實驗用脈沖爆震發動機控制系統設計

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）

作為一種新概念發動機-脈沖爆震發動機（Pulse Detonation Engine，簡稱PDE）。脈沖爆震發動機有著熱循環效率高、結構簡單、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工作等眾多優點[1-2]。由于脈沖爆震發動機上述的獨特性能，因此其具有廣闊的應用前景。脈沖爆震發動機的潛在應用包括民用、軍用和空間技術。脈沖爆震發動機控制技術是發動機的一項關鍵技術。脈沖爆震發動機工作性能的好壞，在很大程度上決定于它的控制系統的品質。所以，研究一套完整、可靠地實驗型脈沖爆震發動機控制系統有著十分重要的意義。

1 總體系統設計

實驗用脈沖爆震發動機系統[3]如圖1所示。根據發動機實驗要求，本系統由單片機最小系統、人機交互模塊、脈沖輸出模塊、數據采集模塊、軟件設計等組成。該系統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，其中通過鍵盤實現參數設置，并由液晶顯示器顯示。在發動機工作過程中，通過傳感器進行數據采集，然后由液晶屏顯示出發動機工作狀態。

2 硬件系統設計

圖2給出了系統的硬件框架圖。

圖1 脈沖爆震發動機實驗圖Fig.1 PDE experiment diagram

圖2 系統硬件框架圖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生發動機供氣、供油和點火的脈沖信號，由傳感器對發動機工作狀態進行數據采集，然后通過簡單算法，在液晶顯示屏上顯示發動機壓強等工作狀態參數。對控制器的選擇采用Atmega16作為系統的控制法案。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。同時有著技術成熟，體積小和成本低等優點[4]。

2.2 脈沖輸出模塊

對于發動機的控制，主要包括點火系統、供油系統和供氣系統的控制。在試驗系統中，點火控制主要控制點火器通斷時間和頻率的控制，實現點火系統能正常的工作和實現點火頻率的可調。供油系統主要是對供油系統中的航空電磁閥給予不同的脈沖信號，可以對實現電磁閥的通斷的控制，從而實現發動機供油系統的通斷。供氣系統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動機工作過程中的各種數據的設置。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不會影響其他按鍵工作狀態。系統中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生，則會產生相應的數據操作，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，可以實現液晶屏上顯示數據中文字符和數據[7-8]。

2.5 數據采集模塊

發動機工作過程中的壓力是由壓力傳感器進行數據采集，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轉換，在單片機輸入端口給出相應的數據信號，單片機通過相應端口輸入的數據信號，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 系統軟件設計

在本系統中，軟件起著至關重要的作用。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。本系統采用C語言來實現程序的編制。程序中包括數據設置、液晶顯示、脈沖輸出和數據采集幾個部分。

主程序流程如圖3所示。

系統軟件首先對MCU所有端口進行初始化，然后調用液晶顯示子程序。液晶顯示子程序首先顯示初始化數據，然后調用鍵盤設置子程序。由鍵盤的按鍵進行發動機點火系統、供油系統和供氣系統脈沖數據的設置，然后把這些數據設置顯示在液晶屏上。等待設置完成以后進行脈沖輸出，發動機開始點火并正常工作。在發動機工作以后，調用數據采集子程序，對發動機的工作過程進行相應壓力和溫度的采集，把發動機的工作過程的數據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 實驗結果和分析

在本系統中，最主要的也是核心部分就是脈沖爆震發動機的脈沖輸出部分，通過控制系統的數據設置，采用示波器進行脈沖輸出的測量。

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

5 結 論

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

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

[2]嚴傳俊，范瑋.脈沖爆震發動機原理及關鍵技術[M].西安:西北工業大學出版社，2005.

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

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

[5]張如飛.基于模糊控制的航空發動機控制方法研究[D].西安:西北工業大學，2006.

[6]鮑文.沖壓發動機控制系統設計[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2005.

[7]王靜霞，楊宏麗，劉俐，等.單片機應用技術（C語言版）[M].北京:電子工業出版社，2009.

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