與活塞發(fā)動機相比，渦輪噴氣發(fā)動機(以下簡稱渦噴發(fā)動機)在推重比方面的優(yōu)勢無可爭議,。如果將之微型化,，將使小型無人飛行器獲取較高的速度和載荷能力。因此,，研制微型渦噴發(fā)動機在軍用和民用領域都有深遠的意義,。目前，美,、德,、丹麥等國家都有相當成熟的微型渦噴發(fā)動機產品，已成功應用到航模和無人機上,。但在國內,，無論是發(fā)動機本身還是其控制系統(tǒng)，都屬于較新領域^[1],。
　　本文針對國產某系統(tǒng)發(fā)動機,，設計了基于C8051F021和MicroStar RTOS的微型渦噴發(fā)動機通用控制系統(tǒng)。它以處理器為核心,，集傳感器,、伺服機構、人機接口" title="人機接口">人機接口為一體,、體積小,、重量輕，提供了與主控系統(tǒng)的指令接口和與地面測試設備的檢測接口,，功能完善,。
　　微型渦噴發(fā)動機計算機控制系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

　　控制器接收遙控接收機(或主控計算機)發(fā)出的PCM(Pulse Coding Modulation,，脈沖編碼調制)形式的推力和起停指令,，驅動油泵、油閥,、點火器等伺服機構,，實時測量發(fā)動機的溫度和轉速，完成自動點火,、加速,、減速、轉速穩(wěn)定,、超溫超速保護等控制功能,，并將狀態(tài)參數通過RS232總線實時發(fā)送到PC機。通過手持終端,，可修改系統(tǒng)參數,。
　　為便于系統(tǒng)調試和測試發(fā)動機性能，還開發(fā)了運行于Windows平臺的實時檢測軟件ECU1.0(Engine Control Unit, Version1.0),。
1 硬件設計
　　C8051F021單片機是美國Cygnal公司推出的一款高性能8位SOC單片機,。主要有以下優(yōu)點：
　　(1)采用了流水線技術，峰值處理速度可達25MIPS,，遠遠高于其它51單片機,。
　　(2)具有12位8通道逐次比較式ADC,數據轉換速率可達100ksps。
　　(3)具有4K字節(jié)的片上RAM和64K字節(jié)的Flash程序存儲器,。在本應用系統(tǒng)中,，無需擴展存儲器。
　　(4)可提供五路可編程的PWM控制信號,。
　　(5)豐富的定時器資源,，具有五個硬件定時器。
　　(6)提供I²C總線控制模塊和兩個UART口,。
　　(7)片內FLASH支持IAP(在應用可編程),。因此，不常修改的數據如配置參數,、查詢表等可直接存放于片內的FLASH內,，而不需外擴非易失性存儲體。
　　C8051F021單片機具有豐富的片上硬件資源及高運算速度,，對本控制系統(tǒng),，幾乎不需擴展即可滿足控制系統(tǒng)對硬件資源的需求并有較大裕量。圖2為系統(tǒng)硬件結構圖,。

1.1 轉速測量模塊
　　發(fā)動機的轉速采用紅外對管來測量,。發(fā)動機的軸上鉆有一通孔,，安裝時使發(fā)送-接收管的連線通過該孔。發(fā)動機每轉一周,，紅外接收管會導通兩次,。由于通、斷狀態(tài)是漸變的,，再加上普通紅外管開關速度較低,，在發(fā)動機高速運轉(可達120000RPM)時，接收管輸出的脈沖信號幅值很小,，而且上升沿/下降沿較為平緩,，單片機無法準確識別，必須加以整形,。整形電路如圖3所示,。

　　信號通過電容C6耦合至運放AR1的同相輸入端，(以2.5V為參考點)進行高倍數放大,，以保證即使在高轉速下,，脈沖的峰-峰幅值也接近5V供電電壓。運放AR3用于實現回滯比較器,，提高抗干擾能力,，其輸出信號至單片機T4EX腳。利用定時器4的邊沿捕捉功能可方便地測出相鄰脈沖間的時間間隔,，從而換算出速度,。
1.2 溫度測量模塊
　　發(fā)動機體內的溫度是發(fā)動機安全、可靠工作的重要指標,。由于發(fā)動機較小,，考慮到裝配的方便，以尾噴管的溫度表征發(fā)動機的工作溫度,。
　　試驗表明,，尾噴管的溫度最高可達900℃。出于測溫" title="測溫">測溫范圍,、成本等方面的考慮,，選用鎳鉻－鎳硅(Ni,Cr,Si)熱電偶作為測溫元件。鎳鉻－鎳硅熱電偶具有良好的線性度,，測溫范圍為0～1000℃,。由于發(fā)動機對溫度測量精度的要求并不苛刻，采用熱敏電阻進行溫度補償,。

1.3 PWM驅動模塊
　　系統(tǒng)中氣閥和點火器,、啟動電機和油泵電機等伺服機構采用PWM方式控制。啟動電機、齒輪泵的工作電流較大,，可達14A,。宜選用過流大且導通電阻小的MOS管或壓降小的肖特基二極管。本系統(tǒng)選用過流為120A,、導通電阻7.5mΩ的MOS管,。但試驗表明，MOS管工作溫度仍然較高,，故采用兩片并聯(lián)驅動方式,。一路PWM控制單元的原理圖如圖4所示,。
　　電阻R6的主要作用是當無控制輸入信號時(如線路故障,、單片機復位過程中)，MOS管保持關閉,，伺服機構不動作,。MOS管開通時，通過Q4對MOS管輸入電容快速充電,；關斷時,，MOS管的輸入電容通過D3和Q3快速放電。采用上述具有較高開關速度的電路,可有效減少MOS管的發(fā)熱量,。
1.4 系統(tǒng)通訊總線
　　I²C總線成本低廉,，連線簡單，并有一定的抗干擾能力,，同時可連結多個器件,，故選用I²C總線作為系統(tǒng)通訊總線。手持終端,、信號燈均通過I²C總線與系統(tǒng)板連接,，并由串轉并芯片PCF8574驅動。
2 系統(tǒng)軟件
　　本系統(tǒng)主要完成發(fā)動機控制任務與人機接口任務,。直接采用處理器開發(fā)軟件時,，由于時間上的并存，這兩個任務處理將嚴重耦合,。此外,，與人機接口相關的函數調用必須設計為非阻塞模式，否則,，當出現諸如I²C總線等故障時,，控制流程無法繼續(xù)向下執(zhí)行。
　　RTOS能合理地分配處理器資源,，使多個任務在宏觀上達到并行運行的效果,，可大大降低任務間的耦合，提高系統(tǒng)的可靠性。即使某個任務長時間被阻塞,，也不會影響到其它任務,。因此，采用RTOS進行軟件開發(fā)更為簡單和可靠,。本系統(tǒng)采用MicroStar RTOS V1.0^[3],。MicroStar RTOS是針對中低檔單片機而設計的嵌入式實時操作系統(tǒng)內核。它同時支持按時間片輪轉,、按優(yōu)先級搶占,、二者結合共三種調度策略，具有完善的任務管理功能可提供定時,、延時服務,，支持消息、信號(Signal)通訊機制,，支持臨界代碼段保護,，提供二進制、計數型信號量(Semaphore)同步對象等,，支持Bottom-half中斷管理機制,。
　　本控制器選用按優(yōu)先級搶占調度策略，系統(tǒng)時鐘周期設定為2ms,。共創(chuàng)建了三個用戶任務：人機接口主任務,、控制任務以及與PC機通訊任務。
2.1 MicroStar RTOS在51單片機上的移植
　　由于51單片機內核上的原因,，為了代碼優(yōu)化,，Keil C51編譯器采用一些獨特的方法，與ANSI C編譯器相比,，有較大的差異,。因而相對于其它硬件平臺，在51單片機上移植MicroStar RTOS時修改較多,，主要包括以下幾類：
　　(1)Keil C51不僅有數據類型,，還有存儲類型，因此為系統(tǒng)變量添加了存儲類型修飾符,。
　　(2)默認情況下Keil C51對未能在寄存器中分配的臨時變量采用靜態(tài)分配策略,，許多系統(tǒng)函數因此而不可重入，必須對這些函數添加reentrant函數來強迫編譯器在模擬棧中分配臨時變量,。
　　(3)除了硬件堆棧外,，Keil C51編譯器在軟件上實現了模擬棧，因此在堆棧保護中需加入對模擬棧的保護,。
　　(4)修改 os_cpu.h 文件中的INITIAL_ STACK任務堆棧初始化宏,、改寫os_Schedule調度函數等。這一點與其它平臺無異。
2.2 人機接口主任務
　　人機接口主任務主要負責系統(tǒng)自檢,、鍵盤掃描,、液晶顯示、指令解析等,，其流程圖如圖5所示,。

　　主任務有測試和正常兩種運行模式。在開機按特定鍵或系統(tǒng)自檢失敗時,將進入測試模式,。測試模式中擁有系統(tǒng)參數設定,、脈寬指令學習、測試各路伺服機構的權限,，但不具備運行發(fā)動機的權限,。正常模式下僅具備運行發(fā)動機的權限，但不能修改任何參數,，以降低對系統(tǒng)參數意外改寫的風險,。在激活控制任務之前,，主任務將進行包括程序代碼校驗,、配置參數校驗、溫度傳感器檢查等的軟硬件模塊檢查,。這些措施均能提高系統(tǒng)的可靠性,。
　　MicroStar RTOS提供周期性定時服務。主任務通過os_SetTimer設定一個50ms的鍵盤掃描定時器,、一個100ms的LCD顯示刷新定時器,。當定時時間到時，定時器會給任務發(fā)送消息,。調用os_GetMessage獲取消息后,，調用鍵盤處理函數和顯示函數來分別處理與之對應的消息。
2.3 控制任務
　　一次完整的發(fā)動機運行可分為如圖6所示的幾個階段,?？刂迫蝿瞻催@些階段循環(huán)進行，任一階段內出現異常狀況,，任務都進入停車狀態(tài),。具體階段為：
　　(1)待命階段。發(fā)動機的狀態(tài)滿足運行要求,，等待以PCM碼方式輸入的啟動命令,。規(guī)定以大車指令對應的脈寬為啟動命令。
　　(2)點火階段,。電機轉速在設定的上下限內波動,，助燃丁烷氣閥打開，向發(fā)動機體內注入易燃氣，同時開啟點火器對氣體加熱,，當氣體點燃使尾噴管溫度升高到設定值時,，認為點火成功。
　　(3)著車階段,。油泵開始工作,，供油量逐漸增大，點火器,、氣閥,、啟動電機先后關閉，發(fā)動機轉速開始加速,。當轉速和溫度均超過設定值時,，認為著車成功。
　　(4)熱車階段,。發(fā)動機成功著車之后,，不宜立即投入工作，需在慢車(怠速)狀態(tài)下持續(xù)運行一段時間,。
　　(5)正常運行階段,。PID控制算法投入運行。
　　(6)停車階段,。油泵停止運行,，啟動電機會根據溫度間歇性地開啟，在有利于發(fā)動機散熱的條件下,，盡可能地節(jié)省電能,。

3 控制律設計
　　按控制內容劃分，微型渦噴發(fā)動機的控制項目分為以下幾類：
　　(1)過程控制,。使發(fā)動機迅速,、穩(wěn)定、可靠地完成過渡工作狀態(tài),，包括啟動控制,、加速控制、減速控制,。啟動控制保證發(fā)動機正常點火和順利啟動,。加速控制的目的是在發(fā)動機不超溫的前提下，改變供油量,，使加速時間盡可能縮短,。減速控制使收油門時減油不致過猛，防止燃燒室貧油熄火,。
　　(2)推力控制,。目的是給發(fā)動機提供所需的推力,。飛行器空中飛行時發(fā)動機推力不易直接測量，但發(fā)動機轉速能夠表征發(fā)動機的推力,，故通過轉速控制" title="轉速控制">轉速控制實現推力控制,。
　　(3)安全控制。目的是保證發(fā)動機安全,、可靠地工作,。包括超溫保護、超速保護,、電池電壓欠壓保護等,。
3.1 啟動控制
　　啟動時間越短越好，因而發(fā)動機增速要快,。簡單地提高供油量雖然可以提高發(fā)動機的增速,，但容易因過度“富油”而超溫?！案挥汀爆F象是指當供油量增速過快時,，由于發(fā)動機的慣性大于油泵的慣性，使發(fā)動機轉速增量相對落后,，吸入空氣相對油量不足,，以致燃油燃燒不充分，嚴重時,，發(fā)動機體內的溫度會急劇上升,，尾氣中會出現火苗,，這種現象對發(fā)動機極為有害,。為減輕“富油”現象，在著車過程控制中引入溫度和升溫速度反饋,。當溫度超過警戒值或者升溫速度超過警戒值時,，供油量將停止增加。
3.2 轉速控制
　　轉速控制采用工程上常用的位置式數字PID控制算法,。對本系統(tǒng)而言,，控制量為油泵的PWM占空比" title="占空比">占空比。占空比為負值是沒有物理意義的,，需在PID的輸出之上加入工作點,，使輸出在工作點上下調整。轉速控制框圖如圖7所示,。

　　其中,，F(N₀)為工作點產生函數，表示指令轉速N對應的占空比參考值,，即工作點,，通過試驗來獲取,，軟件實現時采用查表法和線性插值法。限幅環(huán)節(jié)保證油泵占空比既不會小于怠速時的占空比,，以避免熄火,；也不會大于設定的最大值，以避免過速危險,。油門加速度限幅環(huán)節(jié)一方面限制了加油速度,，防止因加油過快而超溫；另一方面限制了收油速度,，防止因收油過快而貧油熄火,。油門加速度限幅簡單地實現了加速控制和減速控制。
　　由于油泵占空比與發(fā)動機轉速間的非線性關系(如圖8所示),，采用了分段PID方法,，即不同階段采用不同的PID參數。單就Kp而言,，由圖可看出：在低轉速段,，曲線的斜率較陡，轉速對占空比的變化敏感,，Kp取值較小,，避免了超調過大和振蕩；而在高轉速段,，曲線上升非常平緩,，Kp取較大值，以提高響應速度,。同樣地,，為取得較好的性能，Ki,、Kd在不同的轉速段也應取不同的值,。在本系統(tǒng)中共分為三段。

4 系統(tǒng)測試
　　本系統(tǒng)已進行了多次臺架試驗,。試驗中,，被控對象選用國產500牛推力的某型渦噴發(fā)動機，原始數據利用運行于PC機平臺上的ECU V1.0通過串行口獲得,。
4.1 檢測軟件ECU V1.0
　　為便于系統(tǒng)調試和測試,，自行開發(fā)了軟件ECU V1.0。它能將發(fā)動機各種參數實時記錄下來,，以曲線方式動態(tài)地顯示出來,，以便分析各個參量間的相關性，并具有發(fā)送控制命令,、報警等輔助功能,。圖8,、圖9均由該軟件生成。