发动机地面控制单元设计分析

随着我国航空航天科技的发展与军民融合发展战略的不断推进，微型涡喷发动机在现代军事及民用航空航天领域得到广泛的应用。而随着现代世界武器装备技术的不断更新和发展，对于小型航空涡喷发动机配套控制技术的发展也随之经历了空前的变化。在此以某小型航空涡喷发动机为控制原型，通过完成该型号发动机配套测试地面控制单元系统，协调发动机引擎控制系统实现发动机在全自动模式和手动模式下的自持运行，同时将采集发动机运行工况信息上传至PC端上位机进行数据存储和分析，完成发动机台架测试试验。

1系统工作原理

本地面控制单元由由发动机控制输出部分、显示输出及通信部分、PC端上位机软件等4个部分构成。具体的工作原理如下：发动机协调器负责采集发动机运行时的工况信息，并通过RS485发送至地面控制单元，通过液晶显示器进行实时显示；地面控制单元实时采集工作平台上的多路模拟量和开关量，作为控制参数通过RS485接口下发至发动机协调器，进而发动机的自持运行。同时，地面控制单元通过RS232接口将发动机工况信息发送至PC上位机，通过上位机软件进行数据库的存储和分析。系统的工作原理如图1所示。

2控制单元硬件设计

控制器硬件由CPU模块、多路AD采集模块、开关控制模块、RS485通信模块、RS232通信模块、数据存储模块、显示模块等构成，硬件框图如图2所示。2.1CPU模块发动机地面控制单元硬件主控系统采用。STM32F103ZET6芯片，这是ST旗下的一款以Cor-texTM-M4为内核的增强型微控制器。针对小型航空涡喷发动机地面控制单元的设计要求，需要对多路AD量采集和处理，而该CPU具备21路ADC转换通过，同时该芯片在存储内存、功率消耗、运行速率也具备一定的优势，满足该系统的设计要求。2.2多路AD采集模块系统多路。AD量采集主要包含4路模拟量信号（电位器）的采集，分别用于油泵转速（油门）、启动电机转速、点火器功率、点火阀（副阀）占空比（用于液态单燃料模式）的调整。多路AD采集模块如图3所示。发动机地面控制单元主要分为手动模式和全自动模式。在手动模式下，通过对多路AD量采集实现对发动机的调控，从而保证发动机各执行驱动机构的安全可靠性，为全自动模式下发动机自持运行提供保证。在全自动模式下，在实现对发动机的工况参数采集的基础上，通过PID反馈调节实现对发动机各执行机构的自主调控。2.3开关控制模块。系统包含4路模式选择信号的采集，分别用于手动/自动模式选择、油泵类型选择（有刷/无刷）、燃料模式选择（液气/纯液）、启动模式选择（电机带转/高压气吹转）。开关控制模块如图4所示。开关控制型号选用多模式可变开关，在不同模式下通过切换开关进行硬件隔离的切换电路，实现对发动机包括模式选择、油泵类型选择、燃料选择、启动模式选择等控制方式的选择。通过开关量的控制选择能够兼容多种发动机型号。2.4RS485通信模块。系统采用STM32内部集成的全双工UART2串行接口，外扩MAX485芯片，构成地面控制单元与发动机协调器间的485通信。地面控制单元与发动机协调器之间通信方式的选择，主要从发动机飞航测试的安全方面进行考虑，测试现场与控制台需要保持一定的距离，同时也应保证数据传输过程中的数据完整性，最终选择RS485通信实现将发动机协调器采集的发动机工况参数信息传输至地面控制单元进行处理。RS485通信模块如图5所示。2.5RS232通信模块将接收发动机的工况参数进行数据显示，同时利用RS232通信，将数据发送至PC端上位机进行数据存储和分析；系统利用STM32内部集成的UART2串行接口，通过外扩MAX3232芯片实现RS232电平和TTL电平相互转换。RS232通信模块如图6所示。2.6数据存储模块为了保证后期发动机在进行实际环境下的飞航测试，即在没有上位机数据存储的情况下可以将发动机的飞航测试数据存储下来进行后期分析，在发动机地面控制单元中加入了数据存储模块。该模块由FM24CL64芯片构成，主要用于存储发动机在运行状态下的关键参数信息包括发动机实时转速、EGT温度、油压等。数据存储模块如图7所示。2.7显示模块为了能够更加直观地显示发动机的工况信息，在数码管显示发动机关键参数的基础上，使用显示屏显示发动机的其他工况参数信息，包括实时显示转速、目标转速、EGT温度、油门百分比、油压、推力值、点火器电流等。显示模块电路如图8所示。

3软件设计

3.1控制器软件。控制台子系统软件设计是利用C语言在KeilμVision5开发平台上实现的，采用STM32库函数的编程方式，C编程语言实现模块化设计。在主程序运行后，根据不同工作模式下的系统要求，调用的各部分子程序包括多路AD量采集子程序、ECU端RS485通信子程序、PC端上位机RS232通信子程序等。其软件流程如图9所示。3.2上位机软件。在VisualStudio2012开发平台上，使用C#编程语言完成PC上位机软件的设计。软件的主要功能包括：获取发动机工况参数信息，实现实时显示功能；使用SQLServer数据库，实现发动机工况参数存储、打印、查询等功能；提供二次开发接口，为实现发动机系统故障诊断功能奠定基础。PC上位机软件通过RS232接口，接收来自控制台上传的发动机工况参数信息，使用C#的窗体控件，设计出软件整体框架。将接收的发动机工况数据进行解析，并将工况信息实时显示在文本框内。同时，将发动机工况数据在SQLServer2005数据库中进行储存和管理，通过导出按钮实现数据数据库存储功能，也可以根据采集时间对发动机工况参数信息进行查询。地面控制单元上位机软件界面如图10所示。

4结语

所设计的小型航空涡喷发动机地面控制单元，以某小型航空涡喷发动机为控制原型，通过设计完成其配套测试发动机地面控制单元，协调发动机引擎控制系统实现发动机在全自动和手动模式下的自持运行，同时通过加入硬件电路隔离实现兼容多种发动机型号控制，系统具备上位机实现发动机工况参数的实时采集和存储功能。该系统可以为发动机的台架测试和飞航测试提供安全保证，提高了发动机安全可靠性能，已成功应用在发动机飞航测试一线。

参考文献：

[1]方昌德.世界航空发动机手册[J].北京：航空工业出版社，1996.

[2]张鹏峰.无人机/巡航导弹用小型涡扇发动机的发展[J].飞航导弹，2012，（8）：65-68，92.

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[4]王航洲，胡智玺，刘建国，等.微型涡喷发动机装配关键技术[J].弹箭与制导学报，2018，38（5）：82-84.

[5]谢光华，牛天华，王亿军，等.某型弹用涡喷发动机启动加速控制规设计[J].推进技术，2003，24（3）：232-235.

作者:李晓艳 王鹏 吕志刚 许韫韬 单位:西安工业大学