基于MSP430的ROTAX914發動機監測系統設計

李 偉，胡 強，陳 迪

(中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074)

ROTAX 系列航空發動機是由加拿大龐巴迪- ROTAX發動機制造公司制造，具有一流的性能和卓越的功重比，為全世界75% 以上的超輕型飛行器所選用。其中的ROTAX914 發動機是一款活塞式四沖程四缸發動機，廣泛應用于“蚋蚊”、“捕食者”和“蒼鷺”等無人機。針對ROTAX914設計的發動機監測控制系統也是應用于一款中空長航時無人機，該型監測系統包含1 個發動機監測單元(EMU)和6 組不同類型的傳感器。該型監測系統能夠對發動機的2 路缸溫和2 路廢氣溫度以及1 路滑油溫度和1 路滑油壓力進行監測，同時系統中的EMU 還需要與發動機的TCU 進行通訊，把解算下來的包括發動機轉速、油門開度等參數傳遞給無人機的飛行控制計算機，幫助飛行控制計算機了解發動機運行狀態以便控制無人機飛行。

1 系統原理

ROTAX914 發動機監測系統需要對發動機的缸溫、廢氣溫度、油壓等進行測量，同時還要對發動機的轉速、油門開度等信息進行收集以保證對發動機的運行狀態有一個全面、準確及時的監視。為達到這些需求ROTAX914 發動機監測系統需要采用多種類型的傳感器以適應發動機不同的需求，其中發動機的缸溫和滑油溫度最大不超過140℃，所以選擇接觸式的鉑電阻傳感器PT1000，廢氣溫度最大不超過950℃，因此選擇接觸式的K 型熱電偶傳感器。滑油壓力監測采用HoneyWell 壓力傳感器組件，監測范圍0 ～10 bar。系統中的監測單元(EMU)通過采集這些傳感器換算成相應的數值即可對發動機的溫度和壓力等進行監測，同時EMU 還要與發動機的TCU 進行通信，把發動機的其他參數如發動機轉速、油門開度等信息解算出來并和監測到的溫度、壓力等參數一起發送給飛行控制計算機。發動機監測系統原理框圖如圖1所示。

圖1 發動機監測系統原理框圖

2 監測系統設計與實現

2.1 硬件設計

由于ROTAX914 發動機的缸溫和油溫最大不超過140℃，因此選擇鉑電阻傳感器PT1000 測量其溫度參數。鉑電阻傳感器是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的溫度傳感器。其測溫精度高、性能穩定、易于連續測量、無需參比溫度。對于中低溫場合，它是一種很好的選擇。現在常用的PT1000(R0=1 000 Ohm)是以溫度系數TCR=0.003 851 為標準統一設計的鉑電阻。其溫度電阻特性在范圍0 ～850℃時適應公式:

其中:Rt是溫度為t 時的電阻(Ohm);R0是0℃時的標稱電阻;α=3.908 3 ×10-3℃;β=-5.775 ×10-7℃。

從式(1)中可以看出鉑電阻PT1000 的特性表達式為二次多項式，具有明顯的非線性，由于ROTAX914 發動機的缸溫溫度變化范圍相對較小，因此對鉑電阻的非線性校正采用硬件擬合和軟件校正相結合的方式。鉑電阻PT1000 的信號調理電路主要包含非平衡電橋和差動放大器及相關電路。信號調理電路中加入正反饋電阻進行校正補償。同時為了避免由鉑電阻自身發熱引起溫度變化而產生測量誤差，流經鉑電阻的電流不應過大。放大器選擇OP27，OP27 具有低失調電壓和漂移特性與高速、低噪聲特性。同時在調理放大電路后一級增加電壓跟隨器以提高輸入負載，保證測量中電壓電流不受負載的影響。滑油壓力監測采用HoneyWell 壓力傳感器組件，輸出信號為電阻阻值，其所測量壓力與阻值對應關系與鉑電阻傳感器類似，因此采用類似的調理電路。鉑電阻傳感器調理電路和跟隨器電路原理圖如圖2 所示。

圖2 鉑電阻傳感器調理電路和跟隨器電路原理

由于廢氣溫度最高可達950℃，因此選擇接觸式的K 型熱電偶傳感器測量其溫度參數。K 型熱電偶是以鎳鉻合金為正極，鎳硅合金為負極，兩導體于一端焊接而成。這兩根導體的焊接端稱為K 型的熱電極，其焊接端為熱端，非焊接端為冷端。K 型熱電偶可長期測量1 000 ℃的高溫，其重復性好，產生的熱電勢大，可到0.041 mV/度。K 型熱電偶傳感器信號調理電路主要包括信號放大、冷端補償和線性化等幾部分。測量時傳感器通過補償導線使測量端遠離發動機，同時采用冷端溫度自動補償法，即在調理電路的電橋中加入PT100 鉑電阻。當環境溫度t0升高時，電動勢EAB(t，t0)會減小，但鉑電阻PT100 阻值會增大，使得電橋輸出電壓UAB同樣會增大，則EAB(t，t0)+UAB=常數。UAB計算公式:

同時在調理放大電路后一級同樣增加電壓跟隨器以提高輸入負載，保證測量中電壓電流不受負載的影響。K 型熱電偶傳感器調理電路和自動補償原理電路圖如圖3 所示。

系統中的監測單元(EMU)除了要采集發動機溫度、壓力等各種運行參數外，還需要與發動機渦輪增壓控制單元(TCU)進行通信，通過TCU 解算出發動機的轉速、油門開度等其他運行參數，并與采集到的信息進行整合一起發送給飛行控制計算機，以便飛行控制計算機對發動機的運行狀態有一個全面的監視。EMU 中采用MSP430F149 作為處理核心，MSP430F149 芯片是美國TI 公司推出的超低功耗微處理器，是1 款16 位的單片機，具有獨立16 位硬件乘法器，帶有2 個串行通信模塊以及一個12 位的A/D 轉換模塊ADC12。MSP430F149 的ADC12 為SAR 型12 位AD，共有16 路輸入通道，其中8 路獨立的外部輸入通道，2 路接外部Vref +，Vref-，3 路內部通道可分別測內部溫度傳感器、AVCC、和外部參考源。MSP430F149 包含2 個獨立的UART 串行通信模塊，其電平為3.3 V 的TTL 電平，而TCU 和飛行控制計算機的串口通信為RS232 電平，因此需要增加串口電平轉換電路。MSP430F149 的最小系統以及串口電平轉換電路圖如圖4 所示。

圖3 K 型熱電偶傳感器調理電路和自動補償原理電路

圖4 MSP430F149 的最小系統以及串口電平轉換電路圖

2.2 軟件設計

EMU 的軟件設計主要包含2 個部分:A/D 采集及解算部分;串行通信及解算部分。

對于A/D 采集部分，由于對傳感器調理后的電壓與監測的變量不是標準的線性關系，因此要想精確的測量需要采集并存儲大量實驗數據，可MSP430F149 內置的Flash 空間有限，同時查表過程會花費單片機大量時間，不利于實時的監測發動機狀態，因此采用對采集到的數據進行曲線分段擬合。下面以滑油壓力為例說明擬合的方法。滑油壓力傳感器測量的油壓與電阻阻值變化以及調理后的電壓關系如表1所示。

根據表1 可以看出滑油壓力與調理后電壓之間的關系曲線可以從3 段來擬合進行解算，從而在節省了存儲空間及解算得時間的同時保證了一定的解算精度。滑油壓力與調理后電壓的擬合原理圖如圖5 所示。

表1 油壓力傳感器油壓、電阻阻值、調理后電壓關系

圖5 滑油壓力與調理后電壓的擬合原理

對于串口通信與解算部分，TCU 與EMU 之間的通訊為查詢、應答方式，即EMU 發送相關查詢命令，TCU 予以回告，每次回告2 個發動機參數的相關數值。查詢命令有10 種，具體查詢命令與回告參數舉例如表2 所示。

表2 查詢命令與回告參數舉例

3 結束語

本文基于MSP430F149 和多種傳感器設計了一型針對ROTAX914 發動機的監測系統。該型監測系統通過實際需要進行了傳感器的針對性選型，并針對這些傳感器設計了相應的信號調理電路，同時通過大量測試對傳感器進行了標定并對實驗數據進行了曲線擬合。該型發動機監測系統能夠及時準確的監測發動機的各項參數，為飛行控制計算機在飛行過程中對發動機有全面的了解提供了有力的保證，對ROTAX 系列發動機的監測系統設計有一定的借鑒作用。

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