基于RTOS的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

摘要：介紹了一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)基于C8051F021單片機(jī)和MicroStar嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)點(diǎn)火、啟動(dòng)、推力控制與穩(wěn)定、超溫超速保護(hù)、系統(tǒng)自檢、冷卻等功能。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功能全的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：C8051F021 MicroStar RTOS 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī) PID 與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱渦噴發(fā)動(dòng)機(jī))在推重比方面的優(yōu)勢(shì)無(wú)可爭(zhēng)議。如果將之微型化，將使小型無(wú)人飛行器獲取較高的速度和載荷能力。因此，研制微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域都有深遠(yuǎn)的意義。目前，美、德、丹麥等國(guó)家都有相當(dāng)成熟的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，已成功應(yīng)用到航模和無(wú)人機(jī)上。但在國(guó)內(nèi)，無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)本身還是其控制系統(tǒng)，都屬于較新領(lǐng)域。

本文針結(jié)國(guó)產(chǎn)某系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了基于C8051F021和MicroStar RTOS的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通用控制系統(tǒng)。它以處理器為核心，集傳感器、伺服機(jī)構(gòu)、人機(jī)接口為一體、體積小、重量，提供了與主控系統(tǒng)的指令接口和與地面測(cè)試設(shè)備的檢測(cè)接口，功能完善。 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 控制器接收遙控接收機(jī)(或主控計(jì)算機(jī))發(fā)出的PCM(Pulse Coding Modulation，脈沖編碼調(diào)制)形式的推力和起停指令，驅(qū)動(dòng)油泵、油閥、點(diǎn)火器等伺服機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和轉(zhuǎn)速，完成自動(dòng)點(diǎn)火、加速、減速、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、超溫超速保護(hù)等控制功能，并將狀態(tài)參數(shù)通過(guò)RS232總線實(shí)時(shí)發(fā)送到PC機(jī)。通過(guò)手持終端，可修改系統(tǒng)參數(shù)。

為了便于系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)性能，還開(kāi)發(fā)了運(yùn)行于Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件ECU1.0(Engine Control Unit,Version1.0)。 1 硬件設(shè)計(jì) C8051F021單片機(jī)是美國(guó)Cygnal公司推出的一款高性能8位SOC單片機(jī)。主要有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)采用了流水線技術(shù)，峰值處理速度可達(dá)25MIPS,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它51單片機(jī)。 (2)具有12位8通道逐次比較式ADC，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100ksps。 (3)具有4K字節(jié)的片上RAM和64K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器。在本應(yīng)用系統(tǒng)中，無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器。 圖3 (4)可提供五路可編程的PWM控制信號(hào)。 (5)豐富的定時(shí)器資源，具有五個(gè)硬件定時(shí)器。 (6)提供I2C總線控制模塊和兩個(gè)UART口。 (7)片內(nèi)FLASH支持IAP(在應(yīng)用可編程)。因此，不常修改的數(shù)據(jù)如配置參數(shù)、查詢表等可直接存放于片內(nèi)的FLASH內(nèi)，而不需外擴(kuò)非易性存儲(chǔ)體。 C8051F021單片機(jī)具有豐富的片上硬件資源及高運(yùn)算速度，對(duì)本控制系統(tǒng)，幾乎不需擴(kuò)展即可滿足控制系統(tǒng)對(duì)硬件資源的需求并有較大裕量。圖2為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速采用紅外對(duì)管來(lái)測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)軸上鉆有一通孔，安裝時(shí)使發(fā)送-接收管的連線通過(guò)該孔。發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周，紅外接收管會(huì)導(dǎo)通兩次。由于通、斷狀態(tài)是漸變的，再加上普通紅外管開(kāi)關(guān)速度較低，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)(可達(dá)120000RPM)時(shí)，接收管輸出的脈沖信號(hào)幅值很小，而且上升沿/下降沿較為平緩，單片機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，必須加以整形。整形電路如圖3所示。 信號(hào)通過(guò)電容C6耦合至運(yùn)放AR1的同相輸入端，(以2.5V為參考點(diǎn))進(jìn)行高倍數(shù)放大，以保證即使在高轉(zhuǎn)速下，脈沖的峰-峰幅值也接近5V供電電壓。運(yùn)放AR3用于實(shí)現(xiàn)回滯比較器，提高抗干擾能力，其輸出信號(hào)至單片機(jī)T4EX腳。利用定時(shí)器4的邊沿捕捉功能可方便地測(cè)出相鄰脈沖間的時(shí)間間隔，從而換算出速度。

1.2 溫度測(cè)量模塊 發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)的溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠工作的重要指標(biāo)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)較小，考慮到裝配的方便，以尾噴管的溫度表征發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度。 試驗(yàn)表明，尾噴管的溫度最高可達(dá)900℃。出于測(cè)溫范圍、成本等方面的考慮，選用鎳鉻-鎳硅(Ni,Cr,Si)熱電偶作為測(cè)溫元件。鎳鉻-鎳硅熱電偶具有良好的線性度，測(cè)溫范圍為0～1000℃。由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)溫度測(cè)量精度的要求并不苛刻，采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 1.3 PWM驅(qū)動(dòng)模塊 系統(tǒng)中氣閥和點(diǎn)火器、啟動(dòng)電機(jī)和油泵電機(jī)等伺服機(jī)構(gòu)采用PWM方式控制。啟動(dòng)電機(jī)、齒輪泵的工作電流較大，可達(dá)14A.宜選用過(guò)流大且導(dǎo)通電阻小的MOS 管或壓降小的肖特基二極管。本系統(tǒng)選用過(guò)流為120A、導(dǎo)通電阻7.5mΩ的MOS管。但試驗(yàn)表明，MOS管工作溫度仍然較高，故采用兩片并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式。一路PWM控制單元的原理圖如圖4所示。 電阻R6的主要作用是當(dāng)無(wú)控制輸入信號(hào)時(shí)(如線路故障、單片機(jī)復(fù)位過(guò)程中)，MOS管保持關(guān)閉，伺服機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。MOS管開(kāi)通時(shí)，通過(guò)Q4對(duì)MOS管輸入電容快速充電;關(guān)斷時(shí)，MOS管的輸入電容通過(guò)D3和Q3快速放電。采用上述具有較高開(kāi)關(guān)速度的電路，可有效減少M(fèi)OS管的發(fā)熱量。 1.4 系統(tǒng)通訊總線 I2C總線成本低廉，連線簡(jiǎn)單，并有一定的抗干擾能力，同時(shí)可連結(jié)多個(gè)器件，故選用I2C總線用為系統(tǒng)通訊總線。手持終端、信號(hào)燈均通過(guò)I2C總線與系統(tǒng)板連接，并由串轉(zhuǎn)并芯片PCF8574驅(qū)動(dòng)。 2 系統(tǒng)軟件 本系統(tǒng)主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)控制任務(wù)與人機(jī)接口任務(wù)。直接采用處理器開(kāi)發(fā)軟件時(shí)，由于時(shí)間上的并存，這兩個(gè)任務(wù)處理將嚴(yán)重耦合。此外，與人機(jī)接口相關(guān)的函數(shù)調(diào)用必須設(shè)計(jì)為非阻塞模式，否則，當(dāng)出現(xiàn)諸如I2C總線等故障時(shí)，控制流程無(wú)法繼續(xù)向下執(zhí)行。 PTOS能合理地分配處理器資源，使多個(gè)任務(wù)在宏觀上達(dá)到并行運(yùn)行的效果，可大大降低任務(wù)間的耦合，提高系統(tǒng)的可靠性。即使某個(gè)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間被阻塞，也不會(huì)影響到其它任務(wù)。因此，采用RTOS進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)更為簡(jiǎn)單和可靠。本系統(tǒng)采用MicroStar RTOS V1.0[3]。MicroStar RTOS是針對(duì)中低檔單片機(jī)而設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它同時(shí)支持按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、按優(yōu)先級(jí)搶占、二者結(jié)合共三種調(diào)度策略，具有完善的任務(wù)管理功能可提供定時(shí)、延時(shí)服務(wù)，支持消息、信號(hào)(Signal)通訊機(jī)制，支持臨界代碼段保護(hù)，提供二進(jìn)制、計(jì)數(shù)型信號(hào)量(Semaphore)同步對(duì)象等，支持 Bottom-half中斷管理機(jī)制。 本控制器選用按優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度策略，系統(tǒng)時(shí)鐘周期設(shè)定為2ms。共創(chuàng)建了三個(gè)用戶任務(wù)：人機(jī)接口主任務(wù)、控制任務(wù)以及與PC機(jī)通訊任務(wù)。 2.1 MicroStar RTOS在51單片機(jī)上的移植 由于51單片機(jī)內(nèi)核上的原因，為了代碼優(yōu)化，Keil C51編譯器采用一些獨(dú)特的方法，與ANSI C編譯器相比，有較大的差異。因而相對(duì)于其它硬件平臺(tái)，在51單片機(jī)上移值MicroStar RTOS時(shí)修改較多，主要包括以下幾類： (1)Keil C51不僅有數(shù)據(jù)類型，還有存儲(chǔ)類型，因此為系統(tǒng)變量添加了存儲(chǔ)類型修飾符。 (2)默認(rèn)情況下Keil C51對(duì)未能在寄存器中分配的臨時(shí)變量采用靜態(tài)分配策略，許多系統(tǒng)函數(shù)因此而不可重入，必須對(duì)這些函數(shù)添reentrant函數(shù)來(lái)強(qiáng)迫編譯器在模擬棧中分配臨時(shí)變量。 (3)除了硬件堆棧外，Keil C51編譯器在軟件上實(shí)現(xiàn)了模擬棧，因此在堆棧保護(hù)中需加入對(duì)模擬棧的保護(hù)。 (4)修改os_cpu.h文件中的INITIAL_STACK任務(wù)堆合適初始化宏、改寫(xiě)os_Schedule調(diào)度函數(shù)等。這一點(diǎn)與其它平臺(tái)無(wú)異。

2.2 人機(jī)接口主任務(wù) 人機(jī)接口主任務(wù)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)自檢、鍵盤(pán)掃描、液晶顯示、指令解析等，其流程圖如圖5所示。 主任務(wù)有測(cè)試和正常兩種運(yùn)行模式。在開(kāi)機(jī)按特定鍵或系統(tǒng)自檢失敗時(shí)，將進(jìn)入測(cè)試模式。測(cè)試模式中擁有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、脈寬指令學(xué)習(xí)、測(cè)試各路伺服機(jī)構(gòu)的權(quán)限，但不具備運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的權(quán)限。正常模式下僅具備運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的權(quán)限，但不能修改任何參數(shù)，以降低對(duì)系統(tǒng)參數(shù)意外改寫(xiě)的風(fēng)險(xiǎn)。在激活控制任務(wù)之前，主任務(wù)將進(jìn)行包括程序代碼校驗(yàn)、配置參數(shù)校驗(yàn)、溫度傳感器檢查等的軟硬件模塊檢查。這些措施均能提高系統(tǒng)的可靠性。 MicroStar RTOS提供周期性定時(shí)服務(wù)。主任務(wù)通過(guò)os_SetTimer設(shè)定一個(gè)50ms的鍵盤(pán)掃描定時(shí)器、一個(gè)100ms的LCD顯示刷新定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，定時(shí)器會(huì)給任務(wù)發(fā)送消息。調(diào)用os_GetMessage獲取消息后，調(diào)用鍵盤(pán)處理函數(shù)和顯示函數(shù)來(lái)分別處理與之對(duì)應(yīng)的消息。 2.3 控制任務(wù) 一次完整的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行可分為如圖6所示的幾個(gè)階段?？刂迫蝿?wù)按這些階段循環(huán)進(jìn)行，任一階段內(nèi)出現(xiàn)異常狀況，任務(wù)都進(jìn)入停車(chē)狀態(tài)。具體階段為： (1)待命階段。發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)滿足運(yùn)行要求，等待以PCM碼方式輸入的啟動(dòng)命令。規(guī)定以大車(chē)指令對(duì)應(yīng)的脈寬為啟動(dòng)命令。 (2)點(diǎn)火階段。電機(jī)轉(zhuǎn)速在設(shè)定的上下限內(nèi)波動(dòng)，助然丁烷氣閥打開(kāi)，向發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)注入易燃?xì)?，同時(shí)開(kāi)啟點(diǎn)火器對(duì)氣體加熱，當(dāng)氣體點(diǎn)燃使尾噴管溫度升高到設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為點(diǎn)火成功。 (3)著車(chē)階段。油泵開(kāi)始工作，供油量逐漸增大，點(diǎn)火器、氣閥、啟動(dòng)電機(jī)先后關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速和溫度均超過(guò)設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為著車(chē)成功。 (4)熱車(chē)階段。發(fā)動(dòng)機(jī)成功著車(chē)之后，不宜立即投入工作，需在慢車(chē)(怠速)狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。 (5)正常運(yùn)行階段。PID控制算法投入運(yùn)行。 (6)停車(chē)階段。油泵停止運(yùn)行，啟動(dòng)電機(jī)會(huì)根據(jù)溫度間歇性地開(kāi)啟，在有利于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的條件下，盡可能地節(jié)省電能。

3 控制律設(shè)計(jì) 按控制內(nèi)容劃分，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的控制項(xiàng)目分為以下幾類： (1)過(guò)程控制。使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速、穩(wěn)定、可靠地完成過(guò)渡工作狀態(tài)、包括啟動(dòng)控制、加速控制、減速控制。啟動(dòng)控制保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常點(diǎn)火和順利啟動(dòng)。加速控制的目的是在發(fā)動(dòng)機(jī)不超溫的前提下，改變供油量，使加速時(shí)間盡可能縮短。減速控制使收油門(mén)時(shí)減油不致過(guò)猛，防止燃燒室貧油熄火。 (2)推力控制。目的是給發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的推力。飛行器空中飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力不易直接測(cè)量，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠表征發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，故通過(guò)轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)推力控制。 (3)安全控制。目的是保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠地工作。包括超溫保護(hù)、超速保護(hù)、電池電壓欠壓保護(hù)等。 3.1 啟動(dòng)控制 啟動(dòng)時(shí)間越短越好，因而發(fā)動(dòng)機(jī)增速要快。簡(jiǎn)單地提高供油量雖然可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的增速，但容易因過(guò)度“富油”而超溫。“富油”現(xiàn)象是指當(dāng)供油量增速過(guò)快時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性大于油泵的慣性，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增量相對(duì)落后，吸入空氣相對(duì)油量不足，以致燃油燃燒不充分，嚴(yán)重時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)的溫度會(huì)急劇上升，尾氣中會(huì)出現(xiàn)火苗，這種現(xiàn)象對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)極為有害。為減輕“富油”現(xiàn)象，在著車(chē)邊程控制中引入溫度和升溫速度反饋。當(dāng)溫度超過(guò)警戒值或者升溫速度超過(guò)警戒值時(shí)，供油量將停止增加。

3.2 轉(zhuǎn)速控制 轉(zhuǎn)速控制采用工程上常用的位置式數(shù)字PID控制算法。對(duì)本系統(tǒng)而言，控制量為油泵的PWM占空比。占空比為負(fù)值是沒(méi)有物理意義的，需在PID的輸出之上加入工作點(diǎn)，使輸出在工作點(diǎn)上下調(diào)整。轉(zhuǎn)速控制框圖如圖7所示。 其中，F(xiàn)(N0)為工作點(diǎn)產(chǎn)生函數(shù)，表示指令轉(zhuǎn)速N對(duì)應(yīng)的占空比參考值，即工作點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)獲取，軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)采用查表法和線性插值法。限幅環(huán)節(jié)保證油泵占空比既不會(huì)小于怠速時(shí)的占空比，以避免熄火;也不會(huì)大于設(shè)定的最大值，以避免過(guò)速危險(xiǎn)。油門(mén)加速度限幅環(huán)節(jié)一方面限制了加油速度，防止因加油過(guò)快而超溫;另一方面限制了收油速度，防止因收油過(guò)快而貧油熄火。油門(mén)加速度限幅簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了加速控制和減速控制。 由于油泵占空比與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間的非線性關(guān)系(如圖8所示)，采用了分段PID方法，即不同階段采用不同的PID參數(shù)。單就Kp而言，由圖可看出：在低轉(zhuǎn)速段，曲線的斜率陡，轉(zhuǎn)速對(duì)占空比的變化敏感，Kp取值較小，避免了超調(diào)過(guò)大和振蕩;而在高轉(zhuǎn)速段，曲線上升非常平緩，Kp取較大值，以提高響應(yīng)速度。同樣地，為取得較好的性能，Ki、Kd在不同的轉(zhuǎn)速段也應(yīng)取不同的值。在本系統(tǒng)中共分為三段。 4 系統(tǒng)測(cè)試 本系統(tǒng)已進(jìn)行了多次臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)中，被控對(duì)象選用國(guó)產(chǎn)500牛推力的某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，原始數(shù)據(jù)利用運(yùn)行于PC機(jī)平臺(tái)上的ECU V1.0通過(guò)串行口獲得。

4.1 檢測(cè)軟件ECU V1.0 為便于系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試，自行開(kāi)發(fā)了軟件ECU V1.0。它能將發(fā)動(dòng)機(jī)各種參數(shù)實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，以曲線方式動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)，以便分析各個(gè)參量間的相關(guān)性，并具有發(fā)送控制命令、報(bào)警等輔助功能。圖8、圖9均由該軟件生成。 4.2 測(cè)試結(jié)果 試驗(yàn)表明，在控制系統(tǒng)的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)能很好地跟蹤轉(zhuǎn)速遙控指令。圖9給出一次由18000RPM至23000RPM的推桿操作中指令和轉(zhuǎn)速的曲線，圖中虛線為指令，實(shí)線為速度，兩條曲線基本吻合。 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在我國(guó)還是一個(gè)較新的領(lǐng)域，筆者在此方面作了較為深入的探索。試驗(yàn)中控制系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定地工作，達(dá)到了工程樣機(jī)的水平。