某型直升機旋翼轉(zhuǎn)速表的數(shù)字化設(shè)計方案

吳光彬，汪智超，徐 路

(1.海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001;2.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

某型直升機是20世紀80年代進口的產(chǎn)品，機載設(shè)備磨損、老化嚴重，特別是旋翼轉(zhuǎn)速表，自20世紀90年代以來，因故障率太高，且無法修理，加上備件短缺，訂貨難，價格昂貴，已經(jīng)嚴重影響了該型機的完好率，而且由于原設(shè)計思想落后，檢測和維護難度大，國外已經(jīng)停產(chǎn)。若立足于國產(chǎn)化，采用模擬、數(shù)字集成電路技術(shù)進行重新研制，可獲得可觀的經(jīng)濟效益。

1 直升機旋翼轉(zhuǎn)速表的實現(xiàn)方法

旋翼轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)由兩部分組成。一部分由主減速器帶動轉(zhuǎn)速表傳感器產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)遠距離傳輸裝置(同步器)，通過兩個指示器中的白指針指示出旋翼的轉(zhuǎn)速，精度為±2rpm。圖1所示為第一旋翼轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)。

另一部分由主傳動軸帶動電磁傳感器DV＊＊轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生兩相相位相差90°的交流電，經(jīng)單—三相轉(zhuǎn)換裝置(斯柯特變壓器)轉(zhuǎn)換成三相交流電送給兩個指示器，通過兩個指示器中的花針指示出旋翼的轉(zhuǎn)速(見圖2)。正常情況下，兩個指針的指示應(yīng)當重合。

圖1 第一旋翼轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)

圖2 第二旋翼轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)

2 數(shù)字旋翼轉(zhuǎn)速表方案

根據(jù)某型直升機旋翼轉(zhuǎn)速表國產(chǎn)化研制報告的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，改制后的旋翼轉(zhuǎn)速表應(yīng)能夠數(shù)字顯示旋翼的精確轉(zhuǎn)速并模擬顯示旋翼的轉(zhuǎn)速范圍，指示旋翼的轉(zhuǎn)速是否正常，且能和進口產(chǎn)品互換使用，各項性能指標達到并超過原進口產(chǎn)品。保留原有系統(tǒng)的傳感器，利用計算機測量技術(shù)，精確顯示旋翼轉(zhuǎn)速，利用模擬集成電路，指示旋翼的工作狀態(tài)。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

改制后的旋翼轉(zhuǎn)速表的表頭大體如圖4所示，分為第一旋翼轉(zhuǎn)速數(shù)字指示系統(tǒng)和第二翼轉(zhuǎn)速數(shù)字指示系統(tǒng)，綠燈代表轉(zhuǎn)速正常，橙燈代表轉(zhuǎn)速超出5%，藍燈代表轉(zhuǎn)速低于正常轉(zhuǎn)速5%，紅燈代表轉(zhuǎn)速超出正常范圍5%以上的所有情況。

改制后的旋翼轉(zhuǎn)速表的系統(tǒng)主要由四部分組成:濾波整形電路、數(shù)字顯示驅(qū)動電路、單片機數(shù)字處理系統(tǒng)及DC/DC電源變換。

圖3 改制后的旋翼轉(zhuǎn)速表系統(tǒng)原理框圖

圖4 改制后的旋翼轉(zhuǎn)速表表頭

2.1 濾波整形電路［1］

2.1.1 轉(zhuǎn)速表發(fā)電機傳感器信號處理

從轉(zhuǎn)速表發(fā)電機(傳感器)得到的旋翼轉(zhuǎn)速信號(圖5)，為三相正弦電壓信號，幅值約為36V，經(jīng)電阻 R1、R4，電容器 C1 以及 R2、R5，電容器 C2、R3、R6，電容器 C3分壓之后，加到二極管 D1、D2、D3的正極上，從三個二極管的公共負端上輸出的電壓是經(jīng)過半波整流之后的三相交流電的合成電壓。其交流成分的基波頻率是每相交流電頻率的六倍。Q1是一個光電耦合器，從三個二極管的公共負端上輸出的交流電壓信號經(jīng)電容器C4耦合加到Q1的基極，信號經(jīng)7404反相后，加到LM139限幅整形電路，輸出一個幅值5V、頻率為653～726Hz之間的左右方波信號。

2.1.2 單相電磁感應(yīng)式傳感器的信號

單相電磁感應(yīng)式傳感器DV＊＊產(chǎn)生的信號(圖5)為兩相正弦交流電壓信號，彼此的相位差為90°，幅值約為24V，對該信號進行分壓，加到兩個二極管的正極上，從兩個二極管的公共負端上輸出的電壓是經(jīng)過半波整流之后的兩相交流電的合成電壓，其交流成分的基波頻率是每相交流電頻率的四倍。其信號處理過程與前述一樣，輸出一個幅值5V、頻率為422～469Hz之間的方波信號。

2.2 單片機F/D變換電路［2］

頻率-數(shù)字變換的方法主要有兩種:一種為M法，即測量一定時間內(nèi)信號脈沖的個數(shù)，適合高頻工況;一種為T法，即測量速度信號兩脈沖之間的間隙時間，適用于低頻工況?？紤]到人眼對快速變化的數(shù)字沒有反應(yīng)時間，本方案設(shè)計的轉(zhuǎn)速表的更新時間間隔為1秒，且軟件采用了抗干擾的平滑算法，因此，頻率-數(shù)字變換方法采用的是簡單的M法。

考慮到儀表結(jié)構(gòu)的限制，此方案選用的單片計算機AT89C51是一帶有4K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(EEPROM)的低電壓、高性能 8位CMOS微型計算機，與MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容，40只引腳，PDIP封裝。

圖5 濾波整形電路

圖6 單片機F/D變換電路

數(shù)據(jù)采集單元以8253定時器為核心(圖6)，其原理主要是:啟動定時器，精確定時0.2s時間段，在此時間內(nèi)，計數(shù)器對旋翼轉(zhuǎn)速表的傳感器信號(已經(jīng)轉(zhuǎn)換為脈沖信號)進行計數(shù)，經(jīng)抗干擾的平滑算法，可得旋翼轉(zhuǎn)速表的精確轉(zhuǎn)速。

2.3 數(shù)字顯示驅(qū)動模塊［2］

旋翼轉(zhuǎn)速表的精確轉(zhuǎn)速利用高亮度的LED顯示，由MC14513驅(qū)動的三位數(shù)字顯示器，為靜態(tài)工作方式，對高位0進行自動消隱。當三位數(shù)均為0時，只顯示個位0，而十位和百位的0不顯示，被消隱。此三位靜態(tài)顯示器能顯示0～999之間的整數(shù)。

2.4 DC/DC 變換

機上所提供的電源為27V直流電，由于旋翼轉(zhuǎn)速表使用的電源為+5V，所以進行DC/DC變換。MTR2805S是單片式DC/DC變換器，該器件內(nèi)部包括:具有溫度補償?shù)幕鶞孰娫?、比較器、可控占空比振蕩器(含限流電路)、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)。MTR2805S具有下列主要特點:輸入電壓范圍16～40V，備用電流很小，輸出電流限制，輸出開關(guān)電流可達6A，輸出電壓可調(diào)，工作頻率可達2MHz，精度為2%，效率可達84%。

3 軟件框圖

旋翼轉(zhuǎn)速表的軟件用匯編語言編寫［3］，主要有五部分:定時器初始化、分頻器初始化、頻率/數(shù)字變換、數(shù)字濾波和結(jié)果顯示(圖7所示)。

圖7 軟件框圖

4 誤差估計

由于旋翼轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速測量誤差主要出現(xiàn)在頻率/數(shù)字變換的過程中，由傳感器測得的交流信號到標準方波信號的變換過程中，幾乎沒有誤差，數(shù)字轉(zhuǎn)速在顯示的過程中也不存在誤差，因此旋翼轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速測量誤差比較小，也比較容易控制。

4.1 第一測量通道

從轉(zhuǎn)速表發(fā)電機(傳感器)得到的旋翼轉(zhuǎn)速信號，為三相正弦電壓信號，頻率為

4.2 第二轉(zhuǎn)速測量通道

單相電磁感應(yīng)式傳感器DV219產(chǎn)生的信號為兩相正弦交流電壓信號，彼此的相位差為90°，幅值為24V。對該信號進行分壓，加到兩個二極管的正極上，從兩個二極管的公共負端上輸出的電壓是經(jīng)過半波整流之后的兩相交流電的合成電壓，其交流成分的基波頻率是每相交流電頻率的四倍。DV219輸出信號的頻率為

［1］吳光彬，王棟，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的飛機發(fā)動機火警信號系統(tǒng)研究［J］.海軍航空工程學院學報，2008，(4).

［2］張毅剛，彭喜源，等.MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.

［3］張載鴻.微型機接口控制教程［M］.北京:清華大學出版社，1992.