淺談小型航空發(fā)動機(jī)數(shù)字電子控制器設(shè)計技術(shù)

李堃等

引言

現(xiàn)代社會已經(jīng)在逐步實現(xiàn)數(shù)字化，我國航空領(lǐng)域也一直在數(shù)字化道路上奮斗著。本文主要對小型航空發(fā)動機(jī)數(shù)字電子控制器的設(shè)計技術(shù)進(jìn)行研究，希望有助于推動控制系統(tǒng)的完善?？茖W(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)作為飛機(jī)上的重要控制系統(tǒng)也在飛速的發(fā)展。目前電子計算機(jī)技術(shù)的更新及應(yīng)用逐漸在促進(jìn)全限制數(shù)字電子式控制系統(tǒng)的完善。該系統(tǒng)的核心是計算機(jī)，利用計算機(jī)的數(shù)字計算能力和邏輯處理能力對發(fā)動機(jī)的運作產(chǎn)生推進(jìn)，不斷提高發(fā)動機(jī)的可操作性。我國科研人員也一直在不斷研究航空控制系統(tǒng)，取得了一定的成就，但是和發(fā)達(dá)國家之間還存在著很大的差距，以下主要就其設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述。

一、航空發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)簡介

（一）組成部件

由上圖可以清晰的觀察到航空發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的組成原理框架，系統(tǒng)在確定設(shè)計方案的時候要結(jié)合發(fā)動機(jī)的具體要求，同樣電子控制器也要做出相適應(yīng)的設(shè)計方案，全面保證整個系統(tǒng)各個組成部分達(dá)到設(shè)計需求。

二、電子控制器的功能要求

在發(fā)動機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)中最先要保證的就是電子控制器所在的工作環(huán)境安全，使發(fā)動機(jī)能正常的啟動并安全穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。其次要注意電子控制器的供電情況，電瓶在啟動前供電而發(fā)電機(jī)在啟動后供電。對于電子控制器來說，具體需要采集輸入信號，這些輸入信號由發(fā)動機(jī)不同類型的傳感器發(fā)出；除了輸入信號還要進(jìn)行開關(guān)量的信號采集，該信號不僅有關(guān)發(fā)動機(jī)狀態(tài)而且有些還涉及其外部指令；接著實現(xiàn)對各種信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后成為一定的數(shù)字信號；保證控制軟件運行的持續(xù)性，消除平臺的中斷源；不斷轉(zhuǎn)換及驅(qū)動化相應(yīng)的數(shù)字量及模擬量，能保證不同通道之間的切換，并滿足一定的通訊功能；保證某些傳感器需要的激勵電源。

三、數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

（一）設(shè)計傳感器方案

1、溫度傳感器。溫度傳感器字面理解就是用來測量溫度的，所測量的部位是風(fēng)扇后部。一般情況下我們選擇熱點偶式溫度傳感器，這種傳感器類型結(jié)構(gòu)簡單，對溫度的相應(yīng)速度很快，有比較高的靈敏度，穩(wěn)定性能也很好，測量溫度的范圍能在零下六十?dāng)z氏度和二百攝氏度之間，所以是溫度傳感器的最佳選擇。

2、轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器是用來測量發(fā)動機(jī)在運作中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度，選擇的是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，這種類型傳感器的精確度很高，穩(wěn)定性也能保證，對于上萬的轉(zhuǎn)速也能準(zhǔn)確的測量，可以保證發(fā)動機(jī)的大轉(zhuǎn)速要求，該發(fā)動機(jī)的輸出信號是周期頻率信號。

3、壓力傳感器。壓力傳感器是用來測量在壓力機(jī)后的空氣壓力，選擇的是壓阻式壓力傳感器，這種類型傳感器不僅靈敏度和精度都能滿足高標(biāo)準(zhǔn)，可以對零到十二個絕對大氣壓進(jìn)行測量，而且體積比較小，測量方便。

4、位移傳感器。航空發(fā)動機(jī)中燃油流量的改變可以通過位移傳感器來測量，可以選擇LVDT差動變壓器式位移傳感器，該傳感器的輸出信號就是電壓信號。

（二）設(shè)計電子控制器方案

1、控制器余度方案。對于航空控制系統(tǒng)中的余度設(shè)計多種多樣，各有特點，我們主要介紹雙余度數(shù)控通道結(jié)構(gòu)設(shè)計，該數(shù)控通道的組成依靠不同模塊，主要模塊有信號調(diào)理、輸入、CPU、輸出、BIT、通訊、故障切換、驅(qū)動輸出等。在兩個模塊中其中一個可以作為主要控制通道，另一個就對其進(jìn)行輔助，并保證在熱備份狀態(tài)，若存在故障的情況就只需要切換模塊就可以保證系統(tǒng)的繼續(xù)運行。

2、CPU模塊方案。CPU模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，該單一模塊的性能直接影響整個控制系統(tǒng)的功能體現(xiàn)。CPU模塊的具體任務(wù)有：對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字及邏輯運算、保證數(shù)據(jù)的存儲、能實時中斷、保證數(shù)據(jù)的輸出、能滿足通訊的要求。在本控制系統(tǒng)中我們使用的是嵌入式微處理器PC104，其主板器上集成了Intel486處理器，它的耗能較低，有定時器也有中斷控制器，該主板外部接口不僅有兼容的并行口、串口，而且有可選的串行口。主要特點有體積不大、功能損耗較低、有很好的抗震性，也有較寬的總線范圍，基本滿足發(fā)動機(jī)的要求。

3、輸入信號處理方式。針對不同類型的輸入信號應(yīng)該設(shè)置不同的處理方式，如果是溫度信號，運用溫度傳感器對電路進(jìn)行調(diào)理，盡可能的擴(kuò)大小信號，同時要進(jìn)行的是基準(zhǔn)接點的補償和一定的線性化處理，使得信號逐漸滿足系統(tǒng)要求。輸出信號處理方式輸出信號比較特殊，不能直接驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)，一定的轉(zhuǎn)換是很有必要的。具體應(yīng)該結(jié)合不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對不同執(zhí)行器進(jìn)行一定的處理，執(zhí)行器包括：電液伺服閥、高速電磁閥、步進(jìn)電機(jī)三者。其中電液伺服閥控制的類型有硬件和軟件閉環(huán)控制。硬件閉環(huán)控制所表現(xiàn)的響應(yīng)速度很快，所占用的CPU也比較少，而軟件閉環(huán)控制有參數(shù)，可以方便進(jìn)行調(diào)整，能實現(xiàn)高效的控制；其中高速電磁閥的控制由于信號的特點需要對信號產(chǎn)生的電路進(jìn)行設(shè)計，集成化芯片就能滿足這些要求，因為其內(nèi)部擁有大量的電路。

（三）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的實現(xiàn)主要通過軟件編程，程序中主要運行的有BIT自檢和系統(tǒng)故障診斷等，具體步驟可以通過控制系統(tǒng)軟件流程圖觀察到。

結(jié)束語

綜上所述，對于小型航空發(fā)動機(jī)數(shù)字電子控制器的實現(xiàn)，需要結(jié)合發(fā)動機(jī)對在數(shù)字控制系統(tǒng)中的要求，設(shè)計合理的系統(tǒng)總方案。在控制器的輸入和輸出、傳感器的信號等方面進(jìn)行一定的處理，并為模擬輸入、頻率量和開關(guān)量等信號進(jìn)行調(diào)理電路，逐步滿足電子控制器的要求。當(dāng)然對于設(shè)計方案今后還需要不斷完善，努力發(fā)揮其更多的實用價值，提供更好的服務(wù)工作。

（作者單位：遼寧省沈陽市沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所）