CN114687867B - 一种微型涡喷发动机控制系统及起动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种微型涡喷发动机控制系统及起动控制方法，系统包括辅助控制器、主控制器、操纵台控制器和测控系统。其中辅助控制器安装于发动机机壳内，实现起动电机驱动、热火头驱动、阀门驱动、振动测量、温度测量、转速测量；主控制器直接驱动油泵，控制辅助控制器实现主要控制算法，并通过发动机台架测量推力；操纵台控制器实现各执行机构动作指令的给定、油门推杆信号给定、反馈信号获取；辅助控制器、主控制器和操纵台控制器间通过总线进行通信；测控系统连接至主控制器，实现对传感器参数的显示、对执行机构的手动控制、试验数据记录。本发明通过控制系统实现对微型涡喷发动机的起动及运行控制，具有连接简单、控制精度高、组合灵活、试验方便等优点。

Description

一种微型涡喷发动机控制系统及起动控制方法

技术领域

本发明涉及航空电子控制技术领域。尤其涉及微型涡喷发动机控制系统及起动控制方法。

背景技术

微型涡喷发动机是一种特殊的航空发动机，具有体积小、重量轻、推重比大等特点，在军用和民用领域具有广阔的应用前景。

微型涡喷发动机用途广泛，除了作为小型航空器，如无人机、导弹等的推进动力装置，还可以作为高功率密度的发电动力装置，带动发电机构成大功率电源设备，在电力行业有广泛的应用，近年来以微型涡喷发动机为核心的分布式电源系统逐渐受到高度重视。

在控制器研究方面，目前微型涡喷发动机大多采用集中式控制器，即使用单一控制器连接各传感器(温度传感器、转速传感器、压力传感器)和执行机构(燃油泵、电磁阀、启动电机、点火装置)。这种控制器的设计方式在实物系统中往往会造成连线混乱、灵活性低、可扩展性差等问题。

发明内容

本发明旨在提供一种基于总线通信的分布式微型涡喷发动机控制系统设计方案及发动机起动方法，解决现有集中式控制系统存在的问题。

本发明的技术方案：

一种微型涡喷发动机控制系统，包括辅助控制器、主控制器、操纵台控制器以及测控系统；其中，

所述的辅助控制器、主控制器和操纵台控制器间采用LIN总线通信装置通信；

所述的辅助控制器包括起动电机、点火器、阀门、振动测量装置、温度测量装置和转速测量装置，其安装于发动机机壳内，实现起动电机驱动、点火器驱动、阀门驱动、振动测量、温度测量和转速测量；

所述的起动电机采用直流无刷电机，安装于涡喷发动机前端，通过机械脱扣器带动涡喷发动机主轴旋转，其功率驱动及调速电路集成于辅助控制器中；

所述的点火器为发动机点火装置，其为耐高温合金发热丝，安装于发动机燃烧室与压气机之间，用于引燃点火油路输出的燃料，进而点燃发动机燃烧室的燃气，其驱动装置集成于辅助控制器；

所述的阀门包括点火油路阀门和主燃油阀门，为开关型直流驱动常闭型阀门，安装于涡喷发动机前端机壳内，其驱动装置集成于辅助控制器；

所述的振动测量装置为声学振动测量装置，用于测量发动机振动，由辅助控制器控制采集信号并进行信号处理；

所述的温度测量装置为基于热电偶传感器的温度测量装置，热电偶传感器的测温端位于发动机涡轮出口，信号测量端位于辅助控制器，用于测量发动机排气温度；

所述的转速测量装置为磁阻传感器，与安装于发动机主轴的径向磁铁配合测量发动机主轴转速，磁阻传感器及其信号调理电路均位于辅助控制器上；

所述的主控制器包括油泵和推力测量装置；

所述的主控制器直接驱动油泵，控制辅助控制器实现主要控制算法，并通过安装在发动机台架上的应变式传感器测量推力；所述油泵采用直流无刷电机驱动的齿轮泵，通过控制电机转速精确控制燃油流量，油泵入口连接至油箱，油泵出口连接至涡喷发动机燃油入口，油泵驱动及控制装置集成于主控制器，实现转速闭环控制；

所述的推力测量装置使用安装在发动机台架上的桥式应变型传感器测量发动机推力，其信号采集与转换装置位于主控制器；

所述的操纵台控制器实现各执行机构动作指令的给定、油门推杆信号给定、反馈信号获取；所述的操纵台控制器集成有油门推杆、指示灯、开关、显示屏等人机交互装置，同时具有LIN总线通信接口、USB接口、有线网络接口；

所述LIN总线通信装置为单总线通信系统，其收发器分别位于辅助控制器、主控制器、操纵台控制器上，三者通过同一总线进行连接和数据交互；

所述的测控系统连接至主控制器，实现对传感器参数的显示、对执行机构的手动控制、试验数据记录；所述的测控系统实现对传感器参数的显示、对执行机构的手动控制、试验数据记录。

一种微型涡喷发动机的起动控制方法，步骤如下：

步骤1，起动电机起动：控制起动电机将发动机主轴带转至转速n1；

步骤2，点火：控制点火器加热，输出加热功率P1时间t1后启动油泵以最低转速运行，同时控制点火油路阀门开启，将燃油输送至点火器将其引燃；

步骤3，预热：发动机点火成功后，会产生周期爆燃声，同时排气温度会逐渐上升，当温度上升至T1时预热阶段结束；

步骤4，加速：预热阶段结束后，开启主燃油路阀门，同时控制油泵以dn1的加速斜率缓慢增加供油量、控制起动电机以dn2的加速斜率加速至n2；当排气温度大于T2时视为燃烧室启动成功，此时关闭点火器、关闭点火油路阀门；然后控制油泵以dn3的加速斜率、控制起动电机以dn4的加速斜率将发动机带转至n3；

步骤5，脱开：当发动机转速大于n3时，关闭起动电机；

步骤6，慢车：起动电机脱开后，油泵继续加速，发动机转速将逐渐上升，直至达到n4慢车转速，起动过程结束。

本发明的有益效果：

(1)系统连接简单：辅助控制器、主控制器和操纵台控制器间采用LIN总线连接，除电源线外仅需一根通信线即可完成所有数据交互功能，此外系统无其余走线暴露在外，在方便安装的同时也降低了系统因线路问题造成的故障率；

(2)控制精度高：采用无刷直流电机驱动齿轮油泵，控制器能够实现对电机转速的高精度控制，进而提高涡喷发动机的转速控制精度；

(3)组合灵活：采用分布式控制器的方式设计，能够兼顾发动机的地面试验环境与高空运行环境，同时能够适应不同型号发动机的控制需求；

(4)试验方便：相比于传统控制系统，本发明所述的控制系统能够采集发动机的振动、推力等运行数据，所述的测控系统能够对所有发动机数据进行实时记录，能够进行多种发动机性能试验。

附图说明

图1为本发明所述的微型涡喷发动机控制系统总体框图。

图2为本发明所述的微型涡喷发动机控制器连接图。

图3为本发明所述的辅助控制器结构框图。

图4为本发明所述的主控制器结构框图。

图5为本发明所述的操纵台控制器结构框图。

图6为本发明所述的发动机起动控制流程图。

图7为本发明所述的发动机起动过程的转速、燃油流量、排气温度曲线图。

图中：1起动电机；2机械脱扣器；3辅助控制器；4点火油路电磁阀；5主燃油路电磁阀；6板载传感器；7点火器；8热电偶传感器；9齿轮泵；10无刷电机；11主控制器；12发动机台架；13操纵台控制器；14测控系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的一种微型涡喷发动机控制系统结构示意图。其电子控制系统主要包括辅助控制器3、主控制器11、操纵台控制器13以及测控系统14。其控制对象为微型涡喷发动机，主要构成部件为：起动电机1、机械脱扣器2、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、齿轮泵9。

所述的3辅助控制器所控制的执行器主要包括：起动电机1、点火油路电磁阀4、主燃油路电磁阀5、点火器7；所测量的传感器主要包括：热电偶传感器(排气温度)8、板载传感器6(包括转速传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、振动传感器)；其通信接口采用LIN总线。

所述的主控制器11所控制的执行器为无刷电机10(带动齿轮泵9)，同时测量发动机台架12输出的发动机推力。其通信接口采用LIN总线和USB接口，其中LIN总线接口用于与辅助控制器3和操纵台控制器13通信，USB接口用于与测控系统通信14。

所述的操纵台控制器13集成了油门推杆、指示灯、开关、显示屏等人机交互装置，同时具有LIN总线通信接口、USB接口、有线网络接口等用于数据交互，主要用于实现各执行机构动作指令的给定、油门推杆信号给定、反馈信号获取。

所述的微型涡喷发动机控制系统主要工作过程如下：辅助控制器3用于实现主控制器11的控制指令，并将反馈信号量发送到主控制器；控制系统有手动和自动两种工作模式，在手动模式下，可通过操纵台控制器13上的操纵器(按钮、推杆)或测控系统14上的执行机构操作控件直接控制对应的执行机构，在自动模式下，由主控制器11自动完成发动机的起动、转速控制等过程，相应的执行机构手动控制功能失效；在起动过程中，主控制器向辅助控制器发送指令，操作起动电机1按照指定转速运转，带动发动机主轴旋转，当发动机转速上升至预定值后，控制点火器7启动、启动无刷电机10带动齿轮泵9输出燃油，脉动开启点火油路电磁阀4向点火器供油，当8热电偶测量到的发动机排气温度到达预定值后开启主燃油路电磁阀5，向燃烧室供油并点火燃烧，之后发动机将进入运行状态，通过控制燃油流量控制发动机转速、推力的输出。

图2为本发明所述的微型涡喷发动机控制系统连接图。控制系统主要包括：辅助控制器(实现起动电机驱动、点火器驱动、阀门驱动、振动测量、温度测量、转速测量)、操纵台控制器(实现各执行机构动作指令的给定、油门推杆信号给定、反馈信号获取)、主控制器(实现主要控制算法、驱动油泵、与辅助控制器和操纵台控制器进行LIN总线通信)以及测控系统(实现对传感器参数的显示、对执行机构的手动控制、试验数据记录等)。

图3为本发明所述的辅助控制器结构框图。在测量信号部分，辅助控制器实现对发动机的入口温湿度、大气压力、主轴转速、排气温度、发动机振动数据的采集；在执行机构驱动部分，辅助控制器实现对发动机点火油路阀门、主燃油路阀门、点火器、起动电机的功率驱动；在通信部分，辅助控制器通过基于LIN总线的物理层协议与发动机主控制器进行信息交互，获取执行机构的驱动指令，同时向其反馈传感器测量数据。发动机辅助控制器包括执行机构驱动电路、传感器测量电路以及通信、电源电路等，其中执行器中的点火油路阀门、主燃油路阀门和点火器采用MOS开关进行驱动，起动电机采用针对直流无刷电机的6-step电机控制器方案进行驱动和转速控制；传感器中的环境温湿度传感器、大气压力传感器、排气温度的热电偶传感器均采用集成数字芯片实现采样与量化。转速测量采用线性磁阻传感器芯片，通过运算放大电路将信号调理为方波，测量其输出信号的频率换算为实际转速。发动机振动测量采用声学振动传感器方案，通过高灵敏度麦克风采集发动机运行中产生的声学振动信号，经由运算放大器构成的滤波放大电路后输出模拟信号，最后由控制器进行信号采集。

图4为本发明所述的主控制器结构框图。主控制器实现发动机主要控制算法，以及驱动由无刷电机带动的齿轮油泵为发动机供油；通过桥式应变传感器测量芯片测量发动机在台架产生的推力；通过LIN总线与辅助控制器和操纵台进行数据交互；通过USB接口与测控系统进行通信。

图5为本发明所述的操纵台控制器结构框图。操纵台集成了油门推杆、开关、按键、指示灯、显示屏、旋钮、推杆等人机交互元件，同时具备USB、LIN、以太网等数据接口。

图6为本发明所述的发动机起动控制流程图。本发明提出的发动机起动流程分为电机起动、点火、预热、加速、脱开、慢车这6个过程，控制系统通过测量发动机的转速、排气温度等运行参数判断其所处阶段，并以此作为状态切换条件；同时在起动的各个阶段合理控制起动电机转速、阀门开关时机、燃油泵转速，从而保证发动机从冷机状态快速、稳定地起动至慢车状态。

本发明提出的发动机起动流程主要包含以下6个步骤：

步骤1，电机起动：控制起动电机将发动机主轴带转至n1；

步骤2，点火：控制点火器加热，输出加热功率P1时间t1后启动油泵以最低转速运行，同时控制点火油路阀门开启，将燃油输送至点火器将其引燃；

步骤3，预热：发动机点火成功后，会产生周期爆燃声，同时排气温度会逐渐上升，当温度上升至T1时预热阶段结束；

步骤4，加速：预热阶段结束后，开启主燃油路阀门，同时控制油泵以dn1的加速斜率缓慢增加供油量、控制起动电机以dn2的加速斜率加速至n2；当排气温度大于T2时视为燃烧室启动成功，此时关闭点火器、关闭点火油路阀门；然后控制油泵以dn3的加速斜率、控制起动电机以dn4的加速斜率将发动机带转至n3；

步骤5，脱开：当发动机转速大于n3时，关闭起动电机；

步骤6，慢车：起动电机脱开后，油泵继续加速，发动机转速将逐渐上升，直至达到n4慢车转速，起动过程结束。

图7为本发明所述的发动机起动过程的转速、油泵转速指令、排气温度曲线图。图中体现了发动机起动过程(起动、点火、预热、加速、脱开、慢车)中发动机转速、油泵输出指令和发动机排气温度的实际试验数据，与图6所述的发动机起动流程相匹配。

Claims (2)

1.一种微型涡喷发动机控制系统，其特征在于，该系统包括辅助控制器、主控制器、操纵台控制器以及测控系统；其中，

所述的辅助控制器、主控制器和操纵台控制器间采用LIN总线通信装置通信；

所述的辅助控制器包括起动电机、点火器、阀门、振动测量装置、温度测量装置和转速测量装置，其安装于发动机机壳内，实现起动电机驱动、点火器驱动、阀门驱动、振动测量、温度测量和转速测量；

所述的起动电机采用直流无刷电机，安装于涡喷发动机前端，通过机械脱扣器带动涡喷发动机主轴旋转，其功率驱动及调速电路集成于辅助控制器中；

所述的点火器为发动机点火装置，其为耐高温合金发热丝，安装于发动机燃烧室与压气机之间，用于引燃点火油路输出的燃料，进而点燃发动机燃烧室的燃气，其驱动装置集成于辅助控制器；

所述的阀门包括点火油路阀门和主燃油阀门，为开关型直流驱动常闭型阀门，安装于涡喷发动机前端机壳内，其驱动装置集成于辅助控制器；

所述的振动测量装置为声学振动测量装置，用于测量发动机振动，由辅助控制器控制采集信号并进行信号处理；

所述的温度测量装置为基于热电偶传感器的温度测量装置，热电偶传感器的测温端位于发动机涡轮出口，信号测量端位于辅助控制器，用于测量发动机排气温度；

所述的转速测量装置为磁阻传感器，与安装于发动机主轴的径向磁铁配合测量发动机主轴转速，磁阻传感器及其信号调理电路均位于辅助控制器上；

所述的主控制器包括油泵和推力测量装置；

所述的主控制器直接驱动油泵，控制辅助控制器实现主要控制算法，并通过安装在发动机台架上的应变式传感器测量推力；所述油泵采用直流无刷电机驱动的齿轮泵，通过控制电机转速精确控制燃油流量，油泵入口连接至油箱，油泵出口连接至涡喷发动机燃油入口，油泵驱动及控制装置集成于主控制器，实现转速闭环控制；

所述的推力测量装置使用安装在发动机台架上的桥式应变型传感器测量发动机推力，其信号采集与转换装置位于主控制器；

所述的操纵台控制器实现各执行机构动作指令的给定、油门推杆信号给定、反馈信号获取；所述的操纵台控制器集成有油门推杆、指示灯、开关、显示屏，同时具有LIN总线通信接口、USB接口、有线网络接口；

所述LIN总线通信装置为单总线通信系统，其收发器分别位于辅助控制器、主控制器、操纵台控制器上，三者通过同一总线进行连接和数据交互；

所述的测控系统连接至主控制器，实现对传感器参数的显示、对执行机构的手动控制、试验数据记录；所述的测控系统实现对传感器参数的显示、对执行机构的手动控制、试验数据记录。

2.一种微型涡喷发动机的起动控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，起动电机起动：控制起动电机将发动机主轴带转至转速n1；

步骤2，点火：控制点火器加热，输出加热功率P1时间t1后启动油泵以最低转速运行，同时控制点火油路阀门开启，将燃油输送至点火器将其引燃；

步骤3，预热：发动机点火成功后，会产生周期爆燃声，同时排气温度会逐渐上升，当温度上升至T1时预热阶段结束；

步骤4，加速：预热阶段结束后，开启主燃油路阀门，同时控制油泵以dn1的加速斜率缓慢增加供油量、控制起动电机以dn2的加速斜率加速至n2；当排气温度大于T2时视为燃烧室启动成功，此时关闭点火器、关闭点火油路阀门；

然后控制油泵以dn3的加速斜率、控制起动电机以dn4的加速斜率将发动机带转至n3；

步骤5，脱开：当发动机转速大于n3时，关闭起动电机；

步骤6，慢车：起动电机脱开后，油泵继续加速，发动机转速将逐渐上升，直至达到n4慢车转速，起动过程结束。