实验用脉冲爆震发动机控制系统设计

陈 洁，王 栋，马 虎，于栋梁

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

作为一种新概念发动机-脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）。脉冲爆震发动机有着热循环效率高、结构简单、推重比高（大于20）、比冲大（大于2 100 s）、耗油率低（低于 1 kg/（daN·h））、工作范围宽（Ma=0～10）、工作可靠、噪声较小、成本低和能分别以吸气式和火箭式两种模态工作等众多优点[1-2]。由于脉冲爆震发动机上述的独特性能，因此其具有广阔的应用前景。脉冲爆震发动机的潜在应用包括民用、军用和空间技术。脉冲爆震发动机控制技术是发动机的一项关键技术。脉冲爆震发动机工作性能的好坏，在很大程度上决定于它的控制系统的品质。所以，研究一套完整、可靠地实验型脉冲爆震发动机控制系统有着十分重要的意义。

1 总体系统设计

实验用脉冲爆震发动机系统[3]如图1所示。根据发动机实验要求，本系统由单片机最小系统、人机交互模块、脉冲输出模块、数据采集模块、软件设计等组成。该系统以单片机为核心控制部件，键盘和液晶显示屏为人机交互部件，其中通过键盘实现参数设置，并由液晶显示器显示。在发动机工作过程中，通过传感器进行数据采集，然后由液晶屏显示出发动机工作状态。

2 硬件系统设计

图2给出了系统的硬件框架图。

图1 脉冲爆震发动机实验图Fig.1 PDE experiment diagram

图2 系统硬件框架图Fig.2 Hardware system diagram

2.1 控制器模块设计

单片机控制器主要用于产生发动机供气、供油和点火的脉冲信号，由传感器对发动机工作状态进行数据采集，然后通过简单算法，在液晶显示屏上显示发动机压强等工作状态参数。对控制器的选择采用Atmega16作为系统的控制法案。Atmega16运行速度快，接口方便，运算功能强、编程灵活，可靠性高。相对于FPGA而言，芯片的引脚少，硬件容易实现。同时有着技术成熟，体积小和成本低等优点[4]。

2.2 脉冲输出模块

对于发动机的控制，主要包括点火系统、供油系统和供气系统的控制。在试验系统中，点火控制主要控制点火器通断时间和频率的控制，实现点火系统能正常的工作和实现点火频率的可调。供油系统主要是对供油系统中的航空电磁阀给予不同的脉冲信号，可以对实现电磁阀的通断的控制，从而实现发动机供油系统的通断。供气系统主要是对电磁阀给予不同频率的脉冲信号，对电磁阀的通断实现控制，从而可以控制供气的通断[5-6]。

2.3 键盘电路

键盘电路主要是为了对发动机工作过程中的各种数据的设置。键盘电路采用独立式按键，其键盘相对独立，每个按键占用一个I/O端口，所以每个按键的共做状态不会影响其他按键工作状态。系统中I/O口默认为输入高电平，当有按键按下时，I/O口的电平会被接地线拉低，如果处理器允许中断产生，则会产生相应的数据操作，否则，相应其他操作。

2.4 显示电路

显示电路用于人机接口中进行信息反馈，主要由液晶模块构成。硬件设计中选用控制器为ST7920的12 864全点阵液晶显示器，可以对汉字和字符进行显示。系统中采用并行显示的方法控制液晶显示屏显示。该显示器功耗低，驱动方法和硬件电路连接比较简单，显示屏幕满足实验显示要求。通过编程，可以实现液晶屏上显示数据中文字符和数据[7-8]。

2.5 数据采集模块

发动机工作过程中的压力是由压力传感器进行数据采集，然后通过电荷放大器，输出压力对应的相对电压。电压通过AD转换，在单片机输入端口给出相应的数据信号，单片机通过相应端口输入的数据信号，通过一定的算法，得出所采集的压力值，然后显示在液晶屏上。

3 系统软件设计

在本系统中，软件起着至关重要的作用。软件采用模块化设计的方法，这样不仅可易于编程和调试，同时可以减少软件的故障率，提高软件的可靠性和可移植性。本系统采用C语言来实现程序的编制。程序中包括数据设置、液晶显示、脉冲输出和数据采集几个部分。

主程序流程如图3所示。

系统软件首先对MCU所有端口进行初始化，然后调用液晶显示子程序。液晶显示子程序首先显示初始化数据，然后调用键盘设置子程序。由键盘的按键进行发动机点火系统、供油系统和供气系统脉冲数据的设置，然后把这些数据设置显示在液晶屏上。等待设置完成以后进行脉冲输出，发动机开始点火并正常工作。在发动机工作以后，调用数据采集子程序，对发动机的工作过程进行相应压力和温度的采集，把发动机的工作过程的数据实时的显示在液晶屏上。

图3 主程序流程图Fig.3 Process flow diagram of main program

键盘设置模块如4所示。其中由于按键为机械式按键所以加入软件延时，确保系统的可靠性。鉴于篇幅所限，在此其他模块和源程序不再一一介绍。

图4 按键模块流程图Fig.4 Process flow diagram of key module

4 实验结果和分析

在本系统中，最主要的也是核心部分就是脉冲爆震发动机的脉冲输出部分，通过控制系统的数据设置，采用示波器进行脉冲输出的测量。

从实验结果来看，脉冲输出的误差在允许的范围之内，此系统的软件和硬件设计设计是可行的。

5 结 论

本系统采用高性能的Atmega16单片机为控制核心。通过单片机的工作，可以实现实验用脉冲爆震发动机供油、点火和供气之间精确的时序控制工作。通过数据采集，可以实现实时显示发动机的工作状态。本系统与原有的需要上位机进行数据设置和显示的系统相比，硬件结构简单。经过反复测试，发动机可以正常工作。并且，系统实时可靠性高，能够满足现有发动机实验要求，同时预留接口，为以后控制系统的完善和扩展提供基础。

[1]McManus K，Furlong E，Leyva I.MEMS-Based Pulse Detonation Engine for small-scale Propulsion Applications[R].AIAA-2001-3469 2001.

[2]严传俊，范玮.脉冲爆震发动机原理及关键技术[M].西安:西北工业大学出版社，2005.

[3]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天出版社，2007.

[4]裴晨曦.脉冲爆震发动机供油系统设计研究 [D].南京:南京理工大学，2011.

[5]张如飞.基于模糊控制的航空发动机控制方法研究[D].西安:西北工业大学，2006.

[6]鲍文.冲压发动机控制系统设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2005.

[7]王静霞，杨宏丽，刘俐，等.单片机应用技术（C语言版）[M].北京:电子工业出版社，2009.

[8]沙占友，孟志永，王彦朋，等.单片机外围电路设计[M].2版.北京:电子工业出版社，2006.