轉子發動機電控噴油系統設計

馬攀偉，賈強

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引言

轉子發動機具有體積小、重量輕、振動水平低、高速性能好等優點[1-3]，被廣泛應用于各種型號的無人機。目前國內無人機用轉子發動機采用化油器式燃油系統，但化油器系統存在燃油霧化品質差，噴油量與進氣量匹配不及時，空燃比難以精確控制等缺點[4-5]。研究表明，電控噴油系統可以克服化油器系統供油方式的缺點，在改善發動機性能，提高動力性和經濟性,以及降低污染等方面顯示了極大的優越性[6-9]，采用電控噴油系統可以進一步提高轉子發動機的性能。

本文中將某轉子發動機的化油器式燃油系統改造成電控噴油系統，并對電控噴油系統的軟硬件進行設計，經過半物理試驗驗證，該電控噴油系統能夠實現對傳感器信號的實時測量和計算，并能夠根據相應的控制策略輸出正確的控制信號。

圖1 電控噴油系統總體結構

1 電控噴油系統設計總體方案

電控噴油系統的設計包括硬件和軟件設計，電控噴油系統總體結構如圖1所示。系統通過傳感器實時采集轉子發動機的各種信號，主要包括溫度、節氣門位置及轉速等信號，電控單元對這些信號進行相應的處理，將處理后的數據按照設定的控制算法和控制邏輯進行運算，輸出正確的控制指令驅動執行機構工作[10-12]。在整體結構設計上，電控單元的體積要盡可能小，質量要輕。考慮到電控單元復雜的工作環境，電控單元還應具有良好的抗電磁干擾能力。電控單元應實現以下功能：

1)實時采集溫度傳感器、節氣門位置傳感器、進氣壓強傳感器等模擬信號。

2)實時采集轉子發動機轉速信號。

3)采用脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)驅動方式控制轉子發動機噴油器工作。

4)具有較好的抗干擾性能。

2 電控單元的硬件設計

根據電控單元的性能需求，將硬件電路分成微處理器模塊、電源模塊、信號處理模塊和噴油驅動模塊等部分分別進行設計[13]。

2.1 微處理器模塊

轉子發動機電控噴油系統具有控制參數多、算法復雜和實時控制等特點。微處理器作為電控單元的核心，需要存儲基本噴油量MAP圖，對傳感器信號進行采樣處理，根據輸入信號計算轉子發動機的噴油量并產生相應的控制指令。本文中選用TI公司新開發的MSP430F149單片機作為電控單元的微處理器，該單片機具有16位總線和FLASH，片上外圍模塊非常豐富，可在超低功耗模式下工作，可靠性好，運行不受強電干擾影響[14]，完全滿足轉子發動機電控噴油系統數據采集、處理和控制的要求。

2.2 電源模塊

轉子發動機電控噴油系統為裝機嵌入式系統，電控單元使用轉子發動機蓄電池提供的電源，由于傳感器的輸入電壓為+5 V，單片機的工作電壓為+3.3 V，所以電源設計需要對+12 V電壓蓄電池進行電壓轉換，為傳感器和單片機提供穩定電源。本設計中采用兩級電源轉換電路，首先采用LM7805芯片將電壓由+12 V轉換成+5 V，然后采用AMS1117-3.3芯片將+5 V轉換成+3.3 V。

圖2 節氣門位置信號調理電路

2.3 信號處理模塊

2.3.1 節氣門位置信號調理電路

節氣門位置傳感器是一個電位器，可將節氣門位置信號轉化成電信號，其輸入電壓為5 V，輸出電壓隨節氣門開度變化而變化，幅值變化范圍為0～5 V。節氣門位置信號調理電路如圖2所示，電路中加入了電壓跟隨器，可使采集電路的輸入阻抗無窮大，隔離了分壓電路對采集電路的影響。

2.3.2 溫度信號調理電路

圖3 溫度信號調理電路

在轉子發動機電控噴油系統中需要檢測的溫度有進氣溫度和缸體溫度。選用PT100鉑熱電阻傳感器作為溫度傳感器，其電阻跟溫度成正比，可以測量的溫度范圍為-50～600 ℃，具有線性度好、精度高和較強的抗干擾能力等優點。溫度信號調理電路如圖3所示，電路中R7、R8、R9和PT100構成了溫度測量電橋，利用TL431產生穩定的2.5 V電壓作為電橋的基準輸入電壓，從而保證電橋輸出電壓信號的穩定性。測量電橋輸出的電壓差分信號為mV級，需要經過放大電路放大后方可輸入到單片機。為了防止電路因單級放大倍數過高而產生非線性誤差，采用兩級放大電路，第1級放大倍數為15倍，第2級放大倍數為2倍。

2.3.3 轉速信號調理電路

圖4 轉速信號調理電路

轉速信號是轉子發動機電控燃油噴射系統中一個十分重要的輸入信號，是判斷發動機所處工況的重要參數。轉速信號調理電路如圖4所示，轉速信號由霍爾效應傳感器產生，是幅值為5 V的矩形脈沖信號，經過降壓后輸入到單片機進行處理。為避免轉速信號在傳輸過程中耦合外部干擾造成信號失真，電路中對轉速信號采取濾波和隔離處理：R19和C17構成的RC濾波電路可濾除轉速信號中的一些頻率較高、幅值很小的干擾信號；三極管和光電耦合器TLP521起到隔離干擾的作用。

圖5 噴油驅動電路

2.4 噴油驅動模塊

噴油器是轉子發動機電控燃油噴射系統中重要的執行器，其作用是按照發動機控制器計算出的噴油正時和噴油脈寬向進氣管內噴射燃油，噴油器實際上是一個電磁閥，控制器通過控制電磁閥線圈電流的通斷時間(接地線的通斷)來控制發動機的噴油脈寬，進而控制發動機的噴油量。選用的噴油器內阻為12 Ω，正常工作電壓為9～16.5 V，工作溫度范圍為-30～125 ℃，噴油器的驅動電路如圖5所示。

3 電控單元的軟件設計

電控單元的軟件部分采用程序模塊化的思想進行設計，程序模塊化就是將一個程序或程序系統按功能分解成若干彼此獨立的但又有一定聯系的組成部分，每個部分稱為模塊。模塊之間相對獨立，方便進行檢驗、修改、調試和維護，大大提高程序設計效率。本文中根據轉子發動機電控燃油噴射系統的設計要求，將復雜的電控單元軟件系統分成5個模塊：系統初始化模塊、模擬量采集模塊、曲軸參考點檢測模塊、轉速計算模塊和基本噴油脈寬模塊。

圖6 軟件設計的主程序流程圖

系統初始化模塊主要是對電控單元控制系統的各個模塊進行初始化，為控制系統的正常運行做好準備工作；模擬量采集模塊主要完成對各個傳感器模擬信號的采集處理；曲軸參考點檢測模塊的主要任務是確定參考點位置，用于確定曲軸位置和計算轉速；轉速計算模塊是利用2次檢測到曲軸參考點之間的時間間隔計算出平均轉速；基本噴油脈寬模塊是將轉子發動機基本噴油脈寬MAP圖以二維數組的形式存儲于單片機RAM內，確定轉子發動機節氣門開度和轉速后，通過二維線性插值法查表確定基本噴油脈寬。

軟件設計的主程序流程圖如圖6所示。

4 基本噴油量MAP圖的制取

圖7 轉子發動機基本噴油量

基本噴油量MAP圖是開發電控噴油系統，保證發動機正常運行的基本依據，同時也是進行發動機優化標定試驗、確定最佳噴油策略的基礎。傳統發動機的基本噴油量MAP圖需通過大量的臺架試驗標定來獲得[15]，不僅耗時耗力，也極大地增加了電控噴油系統的研發周期。文獻[16]通過建立轉子發動機數學模型，通過仿真計算得到轉子發動機的基本噴油量MAP圖(如圖7所示)，并通過臺架試驗初步驗證仿真結果的準確性與可靠性。該方法大大縮減基本噴油量MAP圖的制取周期，降低研發成本。

5 電控噴油系統半物理試驗調試

圖8 電控單元硬件實物

設計的電控單元硬件實物如圖8所示。電控單元的軟硬件設計完成后，在進行臺架試驗之前需要進行半物理試驗調試，對電控單元進行相關的功能檢測，以提高臺架試驗的效率和安全性。

用信號發生器產生方波脈沖信號來模擬轉速6000 r/min時的曲軸傳感器信號，調整模擬節氣門開度信號的電位計的電壓，使節氣門開度為50°，將其他傳感器信號設置在標準狀態下。將信號輸入到電控單元中，電控單元對這些信號數據進行處理，判斷出發動機所處工況，然后按照設定的算法和控制邏輯運算出噴油脈寬。顯示屏上顯示的轉子發動機節氣門開度為50°，轉速為5979 r/min，說明電控單元能夠正確判斷出其所處穩定工況點。電控單元計算出的噴油脈寬為652 μs，與通過基本噴油量MAP圖計算的650 μs非常接近，說明電控單元能夠準確計算出轉子發動機在該穩定工況點的噴油脈寬。

圖9 噴油控制信號示波器檢測結果

電控單元計算出正確的噴油脈寬后，需要用示波器來檢測其輸出的噴油控制信號的脈沖寬度和顯示值是否一致。

圖9所示為示波器檢測結果。從圖9中可以看出，實際噴油脈寬為640 μs，和計算噴油脈寬基本一致，說明電控單元能夠輸出該工況點的正確噴油脈寬控制信號。

通過上述噴油脈寬的調試方法進行多組穩定工況噴油脈寬的調試，調試結果與計算結果的對比情況如表1所示。

表1 噴油脈寬對比

由表1可以看出，電控單元輸出的各穩定工況點的噴油脈寬與計算得到的噴油脈寬數值很接近，誤差控制在2%之內，說明電控單元能夠準確輸出穩定工況的噴油脈寬信號。

6 結論

對某型轉子發動機的電控噴油系統進行開發研究，分別對電控單元的軟硬件進行設計，對設計完成的電控單元進行半物理試驗調試，調試結果表明該電控噴油系統能夠測量轉子發動機各傳感器的輸入信號，并輸出相應的噴油脈寬驅動信號，滿足轉子發動機電控燃油噴射的基本要求。