馬攀偉，賈強

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引言

轉(zhuǎn)子發(fā)動機具有體積小、重量輕、振動水平低、高速性能好等優(yōu)點[1-3]，被廣泛應(yīng)用于各種型號的無人機。目前國內(nèi)無人機用轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用化油器式燃油系統(tǒng)，但化油器系統(tǒng)存在燃油霧化品質(zhì)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(tǒng)可以克服化油器系統(tǒng)供油方式的缺點，在改善發(fā)動機性能，提高動力性和經(jīng)濟性,以及降低污染等方面顯示了極大的優(yōu)越性[6-9]，采用電控噴油系統(tǒng)可以進一步提高轉(zhuǎn)子發(fā)動機的性能。

本文中將某轉(zhuǎn)子發(fā)動機的化油器式燃油系統(tǒng)改造成電控噴油系統(tǒng)，并對電控噴油系統(tǒng)的軟硬件進行設(shè)計，經(jīng)過半物理試驗驗證，該電控噴油系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器信號的實時測量和計算，并能夠根據(jù)相應(yīng)的控制策略輸出正確的控制信號。

圖1 電控噴油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1 電控噴油系統(tǒng)設(shè)計總體方案

電控噴油系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件和軟件設(shè)計，電控噴油系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過傳感器實時采集轉(zhuǎn)子發(fā)動機的各種信號，主要包括溫度、節(jié)氣門位置及轉(zhuǎn)速等信號，電控單元對這些信號進行相應(yīng)的處理，將處理后的數(shù)據(jù)按照設(shè)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(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作[10-12]。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，電控單元的體積要盡可能小，質(zhì)量要輕?？紤]到電控單元復(fù)雜的工作環(huán)境，電控單元還應(yīng)具有良好的抗電磁干擾能力。電控單元應(yīng)實現(xiàn)以下功能：

1)實時采集溫度傳感器、節(jié)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(zhuǎn)子發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號。

3)采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)驅(qū)動方式控制轉(zhuǎn)子發(fā)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(shè)計

根據(jù)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(qū)動模塊等部分分別進行設(shè)計[13]。

2.1 微處理器模塊

轉(zhuǎn)子發(fā)動機電控噴油系統(tǒng)具有控制參數(shù)多、算法復(fù)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(jù)輸入信號計算轉(zhuǎn)子發(fā)動機的噴油量并產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令。本文中選用TI公司新開發(fā)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(zhuǎn)子發(fā)動機電控噴油系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理和控制的要求。

2.2 電源模塊

轉(zhuǎn)子發(fā)動機電控噴油系統(tǒng)為裝機嵌入式系統(tǒng)，電控單元使用轉(zhuǎn)子發(fā)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(shè)計需要對+12 V電壓蓄電池進行電壓轉(zhuǎn)換，為傳感器和單片機提供穩(wěn)定電源。本設(shè)計中采用兩級電源轉(zhuǎn)換電路，首先采用LM7805芯片將電壓由+12 V轉(zhuǎn)換成+5 V，然后采用AMS1117-3.3芯片將+5 V轉(zhuǎn)換成+3.3 V。

圖2 節(jié)氣門位置信號調(diào)理電路

2.3 信號處理模塊

2.3.1 節(jié)氣門位置信號調(diào)理電路

節(jié)氣門位置傳感器是一個電位器，可將節(jié)氣門位置信號轉(zhuǎn)化成電信號，其輸入電壓為5 V，輸出電壓隨節(jié)氣門開度變化而變化，幅值變化范圍為0～5 V。節(jié)氣門位置信號調(diào)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(diào)理電路

圖3 溫度信號調(diào)理電路

在轉(zhuǎn)子發(fā)動機電控噴油系統(tǒng)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(yōu)點。溫度信號調(diào)理電路如圖3所示，電路中R7、R8、R9和PT100構(gòu)成了溫度測量電橋，利用TL431產(chǎn)生穩(wěn)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(wěn)定性。測量電橋輸出的電壓差分信號為mV級，需要經(jīng)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(shù)過高而產(chǎn)生非線性誤差，采用兩級放大電路，第1級放大倍數(shù)為15倍，第2級放大倍數(shù)為2倍。

2.3.3 轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路

圖4 轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路

轉(zhuǎn)速信號是轉(zhuǎn)子發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)中一個十分重要的輸入信號，是判斷發(fā)動機所處工況的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路如圖4所示，轉(zhuǎn)速信號由霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生，是幅值為5 V的矩形脈沖信號，經(jīng)過降壓后輸入到單片機進行處理。為避免轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號采取濾波和隔離處理：R19和C17構(gòu)成的RC濾波電路可濾除轉(zhuǎn)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(qū)動電路

2.4 噴油驅(qū)動模塊

噴油器是轉(zhuǎn)子發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)中重要的執(zhí)行器，其作用是按照發(fā)動機控制器計算出的噴油正時和噴油脈寬向進氣管內(nèi)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(fā)動機的噴油脈寬，進而控制發(fā)動機的噴油量。選用的噴油器內(nèi)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(qū)動電路如圖5所示。

3 電控單元的軟件設(shè)計

電控單元的軟件部分采用程序模塊化的思想進行設(shè)計，程序模塊化就是將一個程序或程序系統(tǒng)按功能分解成若干彼此獨立的但又有一定聯(lián)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(diào)試和維護，大大提高程序設(shè)計效率。本文中根據(jù)轉(zhuǎn)子發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計要求，將復(fù)雜的電控單元軟件系統(tǒng)分成5個模塊：系統(tǒng)初始化模塊、模擬量采集模塊、曲軸參考點檢測模塊、轉(zhuǎn)速計算模塊和基本噴油脈寬模塊。

圖6 軟件設(shè)計的主程序流程圖

系統(tǒng)初始化模塊主要是對電控單元控制系統(tǒng)的各個模塊進行初始化，為控制系統(tǒng)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(wù)是確定參考點位置，用于確定曲軸位置和計算轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速；基本噴油脈寬模塊是將轉(zhuǎn)子發(fā)動機基本噴油脈寬MAP圖以二維數(shù)組的形式存儲于單片機RAM內(nèi)，確定轉(zhuǎn)子發(fā)動機節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速后，通過二維線性插值法查表確定基本噴油脈寬。

軟件設(shè)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(zhuǎn)子發(fā)動機基本噴油量

基本噴油量MAP圖是開發(fā)電控噴油系統(tǒng)，保證發(fā)動機正常運行的基本依據(jù)，同時也是進行發(fā)動機優(yōu)化標定試驗、確定最佳噴油策略的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)發(fā)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(tǒng)的研發(fā)周期。文獻[16]通過建立轉(zhuǎn)子發(fā)動機數(shù)學(xué)模型，通過仿真計算得到轉(zhuǎn)子發(fā)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(jié)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(fā)成本。

5 電控噴油系統(tǒng)半物理試驗調(diào)試

圖8 電控單元硬件實物

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

用信號發(fā)生器產(chǎn)生方波脈沖信號來模擬轉(zhuǎn)速6000 r/min時的曲軸傳感器信號，調(diào)整模擬節(jié)氣門開度信號的電位計的電壓，使節(jié)氣門開度為50°，將其他傳感器信號設(shè)置在標準狀態(tài)下。將信號輸入到電控單元中，電控單元對這些信號數(shù)據(jù)進行處理，判斷出發(fā)動機所處工況，然后按照設(shè)定的算法和控制邏輯運算出噴油脈寬。顯示屏上顯示的轉(zhuǎn)子發(fā)動機節(jié)氣門開度為50°，轉(zhuǎn)速為5979 r/min，說明電控單元能夠正確判斷出其所處穩(wěn)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(zhuǎn)子發(fā)動機在該穩(wěn)定工況點的噴油脈寬。

圖9 噴油控制信號示波器檢測結(jié)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(jié)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(diào)試方法進行多組穩(wěn)定工況噴油脈寬的調(diào)試，調(diào)試結(jié)果與計算結(jié)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(wěn)定工況點的噴油脈寬與計算得到的噴油脈寬數(shù)值很接近，誤差控制在2%之內(nèi)，說明電控單元能夠準確輸出穩(wěn)定工況的噴油脈寬信號。

6 結(jié)論

對某型轉(zhuǎn)子發(fā)動機的電控噴油系統(tǒng)進行開發(fā)研究，分別對電控單元的軟硬件進行設(shè)計，對設(shè)計完成的電控單元進行半物理試驗調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明該電控噴油系統(tǒng)能夠測量轉(zhuǎn)子發(fā)動機各傳感器的輸入信號，并輸出相應(yīng)的噴油脈寬驅(qū)動信號，滿足轉(zhuǎn)子發(fā)動機電控燃油噴射的基本要求。