微型涡喷发动机电子系统设计

沈阳建筑大学 黄利兵



微型涡喷发动机电子系统设计

沈阳建筑大学 黄利兵

【摘要】微型涡喷发动机电子系统的设计对于发动机的启动和运行有着重要意义。本文在某微型涡喷发动机的基础上，设计了一套完整的电子系统，对发动机转速及温度进行采集和存储，根据输入量对发动机进行控制，并且在发动机故障时做出相应的处理。

【关键词】微型涡喷发动机；数据采集；启动过程；故障处理

引言

微型涡喷发动机是一个基于现代先进加工技术的一个新兴的研究领域。它是一种特殊的航空发动机，具有体积小、重量轻、推重比大等特点，在军用和民用领域具有广阔的应用前景［1］。在控制器研究方面，为了适应航空发动机的发展，控制系统经历了从机械液压式、机械液压加模拟电子混合式、模拟电子式、机械液压加数字电子监控式、到全权限电子式控制的发展历程［2-3］。

本文在某型发动机的机械基础上搭建了一套完整的电子系统。该系统对发动机的转速和尾气温度进行采集、存储，然后对起动电机、油阀、油泵及点火器等执行机构搭建了驱动电路，系统输入采用的是天地飞九发射机和其接收机，通过一个PWM采集信号来获取发射机信号，显示则是通过串口传给PC上位机，用于监视发动机的运行情况，使得发动机安全可靠的起动及运行。

1.微型涡喷发动机电子系统方案设计

微型涡喷发动机具有独特的设计结构，在控制方法和性能特性上都有别于大型的航空发动机。首先，微型涡喷发动机没有专门的点火装置，所以启动时必须先用起动电机将转子带到一定的转速，且微型涡喷发动机起动过程相当复杂，需要五个执行机构的协同工作。其次，微型涡喷发动机对供油量的变化十分敏感，因此发动机在运行的时候非常容易受到干扰，控制起来不易稳定；另外，微型涡喷发动机的控制主要是通过判断转速的大小来调节供油量。为了稳定的控制涡喷发动机，设计了一套发动机电子系统，涡喷发动机电子系统可分为三部分：控制系统、采集卡和驱动卡。其中控制系统选择了STM32F407作为控制器；采集卡主要是采集转速和温度的信息；驱动卡主要是对起动电机、点火器、油泵及油阀进行驱动。根据上述特点，微型涡喷发动机电子控制器需要实现以下功能：

1）实时监测发动机工作状态，采集发动机转速、尾气温度、遥控器输入、环境温度、执行机构的电压。

2）采用PWM方式驱动油泵和起动电机，采用I/O口方式驱动点火器及油阀。

3）和上位机通信，采用串口方式接收上位机指令并将状态信息发送给上位机、能够存储发动机实验参数。

4）一定的容错能力，在发动机发生故障时能及时停止并熄火。

5）体积小，集成度高及稳定性好。

6）要有良好的电磁兼容性。

2.微型涡喷发动机电子系统功能设计

整个涡喷发动机电子系统由三部分组成，其中采集卡是安装在涡喷发动机的内部，采用的是霍尔传感器测转速，尾气温度则是在喷气口，其温度能够达到800度；驱动卡是对起动电机、点火器、油泵和油阀进行驱动，其中起动电机和点火器电流能够达到40A，所以将驱动卡单独设计，避免影响控制卡。现将三部分的主要模块进行介绍：

1）电源模块

电源是电子设备中必不可少的一部分，它为设备提供了能量。本系统中采用外接电池供电，电池采用的是3s电池，能够提供9.9V电压。起动电机、点火器和油泵的驱动模块的电压是宽压输入，所以采用电池直接接入驱动模块。在控制模块中，一些传感器需要使用5V供电，而控制器的工作电压是3.3V，因此电源模块需要对电池电压进行转换。综合考虑，电源模块采用稳压芯片MP2359将电池电压稳定在5V，采用LM1117电源芯片来进行5V到3.3V的转换。

2）STM32主控模块

控制器的核心采用STM32F407芯片［4］。它内部集成了丰富的片内外设，包括定时器、SPI接口、IIC接口、USART串口、USB接口、CAN接口，16通道的ADC。

3）转速采集模块

涡喷发动机的输出是推力，但是直接测量推力比较困难，而其推力和转速成正比，所以发动机的转速是一个重要的采集量。某型发动机在起动电机轴上有一个磁铁，每转一圈有一个脉冲，所以采用霍尔传感器检测转速。

4）温度采集模块

涡喷发动机在运行时如果给油量过多会产生较高的温度，而如果温度过高会损坏发动机的机械结构，严重时会发生不可预计的后果，所以对尾气温度的检测必不可少。由于温度变化范围在20度到800度范围内，所以采用热电偶对尾气温度进行检测。

5）SD卡模块

涡喷发动机故障诊断和监控是高质量维护发动机的保障，是通过检测发动机的转速、尾气温度等重要参数，提取有关的信息实现对发动机的状态识别。因此，发动机运行过程中要实时记录下运行参数。控制系统选用了SD卡作为存储设备，SD卡被广泛应用于便捷式装置上，它拥有高记忆容量、快速的数据传输率、极大的移动灵活性和高的安全性［5］。

6）AD模块

模拟信号的采集是通过控制器的核心处理器自带的ADC模块来实现［6］。模拟信号的采集主要是电压信号的采集，包括点火器、油泵、起动电机和油阀等执行机构两端的电压。由于ADC模块采集的电压是3.3V以内的电压，而点火器等执行机构的电压都在5V及以上，所以有必要对执行机构的电压进行分压。

7）无线收发模块

在地面试车实验时，发动机高速旋转产生的噪音很大，已及周边危险系数高，所以人和PC监控端最好是远离实验台。系统中采用NRF24L01作为无线通信模块，通过SPI实现数据的收发，最高速度可达10Mb/s，而且拥有自动应答和自动发射功能。

8）驱动模块

对于点火器、起动电机和油泵都是大电流模块，所以采用工程上常用的电机驱动模块，并且选择60A电流级别的驱动模块。而油阀属于小电流模块，利用三极管搭建一个驱动电路。

9）遥控器模块

微型涡喷发动机一般都配有一个遥控器，因为在进行外场飞行试验时，需要一个手动的操作装置对发动机进行操纵。自行设计一个遥控器需要花费一定的时间，而且其传输距离都只有一部分，所以采用航模常用的天地飞九作为遥控器。现在需要做的只是一个PWM采集将遥控器信号采集进来即可。

3.结束语

本文通过在现有微型涡喷发动机机械基础上，对其电子系统进行设计，由于实验危险系数高，所以将整个系统分成三个部分，采集卡、驱动卡和控制卡。在各个模块测试通过之后对发动机进行地面试车实验。随着系统的正常运行 ，该系统能够满足发动机的安全运行。

参考文献

［1］谢伟.微型涡喷发动机电子控制器设计技术研究［D］.南京航空航天大学，2013.

［2］徐建国，张天宏.微型涡轮发动机燃油闭环控制起动方法［J］.航空动力学报，2012，03：701-706.

［3］余红旭，黄金泉.航空发动机分布式控制系统延时分析［J］.测控技术，2008，06：50-51+54.

［4］勾慧兰，刘光超.基于STM32的最小系统及串口通信的实现［J］.工业控制计算机，2012，09：26-28.

［5］顾春洋，李鑫，张强.基于SD卡的FAT32文件系统的设计与实现［J］.产业与科技论坛，2013，02：96-98.

［6］董宝玉，薛严冰，马驰，盛虎.基于AD9854与STM32的频率特性测试仪设计［J］.化工自动化及仪表，2014，06：655-659.