轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬攀偉，賈強(qiáng)

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引言

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、振動(dòng)水平低、高速性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，被廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)的無(wú)人機(jī)。目前國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)用轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣量匹配不及時(shí)，空燃比難以精確控制等缺點(diǎn)[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(diǎn)，在改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

本文中將某轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的化油器式燃油系統(tǒng)改造成電控噴油系統(tǒng)，并對(duì)電控噴油系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過半物理試驗(yàn)驗(yàn)證，該電控噴油系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算，并能夠根據(jù)相應(yīng)的控制策略輸出正確的控制信號(hào)。

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(jì)總體方案

電控噴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)，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(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的各種信號(hào)，主要包括溫度、節(jié)氣門位置及轉(zhuǎn)速等信號(hào)，電控單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)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(jìn)行運(yùn)算，輸出正確的控制指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作[10-12]。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)以下功能：

1)實(shí)時(shí)采集溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進(jìn)氣壓強(qiáng)傳感器等模擬信號(hào)。

2)實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。

3)采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)驅(qū)動(dòng)方式控制轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)

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(hào)處理模塊和噴油驅(qū)動(dòng)模塊等部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]。

2.1 微處理器模塊

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油系統(tǒng)具有控制參數(shù)多、算法復(fù)雜和實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)。微處理器作為電控單元的核心，需要存儲(chǔ)基本噴油量MAP圖，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣處理，根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)作為電控單元的微處理器，該單片機(jī)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(yùn)行不受強(qiáng)電干擾影響[14]，完全滿足轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電控噴油系統(tǒng)為裝機(jī)嵌入式系統(tǒng)，電控單元使用轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)蓄電池提供的電源，由于傳感器的輸入電壓為+5 V，單片機(jī)的工作電壓為+3.3 V，所以電源設(shè)計(jì)需要對(duì)+12 V電壓蓄電池進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，為傳感器和單片機(jī)提供穩(wěn)定電源。本設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)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(hào)調(diào)理電路

2.3 信號(hào)處理模塊

2.3.1 節(jié)氣門位置信號(hào)調(diào)理電路

節(jié)氣門位置傳感器是一個(gè)電位器，可將節(jié)氣門位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，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(hào)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(wú)窮大，隔離了分壓電路對(duì)采集電路的影響。

2.3.2 溫度信號(hào)調(diào)理電路

圖3 溫度信號(hào)調(diào)理電路

在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油系統(tǒng)中需要檢測(cè)的溫度有進(jìn)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(cè)量的溫度范圍為-50～600 ℃，具有線性度好、精度高和較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。溫度信號(hào)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(cè)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(zhǔn)輸入電壓，從而保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性。測(cè)量電橋輸出的電壓差分信號(hào)為mV級(jí)，需要經(jīng)過放大電路放大后方可輸入到單片機(jī)。為了防止電路因單級(jí)放大倍數(shù)過高而產(chǎn)生非線性誤差，采用兩級(jí)放大電路，第1級(jí)放大倍數(shù)為15倍，第2級(jí)放大倍數(shù)為2倍。

2.3.3 轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路

圖4 轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路

轉(zhuǎn)速信號(hào)是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的輸入信號(hào)，是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示，轉(zhuǎn)速信號(hào)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(hào)，經(jīng)過降壓后輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。為避免轉(zhuǎn)速信號(hào)在傳輸過程中耦合外部干擾造成信號(hào)失真，電路中對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)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(hào)中的一些頻率較高、幅值很小的干擾信號(hào)；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(dòng)電路

2.4 噴油驅(qū)動(dòng)模塊

噴油器是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)控制器計(jì)算出的噴油正時(shí)和噴油脈寬向進(jìn)氣管內(nèi)噴射燃油，噴油器實(shí)際上是一個(gè)電磁閥，控制器通過控制電磁閥線圈電流的通斷時(shí)間(接地線的通斷)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈寬，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)電路如圖5所示。

3 電控單元的軟件設(shè)計(jì)

電控單元的軟件部分采用程序模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序模塊化就是將一個(gè)程序或程序系統(tǒng)按功能分解成若干彼此獨(dú)立的但又有一定聯(lián)系的組成部分，每個(gè)部分稱為模塊。模塊之間相對(duì)獨(dú)立，方便進(jìn)行檢驗(yàn)、修改、調(diào)試和維護(hù)，大大提高程序設(shè)計(jì)效率。本文中根據(jù)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將復(fù)雜的電控單元軟件系統(tǒng)分成5個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、模擬量采集模塊、曲軸參考點(diǎn)檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和基本噴油脈寬模塊。

圖6 軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖

系統(tǒng)初始化模塊主要是對(duì)電控單元控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，為控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作；模擬量采集模塊主要完成對(duì)各個(gè)傳感器模擬信號(hào)的采集處理；曲軸參考點(diǎn)檢測(cè)模塊的主要任務(wù)是確定參考點(diǎn)位置，用于確定曲軸位置和計(jì)算轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊是利用2次檢測(cè)到曲軸參考點(diǎn)之間的時(shí)間間隔計(jì)算出平均轉(zhuǎn)速；基本噴油脈寬模塊是將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)基本噴油脈寬MAP圖以二維數(shù)組的形式存儲(chǔ)于單片機(jī)RAM內(nèi)，確定轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的基本依據(jù)，同時(shí)也是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化標(biāo)定試驗(yàn)、確定最佳噴油策略的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本噴油量MAP圖需通過大量的臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定來獲得[15]，不僅耗時(shí)耗力，也極大地增加了電控噴油系統(tǒng)的研發(fā)周期。文獻(xiàn)[16]通過建立轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，通過仿真計(jì)算得到轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的基本噴油量MAP圖(如圖7所示)，并通過臺(tái)架試驗(yàn)初步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)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(yàn)調(diào)試

圖8 電控單元硬件實(shí)物

設(shè)計(jì)的電控單元硬件實(shí)物如圖8所示。電控單元的軟硬件設(shè)計(jì)完成后，在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)之前需要進(jìn)行半物理試驗(yàn)調(diào)試，對(duì)電控單元進(jìn)行相關(guān)的功能檢測(cè)，以提高臺(tái)架試驗(yàn)的效率和安全性。

用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波脈沖信號(hào)來模擬轉(zhuǎn)速6000 r/min時(shí)的曲軸傳感器信號(hào)，調(diào)整模擬節(jié)氣門開度信號(hào)的電位計(jì)的電壓，使節(jié)氣門開度為50°，將其他傳感器信號(hào)設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下。將信號(hào)輸入到電控單元中，電控單元對(duì)這些信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況，然后按照設(shè)定的算法和控制邏輯運(yùn)算出噴油脈寬。顯示屏上顯示的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)。電控單元計(jì)算出的噴油脈寬為652 μs，與通過基本噴油量MAP圖計(jì)算的650 μs非常接近，說明電控單元能夠準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在該穩(wěn)定工況點(diǎn)的噴油脈寬。

圖9 噴油控制信號(hào)示波器檢測(cè)結(jié)果

電控單元計(jì)算出正確的噴油脈寬后，需要用示波器來檢測(cè)其輸出的噴油控制信號(hào)的脈沖寬度和顯示值是否一致。

圖9所示為示波器檢測(cè)結(jié)果。從圖9中可以看出，實(shí)際噴油脈寬為640 μs，和計(jì)算噴油脈寬基本一致，說明電控單元能夠輸出該工況點(diǎn)的正確噴油脈寬控制信號(hào)。

通過上述噴油脈寬的調(diào)試方法進(jìn)行多組穩(wěn)定工況噴油脈寬的調(diào)試，調(diào)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況如表1所示。

表1 噴油脈寬對(duì)比

由表1可以看出，電控單元輸出的各穩(wěn)定工況點(diǎn)的噴油脈寬與計(jì)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(zhǔn)確輸出穩(wěn)定工況的噴油脈寬信號(hào)。

6 結(jié)論

對(duì)某型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的電控噴油系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)研究，分別對(duì)電控單元的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)完成的電控單元進(jìn)行半物理試驗(yàn)調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明該電控噴油系統(tǒng)能夠測(cè)量轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器的輸入信號(hào)，并輸出相應(yīng)的噴油脈寬驅(qū)動(dòng)信號(hào)，滿足轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射的基本要求。