 Hardware system diagram

2.1 控制器模塊設計

單片機控制器主要用于產(chǎn)生發(fā)動機供氣、供油和點火的脈沖信號，由傳感器對發(fā)動機工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，然后通過簡單算法，在液晶顯示屏上顯示發(fā)動機壓強等工作狀態(tài)參數(shù)。對控制器的選擇采用Atmega16作為系統(tǒng)的控制法案。Atmega16運行速度快，接口方便，運算功能強、編程靈活，可靠性高。相對于FPGA而言，芯片的引腳少，硬件容易實現(xiàn)。同時有著技術(shù)成熟，體積小和成本低等優(yōu)點[4]。

2.2 脈沖輸出模塊

對于發(fā)動機的控制，主要包括點火系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)的控制。在試驗系統(tǒng)中，點火控制主要控制點火器通斷時間和頻率的控制，實現(xiàn)點火系統(tǒng)能正常的工作和實現(xiàn)點火頻率的可調(diào)。供油系統(tǒng)主要是對供油系統(tǒng)中的航空電磁閥給予不同的脈沖信號，可以對實現(xiàn)電磁閥的通斷的控制，從而實現(xiàn)發(fā)動機供油系統(tǒng)的通斷。供氣系統(tǒng)主要是對電磁閥給予不同頻率的脈沖信號，對電磁閥的通斷實現(xiàn)控制，從而可以控制供氣的通斷[5-6]。

2.3 鍵盤電路

鍵盤電路主要是為了對發(fā)動機工作過程中的各種數(shù)據(jù)的設置。鍵盤電路采用獨立式按鍵，其鍵盤相對獨立，每個按鍵占用一個I/O端口，所以每個按鍵的共做狀態(tài)不會影響其他按鍵工作狀態(tài)。系統(tǒng)中I/O口默認為輸入高電平，當有按鍵按下時，I/O口的電平會被接地線拉低，如果處理器允許中斷產(chǎn)生，則會產(chǎn)生相應的數(shù)據(jù)操作，否則，相應其他操作。

2.4 顯示電路

顯示電路用于人機接口中進行信息反饋，主要由液晶模塊構(gòu)成。硬件設計中選用控制器為ST7920的12 864全點陣液晶顯示器，可以對漢字和字符進行顯示。系統(tǒng)中采用并行顯示的方法控制液晶顯示屏顯示。該顯示器功耗低，驅(qū)動方法和硬件電路連接比較簡單，顯示屏幕滿足實驗顯示要求。通過編程，可以實現(xiàn)液晶屏上顯示數(shù)據(jù)中文字符和數(shù)據(jù)[7-8]。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

發(fā)動機工作過程中的壓力是由壓力傳感器進行數(shù)據(jù)采集，然后通過電荷放大器，輸出壓力對應的相對電壓。電壓通過AD轉(zhuǎn)換，在單片機輸入端口給出相應的數(shù)據(jù)信號，單片機通過相應端口輸入的數(shù)據(jù)信號，通過一定的算法，得出所采集的壓力值，然后顯示在液晶屏上。

3 系統(tǒng)軟件設計

在本系統(tǒng)中，軟件起著至關(guān)重要的作用。軟件采用模塊化設計的方法，這樣不僅可易于編程和調(diào)試，同時可以減少軟件的故障率，提高軟件的可靠性和可移植性。本系統(tǒng)采用C語言來實現(xiàn)程序的編制。程序中包括數(shù)據(jù)設置、液晶顯示、脈沖輸出和數(shù)據(jù)采集幾個部分。

主程序流程如圖3所示。

系統(tǒng)軟件首先對MCU所有端口進行初始化，然后調(diào)用液晶顯示子程序。液晶顯示子程序首先顯示初始化數(shù)據(jù)，然后調(diào)用鍵盤設置子程序。由鍵盤的按鍵進行發(fā)動機點火系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)脈沖數(shù)據(jù)的設置，然后把這些數(shù)據(jù)設置顯示在液晶屏上。等待設置完成以后進行脈沖輸出，發(fā)動機開始點火并正常工作。在發(fā)動機工作以后，調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，對發(fā)動機的工作過程進行相應壓力和溫度的采集，把發(fā)動機的工作過程的數(shù)據(jù)實時的顯示在液晶屏上。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Process flow diagram of main program

鍵盤設置模塊如4所示。其中由于按鍵為機械式按鍵所以加入軟件延時，確保系統(tǒng)的可靠性。鑒于篇幅所限，在此其他模塊和源程序不再一一介紹。

圖4 按鍵模塊流程圖Fig.4 Process flow diagram of key module

4 實驗結(jié)果和分析

在本系統(tǒng)中，最主要的也是核心部分就是脈沖爆震發(fā)動機的脈沖輸出部分，通過控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)設置，采用示波器進行脈沖輸出的測量。

從實驗結(jié)果來看，脈沖輸出的誤差在允許的范圍之內(nèi)，此系統(tǒng)的軟件和硬件設計設計是可行的。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用高性能的Atmega16單片機為控制核心。通過單片機的工作，可以實現(xiàn)實驗用脈沖爆震發(fā)動機供油、點火和供氣之間精確的時序控制工作。通過數(shù)據(jù)采集，可以實現(xiàn)實時顯示發(fā)動機的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)與原有的需要上位機進行數(shù)據(jù)設置和顯示的系統(tǒng)相比，硬件結(jié)構(gòu)簡單。經(jīng)過反復測試，發(fā)動機可以正常工作。并且，系統(tǒng)實時可靠性高，能夠滿足現(xiàn)有發(fā)動機實驗要求，同時預留接口，為以后控制系統(tǒng)的完善和擴展提供基礎。

[1]McManus K，F(xiàn)urlong E，Leyva I.MEMS-Based Pulse Detonation Engine for small-scale Propulsion Applications[R].AIAA-2001-3469 2001.

[2]嚴傳俊，范瑋.脈沖爆震發(fā)動機原理及關(guān)鍵技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，2005.

[3]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐[M].北京:北京航空航天出版社，2007.

[4]裴晨曦.脈沖爆震發(fā)動機供油系統(tǒng)設計研究 [D].南京:南京理工大學，2011.

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[6]鮑文.沖壓發(fā)動機控制系統(tǒng)設計[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2005.

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