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隨著我國航空航天科技的發(fā)展與軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進，微型渦噴發(fā)動機在現(xiàn)代軍事及民用航空航天領域得到廣泛的應用。而隨著現(xiàn)代世界武器裝備技術的不斷更新和發(fā)展，對于小型航空渦噴發(fā)動機配套控制技術的發(fā)展也隨之經(jīng)歷了空前的變化。在此以某小型航空渦噴發(fā)動機為控制原型，通過完成該型號發(fā)動機配套測試地面控制單元系統(tǒng)，協(xié)調(diào)發(fā)動機引擎控制系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)動機在全自動模式和手動模式下的自持運行，同時將采集發(fā)動機運行工況信息上傳至PC端上位機進行數(shù)據(jù)存儲和分析，完成發(fā)動機臺架測試試驗。

1系統(tǒng)工作原理

本地面控制單元由由發(fā)動機控制輸出部分、顯示輸出及通信部分、PC端上位機軟件等4個部分構成。具體的工作原理如下：發(fā)動機協(xié)調(diào)器負責采集發(fā)動機運行時的工況信息，并通過RS485發(fā)送至地面控制單元，通過液晶顯示器進行實時顯示；地面控制單元實時采集工作平臺上的多路模擬量和開關量，作為控制參數(shù)通過RS485接口下發(fā)至發(fā)動機協(xié)調(diào)器，進而發(fā)動機的自持運行。同時，地面控制單元通過RS232接口將發(fā)動機工況信息發(fā)送至PC上位機，通過上位機軟件進行數(shù)據(jù)庫的存儲和分析。系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2控制單元硬件設計

控制器硬件由CPU模塊、多路AD采集模塊、開關控制模塊、RS485通信模塊、RS232通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊等構成，硬件框圖如圖2所示。2.1CPU模塊發(fā)動機地面控制單元硬件主控系統(tǒng)采用。STM32F103ZET6芯片，這是ST旗下的一款以Cor-texTM-M4為內(nèi)核的增強型微控制器。針對小型航空渦噴發(fā)動機地面控制單元的設計要求，需要對多路AD量采集和處理，而該CPU具備21路ADC轉(zhuǎn)換通過，同時該芯片在存儲內(nèi)存、功率消耗、運行速率也具備一定的優(yōu)勢，滿足該系統(tǒng)的設計要求。2.2多路AD采集模塊系統(tǒng)多路。AD量采集主要包含4路模擬量信號（電位器）的采集，分別用于油泵轉(zhuǎn)速（油門）、啟動電機轉(zhuǎn)速、點火器功率、點火閥（副閥）占空比（用于液態(tài)單燃料模式）的調(diào)整。多路AD采集模塊如圖3所示。發(fā)動機地面控制單元主要分為手動模式和全自動模式。在手動模式下，通過對多路AD量采集實現(xiàn)對發(fā)動機的調(diào)控，從而保證發(fā)動機各執(zhí)行驅(qū)動機構的安全可靠性，為全自動模式下發(fā)動機自持運行提供保證。在全自動模式下，在實現(xiàn)對發(fā)動機的工況參數(shù)采集的基礎上，通過PID反饋調(diào)節(jié)實現(xiàn)對發(fā)動機各執(zhí)行機構的自主調(diào)控。2.3開關控制模塊。系統(tǒng)包含4路模式選擇信號的采集，分別用于手動/自動模式選擇、油泵類型選擇（有刷/無刷）、燃料模式選擇（液氣/純液）、啟動模式選擇（電機帶轉(zhuǎn)/高壓氣吹轉(zhuǎn)）。開關控制模塊如圖4所示。開關控制型號選用多模式可變開關，在不同模式下通過切換開關進行硬件隔離的切換電路，實現(xiàn)對發(fā)動機包括模式選擇、油泵類型選擇、燃料選擇、啟動模式選擇等控制方式的選擇。通過開關量的控制選擇能夠兼容多種發(fā)動機型號。2.4RS485通信模塊。系統(tǒng)采用STM32內(nèi)部集成的全雙工UART2串行接口，外擴MAX485芯片，構成地面控制單元與發(fā)動機協(xié)調(diào)器間的485通信。地面控制單元與發(fā)動機協(xié)調(diào)器之間通信方式的選擇，主要從發(fā)動機飛航測試的安全方面進行考慮，測試現(xiàn)場與控制臺需要保持一定的距離，同時也應保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)完整性，最終選擇RS485通信實現(xiàn)將發(fā)動機協(xié)調(diào)器采集的發(fā)動機工況參數(shù)信息傳輸至地面控制單元進行處理。RS485通信模塊如圖5所示。2.5RS232通信模塊將接收發(fā)動機的工況參數(shù)進行數(shù)據(jù)顯示，同時利用RS232通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端上位機進行數(shù)據(jù)存儲和分析；系統(tǒng)利用STM32內(nèi)部集成的UART2串行接口，通過外擴MAX3232芯片實現(xiàn)RS232電平和TTL電平相互轉(zhuǎn)換。RS232通信模塊如圖6所示。2.6數(shù)據(jù)存儲模塊為了保證后期發(fā)動機在進行實際環(huán)境下的飛航測試，即在沒有上位機數(shù)據(jù)存儲的情況下可以將發(fā)動機的飛航測試數(shù)據(jù)存儲下來進行后期分析，在發(fā)動機地面控制單元中加入了數(shù)據(jù)存儲模塊。該模塊由FM24CL64芯片構成，主要用于存儲發(fā)動機在運行狀態(tài)下的關鍵參數(shù)信息包括發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速、EGT溫度、油壓等。數(shù)據(jù)存儲模塊如圖7所示。2.7顯示模塊為了能夠更加直觀地顯示發(fā)動機的工況信息，在數(shù)碼管顯示發(fā)動機關鍵參數(shù)的基礎上，使用顯示屏顯示發(fā)動機的其他工況參數(shù)信息，包括實時顯示轉(zhuǎn)速、目標轉(zhuǎn)速、EGT溫度、油門百分比、油壓、推力值、點火器電流等。顯示模塊電路如圖8所示。

3軟件設計

3.1控制器軟件?？刂婆_子系統(tǒng)軟件設計是利用C語言在KeilμVision5開發(fā)平臺上實現(xiàn)的，采用STM32庫函數(shù)的編程方式，C編程語言實現(xiàn)模塊化設計。在主程序運行后，根據(jù)不同工作模式下的系統(tǒng)要求，調(diào)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端上位機RS232通信子程序等。其軟件流程如圖9所示。3.2上位機軟件。在VisualStudio2012開發(fā)平臺上，使用C#編程語言完成PC上位機軟件的設計。軟件的主要功能包括：獲取發(fā)動機工況參數(shù)信息，實現(xiàn)實時顯示功能；使用SQLServer數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)發(fā)動機工況參數(shù)存儲、打印、查詢等功能；提供二次開發(fā)接口，為實現(xiàn)發(fā)動機系統(tǒng)故障診斷功能奠定基礎。PC上位機軟件通過RS232接口，接收來自控制臺上傳的發(fā)動機工況參數(shù)信息，使用C#的窗體控件，設計出軟件整體框架。將接收的發(fā)動機工況數(shù)據(jù)進行解析，并將工況信息實時顯示在文本框內(nèi)。同時，將發(fā)動機工況數(shù)據(jù)在SQLServer2005數(shù)據(jù)庫中進行儲存和管理，通過導出按鈕實現(xiàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫存儲功能，也可以根據(jù)采集時間對發(fā)動機工況參數(shù)信息進行查詢。地面控制單元上位機軟件界面如圖10所示。

4結語

所設計的小型航空渦噴發(fā)動機地面控制單元，以某小型航空渦噴發(fā)動機為控制原型，通過設計完成其配套測試發(fā)動機地面控制單元，協(xié)調(diào)發(fā)動機引擎控制系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)動機在全自動和手動模式下的自持運行，同時通過加入硬件電路隔離實現(xiàn)兼容多種發(fā)動機型號控制，系統(tǒng)具備上位機實現(xiàn)發(fā)動機工況參數(shù)的實時采集和存儲功能。該系統(tǒng)可以為發(fā)動機的臺架測試和飛航測試提供安全保證，提高了發(fā)動機安全可靠性能，已成功應用在發(fā)動機飛航測試一線。

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作者:李曉艷 王鵬 呂志剛 許韞韜 單位:西安工業(yè)大學