微型渦噴發動機電子系統設計

沈陽建筑大學 黃利兵

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微型渦噴發動機電子系統設計

沈陽建筑大學 黃利兵

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

【關鍵詞】微型渦噴發動機；數據采集；啟動過程；故障處理

引言

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

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

1.微型渦噴發動機電子系統方案設計

微型渦噴發動機具有獨特的設計結構，在控制方法和性能特性上都有別于大型的航空發動機。首先，微型渦噴發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子帶到一定的轉速，且微型渦噴發動機起動過程相當復雜，需要五個執行機構的協同工作。其次，微型渦噴發動機對供油量的變化十分敏感，因此發動機在運行的時候非常容易受到干擾，控制起來不易穩定；另外，微型渦噴發動機的控制主要是通過判斷轉速的大小來調節供油量。為了穩定的控制渦噴發動機，設計了一套發動機電子系統，渦噴發動機電子系統可分為三部分：控制系統、采集卡和驅動卡。其中控制系統選擇了STM32F407作為控制器；采集卡主要是采集轉速和溫度的信息；驅動卡主要是對起動電機、點火器、油泵及油閥進行驅動。根據上述特點，微型渦噴發動機電子控制器需要實現以下功能：

1）實時監測發動機工作狀態，采集發動機轉速、尾氣溫度、遙控器輸入、環境溫度、執行機構的電壓。

2）采用PWM方式驅動油泵和起動電機，采用I/O口方式驅動點火器及油閥。

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

4）一定的容錯能力，在發動機發生故障時能及時停止并熄火。

5）體積小，集成度高及穩定性好。

6）要有良好的電磁兼容性。

2.微型渦噴發動機電子系統功能設計

整個渦噴發動機電子系統由三部分組成，其中采集卡是安裝在渦噴發動機的內部，采用的是霍爾傳感器測轉速，尾氣溫度則是在噴氣口，其溫度能夠達到800度；驅動卡是對起動電機、點火器、油泵和油閥進行驅動，其中起動電機和點火器電流能夠達到40A，所以將驅動卡單獨設計，避免影響控制卡?，F將三部分的主要模塊進行介紹：

1）電源模塊

電源是電子設備中必不可少的一部分，它為設備提供了能量。本系統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、點火器和油泵的驅動模塊的電壓是寬壓輸入，所以采用電池直接接入驅動模塊。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換。綜合考慮，電源模塊采用穩壓芯片MP2359將電池電壓穩定在5V，采用LM1117電源芯片來進行5V到3.3V的轉換。

2）STM32主控模塊

控制器的核心采用STM32F407芯片［4］。它內部集成了豐富的片內外設，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）轉速采集模塊

渦噴發動機的輸出是推力，但是直接測量推力比較困難，而其推力和轉速成正比，所以發動機的轉速是一個重要的采集量。某型發動機在起動電機軸上有一個磁鐵，每轉一圈有一個脈沖，所以采用霍爾傳感器檢測轉速。

4）溫度采集模塊

渦噴發動機在運行時如果給油量過多會產生較高的溫度，而如果溫度過高會損壞發動機的機械結構，嚴重時會發生不可預計的后果，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，所以采用熱電偶對尾氣溫度進行檢測。

5）SD卡模塊

渦噴發動機故障診斷和監控是高質量維護發動機的保障，是通過檢測發動機的轉速、尾氣溫度等重要參數，提取有關的信息實現對發動機的狀態識別。因此，發動機運行過程中要實時記錄下運行參數?？刂葡到y選用了SD卡作為存儲設備，SD卡被廣泛應用于便捷式裝置上，它擁有高記憶容量、快速的數據傳輸率、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［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行機構兩端的電壓。由于ADC模塊采集的電壓是3.3V以內的電壓，而點火器等執行機構的電壓都在5V及以上，所以有必要對執行機構的電壓進行分壓。

7）無線收發模塊

在地面試車實驗時，發動機高速旋轉產生的噪音很大，已及周邊危險系數高，所以人和PC監控端最好是遠離實驗臺。系統中采用NRF24L01作為無線通信模塊，通過SPI實現數據的收發，最高速度可達10Mb/s，而且擁有自動應答和自動發射功能。

8）驅動模塊

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動模塊，并且選擇60A電流級別的驅動模塊。而油閥屬于小電流模塊，利用三極管搭建一個驅動電路。

9）遙控器模塊

微型渦噴發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動機進行操縱。自行設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.結束語

本文通過在現有微型渦噴發動機機械基礎上，對其電子系統進行設計，由于實驗危險系數高，所以將整個系統分成三個部分，采集卡、驅動卡和控制卡。在各個模塊測試通過之后對發動機進行地面試車實驗。隨著系統的正常運行 ，該系統能夠滿足發動機的安全運行。

參考文獻

［1］謝偉.微型渦噴發動機電子控制器設計技術研究［D］.南京航空航天大學，2013.

［2］徐建國，張天宏.微型渦輪發動機燃油閉環控制起動方法［J］.航空動力學報，2012，03：701-706.

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

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

［5］顧春洋，李鑫，張強.基于SD卡的FAT32文件系統的設計與實現［J］.產業與科技論壇，2013，02：96-98.

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