CN113969841B - 基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪 - Google Patents

基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航空发动机电磁阀控制领域，具体涉及一种基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，实现了对燃油流量的精确控制，并且极大地提高了抗干扰能力。本发明基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，包括控制模块以及主电路模块，控制模块与主电路模块连接；主电路模块包括主功率电路单元以及滞环控制电路单元，滞环控制电路单元用于采样流过电磁阀线圈的电流，并将采样的电流通过比较器分别与控制模块给定的强激电流基准信号以及维持电流基准信号进行比较，将比较结果半波整形后选通，再将选通结果通过比较器与控制模块输出的脉冲进行比较，根据比较结果控制流过电磁阀的电流波形，本发明适用于航空发动机电磁阀控制仪。

Description

基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪
技术领域
本发明涉及航空发动机电磁阀控制领域，具体涉及一种基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪。
背景技术
电磁阀是一种通过对磁铁线圈通电以后带动电磁铁移动从而控制阀体开启或关闭不同排油孔的一种装置。普通的电磁阀响应特性较慢，而航空用快速电磁阀体积小、重量轻、响应速度快、稳定性好、控制精度高。随着航空电力电子技术的发展，快速电磁阀已经成为航空发动机控制系统的电-液转换装置的关键执行元件，广泛应用于航空发动机的燃油控制领域。
现有航空发动机电磁阀控制仪对燃油控制不准确、抗干扰能力弱，导致内外场出现多起严重质量问题，甚至威胁航空发动机在翼使用安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，实现了对燃油流量的精确控制，并且极大地提高了抗干扰能力。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，包括控制模块以及主电路模块，控制模块与主电路模块连接；所述主电路模块包括主功率电路单元以及滞环控制电路单元；
所述主功率电路单元用于输出流过电磁阀电流脉冲的频率，所述流过电磁阀电流脉冲的频率满足fv＝nDv(1-Dv)，n＞0，fv为流过电磁阀电流脉冲的频率，Dv是流过电磁阀电流脉冲的高电平对应的占空比，0≤Dv≤1；
所述控制模块用于设定电磁阀的导通占空比，给定强激电流基准信号以及维持电流基准信号，以及根据主功率电路单元输出的频率计算出对应占空比与频率的脉冲并输出至滞环控制电路单元；
所述滞环控制电路单元用于采样流过电磁阀线圈的电流，并将采样的电流通过比较器分别与控制模块给定的强激电流基准信号以及维持电流基准信号进行比较，将比较结果半波整形后选通，再将选通结果通过比较器与控制模块输出的脉冲进行比较，根据比较结果控制流过电磁阀的电流波形。
进一步的是，所述滞环控制电路单元包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、第十一二极管、第十二二极管、第十一电阻、第十二电阻、第一可变电阻以及第二可变电阻；所述第一比较器以及第二比较器的同相输入端分别通过第一可变电阻以及第二可变电阻与电磁阀线圈电流采样端连接，第一比较器的反相输入端接收控制模块给定的强激电流基准信号或维持电流基准信号，第二比较器的反相输入端接收控制模块给定的维持电流基准信号或强激电流基准信号，第一比较器以及第二比较器的输出端与同相输入端之间分别连接有第十一电阻以及第十二电阻，第一比较器的输出端与第十一二极管的阴极连接，第十一二极管的阳极与第三比较器的同相输入端连接，第二比较器的输出端与第十二二极管的阴极连接，第十二二极管的阳极与第三比较器的同相输入端连接，第三比较器的同相输入端还与外部电源连接，第三比较器的反相输入端接收控制模块输入的脉冲信号，第三比较器的输出端输出控制信号控制流过电磁阀的电流波形。
进一步的是，所述主功率电路单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及稳压二极管，所述第三MOS管的栅极接收控制模块的使能信号，源极接地，漏极分别与第一MOS管的栅极以及外部电压输入端连接；所述第一MOS管的源极接地，并且还分别与滞环控制电路单元第一比较器及第二比较器的同相输入端连接，第一MOS管的漏极与电磁阀的负极连接；所述第二MOS管的源极与外部电压输入端连接，第二MOS管的栅极与滞环控制电路单元的第三比较器的输出端连接，第二MOS管的漏极与电磁阀的正极连接。
进一步的是，主功率电路单元还包括第四二极管以及第三电阻，所述第四二极管的阴极与第二MOS管的漏极连接，阳极通过第三电阻接地。
进一步的是，主功率电路单元还包括第二二极管，第二二极管的阳极与第一MOS管的漏极连接，第二二极管的阴极与外部电压输入端连接。
进一步的是，主功率电路单元还包括第五电阻，第三MOS管的漏极通过第五电阻与外部电压输入端连接。
进一步的是，所述主电路模块还包括短路保护电路单元，所述短路保护电路单元包括第四比较器，所述第四比较器的同相输入端与电磁阀线圈电流采样端连接，反相输入端接收2.5V的基准电压，输出端与控制模块连接。
进一步的是，基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪还包括接口模块，所述接口模块分别与控制模块以及主电路模块连接，所述接口模块用于将外部信号转接至控制模块以及主电路模块。
进一步的是，所述控制模块包括按键、显示屏以及微处理器，按键用于设定电磁阀的导通占空比，显示屏用于显示当前占空比，微处理器用于根据主功率电路单元输出的频率计算出对应输出占空比与频率的脉冲，所述微处理器的型号为STM32F103RCT6。
本发明通过滞环控制电路单元用于采样流过电磁阀线圈的电流，并将采样的电流通过比较器分别与控制模块给定的强激电流基准信号以及维持电流基准信号进行比较，将比较结果半波整形后选通，再将选通结果通过比较器与控制模块输出的脉冲进行比较，根据比较结果控制流过电磁阀的电流波形，实现了对燃油流量的精确控制，并且极大地提高了抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明主功率电路单元电路结构图。
图2为本发明滞环控制电路单元电路结构图。
图3为本发明短路保护电路单元电路结构图。
图4为本发明控制仪的控制流程图。
图5为本发明不同占空比的测试波形图。
图6为本发明输入欠压、过压和输出短路的保护波形。
附图中，UA为第一比较器，UB为第二比较器，UC为第三比较器，D11为第十一二极管，D12为第十二二极管，R11为第十一电阻，R12为第十二电阻，RP1为第一可变电阻，RP2为第二可变电阻，Q1为第一MOS管，Q2为第二MOS管，Q3为第三MOS管，D3为稳压二极管，D4为第四二极管，R3第三电阻，D2为第二二极管，R5为第五电阻，U31为第四比较器。
具体实施方式
本发明基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，包括控制模块以及主电路模块，控制模块与主电路模块连接；所述主电路模块包括主功率电路单元以及滞环控制电路单元；
主功率电路单元用于输出流过电磁阀电流脉冲的频率，所述流过电磁阀电流脉冲的频率满足fv＝nDv(1-Dv)，n＞0，fv为流过电磁阀电流脉冲的频率，Dv是流过电磁阀电流脉冲的高电平对应的占空比，0≤Dv≤1；
控制模块用于设定电磁阀的导通占空比，给定强激电流基准信号以及维持电流基准信号，以及根据主功率电路单元输出的频率计算出对应占空比与频率的脉冲并输出至滞环控制电路单元；
滞环控制电路单元用于采样流过电磁阀线圈的电流，并将采样的电流通过比较器分别与控制模块给定的强激电流基准信号以及维持电流基准信号进行比较，将比较结果半波整形后选通，再将选通结果通过比较器与控制模块输出的脉冲进行比较，根据比较结果控制流过电磁阀的电流波形。
快速电磁阀需要采用脉冲宽度调制来进行控制，通过控制流过电磁阀电流脉冲的占空比来调节阀口开关的时间，从而实现对燃油流量的连续和精确控制。为了提高快速电磁阀的使用寿命和燃油控制精度，快速电磁阀采用调节强激电流和维持电流的持续时间，实现燃油流量的精确控制。在电磁阀开通时，电磁阀衔铁需要克服机械惯性，需要给予电磁阀强激电流来使其开通，在吸合后如果仍然保持原有的强激电流，不仅造成电能的浪费，还会因电磁铁线圈长期流过大电流，使其发热，影响电磁阀的使用寿命。因此，当电磁阀开通以后，为了减小损耗，提高效率，可以降低流过电磁阀的电流，使其流过较小的电流维持电磁阀的导通状态，即维持电流来维持其导通。
本发明通过使用滞环控制方法实现快速电磁阀两端电压的脉宽调制，精确控制流过快速电磁阀的强激电流和维持电流的幅值，使用变频变占空比的方法控制流过快速电磁阀脉冲的占空比。
其中滞环控制电路单元包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、第十一二极管、第十二二极管、第十一电阻、第十二电阻、第一可变电阻以及第二可变电阻；所述第一比较器以及第二比较器的同相输入端分别通过第一可变电阻以及第二可变电阻与电磁阀线圈电流采样端连接，第一比较器的反相输入端接收控制模块给定的强激电流基准信号或维持电流基准信号，第二比较器的反相输入端接收控制模块给定的维持电流基准信号或强激电流基准信号，第一比较器以及第二比较器的输出端与同相输入端之间分别连接有第十一电阻以及第十二电阻，第一比较器的输出端与第十一二极管的阴极连接，第十一二极管的阳极与第三比较器的同相输入端连接，第二比较器的输出端与第十二二极管的阴极连接，第十二二极管的阳极与第三比较器的同相输入端连接，第三比较器的同相输入端还与外部电源连接，第三比较器的反相输入端接收控制模块输入的脉冲信号，第三比较器的输出端输出控制信号控制流过电磁阀的电流波形。
主功率电路单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及稳压二极管，所述第三MOS管的栅极接收控制模块的使能信号，源极接地，漏极分别与第一MOS管的栅极以及外部电压输入端连接；所述第一MOS管的源极接地，并且还分别与滞环控制电路单元第一比较器及第二比较器的同相输入端连接，第一MOS管的漏极与电磁阀的负极连接；所述第二MOS管的源极与外部电压输入端连接，第二MOS管的栅极与滞环控制电路单元的第三比较器的输出端连接，第二MOS管的漏极与电磁阀的正极连接。
主功率电路单元还包括第四二极管以及第三电阻，所述第四二极管的阴极与第二MOS管的漏极连接，阳极通过第三电阻接地。
主功率电路单元还包括第二二极管，第二二极管的阳极与第一MOS管的漏极连接，第二二极管的阴极与外部电压输入端连接。
主功率电路单元还包括第五电阻，第三MOS管的漏极通过第五电阻与外部电压输入端连接。
主电路模块还包括短路保护电路单元，所述短路保护电路单元包括第四比较器，所述第四比较器的同相输入端与电磁阀线圈电流采样端连接，反相输入端接收2.5V的基准电压，输出端与控制模块连接。
基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪还包括接口模块，所述接口模块分别与控制模块以及主电路模块连接，所述接口模块用于将外部信号转接至控制模块以及主电路模块。
控制模块包括按键、显示屏以及微处理器，按键用于设定电磁阀的导通占空比，显示屏用于显示当前占空比，微处理器用于根据主功率电路单元输出的频率计算出对应输出占空比与频率的脉冲，所述微处理器的型号为STM32F103RCT6。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图2为本发明滞环控制电路单元电路结构图，如图所示，第一比较器UA以及第二比较器UB的同相输入端分别通过第一可变电阻RP1以及第二可变电阻RP2与电磁阀线圈电流采样端CS连接，第一比较器UA的反相输入端接收控制模块给定的强激电流基准信号VRef_P，第二比较器UB的反相输入端接收控制模块给定的维持电流基准信号VRef_H，第一比较器UA以及第二比较器UB的输出端与同相输入端之间分别连接有第十一电阻R11以及第十二电阻R12，第一比较器UA的输出端与第十一二极管D11的阴极连接，第十一二极管D11的阳极与第三比较器UC的同相输入端连接，第二比较器UB的输出端与第十二二极管D12的阴极连接，第十二二极管D12的阳极与第三比较器UC的同相输入端连接，第三比较器UC的同相输入端还通过电阻R13与外部电源VCC连接，第三比较器UC的反相输入端接收控制模块输入的脉冲信号PWM，第三比较器UC的输出端输出控制信号Gate控制流过电磁阀的电流波形。
图1为本发明主功率电路单元电路结构图，如图所示，第三MOS管Q3的栅极接收控制模块的使能信号SD，源极接地，栅极与源极之间连接有第六电阻R6，漏极与第一MOS管Q1的栅极连接，第三MOS管Q3的漏极还与稳压二极管D3的阴极连接，D3的阳极接地；第一MOS管Q1的栅极还通过第五电阻R5与电压输出端VIN连接，第一MOS管Q1的源极通过第二电阻R2接地，并且与电磁阀线圈电流采样端CS连接，第一MOS管Q1的漏极通过第一电阻R1与电磁阀的负极连接，第一MOS管Q1的漏极还与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极与电压输出端VIN连接，电压输出端连接有二极管D1与电容C1；第二MOS管Q2的源极与电压输出端VIN连接，第二MOS管Q2的栅极与滞环控制电路单元的第三比较器UC的输出端连接，第二MOS管Q2的漏极与电磁阀的正极连接，第二MOS管Q2的源极与栅极之间连接有第四电阻R4，第二MOS管Q2的漏极还与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极通过电阻R3接地；
VIN为27V直流输入电压，27V输入电压经过主功率电路变换后，形成满足公式fv＝nDv(1-Dv)的电流脉冲流过电磁阀线圈，n优选取值160；PWM+和PWM-为电磁阀控制仪的输出端口，分别连接电磁阀线圈的两端；通过控制Gate信号的高低电平实现电磁阀线圈的电流波形的精确控制；由CS采样流过电磁阀线圈的电流；由SD端输出的高低电平来使能控制仪，控制仪正常工作时，SD为低电平，Q3关断，D3为12V稳压二极管，Q1的栅极为被D3恒定在12V高电平，Q1导通，控制仪正常工作；SD端为高电平时，Q3导通，Q1的栅极为低电平，此时Q1关断，控制仪关闭。
图3为本发明短路保护电路单元电路结构图，如图所示，第四比较器U31的同相输入端与电磁阀线圈电流采样端CS连接，反相输入端通过电阻R31与控制模块连接，输出端通过电阻R32以及电阻R33与控制模块连接，U32使用TL431产生2.5V基准电压，当CS超过TL431提供的2.5V基准，比较器U31将输出高电平，OC_sense将该高电平信号输入主控单元的微控制器，控制仪将在当前周期内关闭Q1和Q2，当主控单元在连续四个采样周期内都检测到短路状态，则关闭控制仪的Q1和Q2，进入短路保护状态，直至控制仪重新上电复位后开始工作。
图4为本发明控制仪的控制流程图，接通电源开机后，系统自动进行初始化，程序会自动进行开机检测，检测电路是否有短路或者过欠压故障。系统运行过程中，程序会一直检测是否有按键按下，是否有短路或者过欠压故障；
当电路故障，SD置高电平，断开回路并报警；没有故障则输出默认占空比；未检测到电路故障的情况下，会检测是否有按键按下，当有按键按下，按键值改变，读取按键值并改变频率和占空比。
图5为本发明不同占空比的测试波形图，当输入电压为27V时，图5(a)为占空比为10％的电磁阀线圈的电压和电流波形，(b)为占空比为50％的电磁阀线圈的电压和电流波形，(c)为占空比为80％的电磁阀线圈的电压和电流波形，(d)为占空比为100％的电磁阀线圈的电压和电流波形，随着占空比增加，电磁阀导通时间占整个周期的比例越来越大，流过电磁阀线圈的强激电流和维持电流波形符合规格要求，占空比为10％、50％、80％的周期分别为69.4mS、25mS和39.1mS，符合要求，其电流波形占空比也与设定的占空比保持一致，符合测试规范。
输入欠压、过压和输出短路的保护波形分别如图6(a)、(b)、(c)所示，输入欠压、输入过压和输出短路保护的有效性避免了测试现场人为差错误操作造成电磁阀控制仪的损坏。
综上所述，本发明实现了对燃油流量的精确控制，并且极大地提高了航空发动机电磁阀控制仪的抗干扰能力。

Claims (10)

1.基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，包括控制模块以及主电路模块，控制模块与主电路模块连接，所述主电路模块包括主功率电路单元以及滞环控制电路单元；
所述主功率电路单元用于输出流过电磁阀电流脉冲的频率，所述流过电磁阀电流脉冲的频率满足fv＝nDv(1-Dv)，n＞0，fv为流过电磁阀电流脉冲的频率，Dv是流过电磁阀电流脉冲的高电平对应的占空比，0≤Dv≤1；
所述控制模块用于设定电磁阀的导通占空比，给定强激电流基准信号以及维持电流基准信号，以及根据主功率电路单元输出的频率计算出对应占空比与频率的脉冲并输出至滞环控制电路单元；
所述滞环控制电路单元用于采样流过电磁阀线圈的电流，并将采样的电流通过比较器分别与控制模块给定的强激电流基准信号以及维持电流基准信号进行比较，将比较结果半波整形后选通，再将选通结果通过比较器与控制模块输出的脉冲进行比较，根据比较结果控制流过电磁阀的电流波形。
2.根据权利要求1所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，所述滞环控制电路单元包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、第十一二极管、第十二二极管、第十一电阻、第十二电阻、第一可变电阻以及第二可变电阻；所述第一比较器以及第二比较器的同相输入端分别通过第一可变电阻以及第二可变电阻与电磁阀线圈电流采样端连接，第一比较器的反相输入端接收控制模块给定的强激电流基准信号或维持电流基准信号，第二比较器的反相输入端接收控制模块给定的维持电流基准信号或强激电流基准信号，第一比较器以及第二比较器的输出端与同相输入端之间分别连接有第十一电阻以及第十二电阻，第一比较器的输出端与第十一二极管的阴极连接，第十一二极管的阳极与第三比较器的同相输入端连接，第二比较器的输出端与第十二二极管的阴极连接，第十二二极管的阳极与第三比较器的同相输入端连接，第三比较器的同相输入端还与外部电源连接，第三比较器的反相输入端接收控制模块输入的脉冲信号，第三比较器的输出端输出控制信号控制流过电磁阀的电流波形。
3.根据权利要求2所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，所述主功率电路单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及稳压二极管，所述第三MOS管的栅极接收控制模块的使能信号，源极接地，漏极分别与第一MOS管的栅极以及外部电压输入端连接；所述第一MOS管的源极接地，并且还分别与滞环控制电路单元第一比较器及第二比较器的同相输入端连接，第一MOS管的漏极与电磁阀的负极连接；所述第二MOS管的源极与外部电压输入端连接，第二MOS管的栅极与滞环控制电路单元的第三比较器的输出端连接，第二MOS管的漏极与电磁阀的正极连接。
4.根据权利要求3所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，主功率电路单元还包括第四二极管以及第三电阻，所述第四二极管的阴极与第二MOS管的漏极连接，阳极通过第三电阻接地。
5.根据权利要求3所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，主功率电路单元还包括第二二极管，第二二极管的阳极与第一MOS管的漏极连接，第二二极管的阴极与外部电压输入端连接。
6.根据权利要求3所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，主功率电路单元还包括第五电阻，第三MOS管的漏极通过第五电阻与外部电压输入端连接。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，所述主电路模块还包括短路保护电路单元，所述短路保护电路单元包括第四比较器，所述第四比较器的同相输入端与电磁阀线圈电流采样端连接，反相输入端接收2.5V的基准电压，输出端与控制模块连接。
8.根据权利要求1所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，还包括接口模块，所述接口模块分别与控制模块以及主电路模块连接，所述接口模块用于将外部信号转接至控制模块以及主电路模块。
9.根据权利要求1所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，所述控制模块包括按键、显示屏以及微处理器，按键用于设定电磁阀的导通占空比，显示屏用于显示当前占空比，微处理器用于根据主功率电路单元输出的频率计算出对应输出占空比与频率的脉冲。
10.根据权利要求9所述的基于滞环控制的航空发动机电磁阀控制仪，其特征在于，所述微处理器的型号为STM32F103RCT6。
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