浅谈小型航空发动机数字电子控制器设计技术

李堃等

引言

现代社会已经在逐步实现数字化，我国航空领域也一直在数字化道路上奋斗着。本文主要对小型航空发动机数字电子控制器的设计技术进行研究，希望有助于推动控制系统的完善。科学技术在不断发展，航空发动机控制系统作为飞机上的重要控制系统也在飞速的发展。目前电子计算机技术的更新及应用逐渐在促进全限制数字电子式控制系统的完善。该系统的核心是计算机，利用计算机的数字计算能力和逻辑处理能力对发动机的运作产生推进，不断提高发动机的可操作性。我国科研人员也一直在不断研究航空控制系统，取得了一定的成就，但是和发达国家之间还存在着很大的差距，以下主要就其设计细节进行阐述。

一、航空发动机数控系统简介

（一）组成部件

由上图可以清晰的观察到航空发动机数控系统的组成原理框架，系統在确定设计方案的时候要结合发动机的具体要求，同样电子控制器也要做出相适应的设计方案，全面保证整个系统各个组成部分达到设计需求。

二、电子控制器的功能要求

在发动机数字化控制系统中最先要保证的就是电子控制器所在的工作环境安全，使发动机能正常的启动并安全稳定的运转。其次要注意电子控制器的供电情况，电瓶在启动前供电而发电机在启动后供电。对于电子控制器来说，具体需要采集输入信号，这些输入信号由发动机不同类型的传感器发出；除了输入信号还要进行开关量的信号采集，该信号不仅有关发动机状态而且有些还涉及其外部指令；接着实现对各种信号的转换，转换后成为一定的数字信号；保证控制软件运行的持续性，消除平台的中断源；不断转换及驱动化相应的数字量及模拟量，能保证不同通道之间的切换，并满足一定的通讯功能；保证某些传感器需要的激励电源。

三、数控系统总体设计方案

（一）设计传感器方案

1、温度传感器。温度传感器字面理解就是用来测量温度的，所测量的部位是风扇后部。一般情况下我们选择热点偶式温度传感器，这种传感器类型结构简单，对温度的相应速度很快，有比较高的灵敏度，稳定性能也很好，测量温度的范围能在零下六十摄氏度和二百摄氏度之间，所以是温度传感器的最佳选择。

2、转速传感器。转速传感器是用来测量发动机在运作中转子的转动速度，选择的是磁电式转速传感器，这种类型传感器的精确度很高，稳定性也能保证，对于上万的转速也能准确的测量，可以保证发动机的大转速要求，该发动机的输出信号是周期频率信号。

3、压力传感器。压力传感器是用来测量在压力机后的空气压力，选择的是压阻式压力传感器，这种类型传感器不仅灵敏度和精度都能满足高标准，可以对零到十二个绝对大气压进行测量，而且体积比较小，测量方便。

4、位移传感器。航空发动机中燃油流量的改变可以通过位移传感器来测量，可以选择LVDT差动变压器式位移传感器，该传感器的输出信号就是电压信号。

（二）设计电子控制器方案

1、控制器余度方案。对于航空控制系统中的余度设计多种多样，各有特点，我们主要介绍双余度数控通道结构设计，该数控通道的组成依靠不同模块，主要模块有信号调理、输入、CPU、输出、BIT、通讯、故障切换、驱动输出等。在两个模块中其中一个可以作为主要控制通道，另一个就对其进行辅助，并保证在热备份状态，若存在故障的情况就只需要切换模块就可以保证系统的继续运行。

2、CPU模块方案。CPU模块是整个控制系统的核心，该单一模块的性能直接影响整个控制系统的功能体现。CPU模块的具体任务有：对数据的采集、数字及逻辑运算、保证数据的存储、能实时中断、保证数据的输出、能满足通讯的要求。在本控制系统中我们使用的是嵌入式微处理器PC104，其主板器上集成了Intel486处理器，它的耗能较低，有定时器也有中断控制器，该主板外部接口不仅有兼容的并行口、串口，而且有可选的串行口。主要特点有体积不大、功能损耗较低、有很好的抗震性，也有较宽的总线范围，基本满足发动机的要求。

3、输入信号处理方式。针对不同类型的输入信号应该设置不同的处理方式，如果是温度信号，运用温度传感器对电路进行调理，尽可能的扩大小信号，同时要进行的是基准接点的补偿和一定的线性化处理，使得信号逐渐满足系统要求。输出信号处理方式输出信号比较特殊，不能直接驱动执行结构，一定的转换是很有必要的。具体应该结合不同的执行机构，对不同执行器进行一定的处理，执行器包括：电液伺服阀、高速电磁阀、步进电机三者。其中电液伺服阀控制的类型有硬件和软件闭环控制。硬件闭环控制所表现的响应速度很快，所占用的CPU也比较少，而软件闭环控制有参数，可以方便进行调整，能实现高效的控制；其中高速电磁阀的控制由于信号的特点需要对信号产生的电路进行设计，集成化芯片就能满足这些要求，因为其内部拥有大量的电路。

（三）控制系统软件设计的实现

控制系统的实现主要通过软件编程，程序中主要运行的有BIT自检和系统故障诊断等，具体步骤可以通过控制系统软件流程图观察到。

结束语

综上所述，对于小型航空发动机数字电子控制器的实现，需要结合发动机对在数字控制系统中的要求，设计合理的系统总方案。在控制器的输入和输出、传感器的信号等方面进行一定的处理，并为模拟输入、频率量和开关量等信号进行调理电路，逐步满足电子控制器的要求。当然对于设计方案今后还需要不断完善，努力发挥其更多的实用价值，提供更好的服务工作。

（作者单位：辽宁省沈阳市沈阳飞机设计研究所）