飛機發(fā)動機滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)電流源設(shè)計

郝魁紅，李 斌

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

滑油監(jiān)測是飛機發(fā)動機狀態(tài)的重要監(jiān)控內(nèi)容。目前的監(jiān)測方法大都為離線監(jiān)測，而故障隨時都可能發(fā)生。飛機發(fā)動機滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)對于實時監(jiān)測發(fā)動機工作狀態(tài)，提前預警發(fā)動機故障很有價值。在線滑油監(jiān)測系統(tǒng)的傳感單元可以簡化為一組螺線管線圈，對其激勵使線圈內(nèi)形成交變磁場，利用電磁感應(yīng)原理檢測線圈內(nèi)經(jīng)過的磨粒類型及其狀態(tài)。當外端兩個參數(shù)相同、極性相對的線圈內(nèi)通過交變電流，線圈內(nèi)部即產(chǎn)生交變磁場，由于兩螺線管線圈參數(shù)相同極性相對，所以中部的螺線管的磁場是平衡的。當有金屬磨粒經(jīng)過時，感應(yīng)磁場的平衡被打破，中間的感應(yīng)線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而獲得金屬磨粒的信息。

由于磨粒信息的檢出與其所受的交變磁場直接相關(guān)，因此希望交變磁場受傳感器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、分布電抗參數(shù)和環(huán)境的影響要小，若傳感器激勵采用電流源激勵，則可克服諸多不利影響，同時，交變磁場的強度與電流激勵強度成正比，因此，設(shè)計良好的輸出電流較大的電流源對信號的產(chǎn)生及滑油在線監(jiān)測至為關(guān)鍵。

根據(jù)系統(tǒng)需求，本文設(shè)計基于DDS為核心，采用MSP430單片機控制電流反饋放大器AD844和高頻運算放大器AD811，構(gòu)成精密程控交流電流源。經(jīng)過測試，針對傳感器電阻較小的特征，在其工作激勵頻率范圍及負載大小要求下，本交流電流源系統(tǒng)在輸出電流較大的情況下具有較高輸出阻抗和穩(wěn)定的電流輸出，適用于飛機發(fā)動機潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件

1.1 單片機及DDS直接數(shù)字合成芯片

電流源采用MSP430單片機為控制器。它具有超低功耗，軟件編程簡單，內(nèi)置模塊以及I/O接口豐富等特點，被廣泛應(yīng)用于眾多精密控制設(shè)備中。DDS直接數(shù)字頻率合成是一種新的全數(shù)字的頻率合成技術(shù)，目前DDS芯片以其頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、體積小、性價比高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。

AD7008是AD公司生產(chǎn)的DDS芯片中應(yīng)用較為廣泛的一種，為數(shù)字式調(diào)制，能實現(xiàn)頻率、幅度和相位的精確調(diào)制。時鐘頻率為20 MHz或50 MHz，輸出頻率為（0～25）MHz，分辨率Δf =（50x106）/232 = 0.011 64 Hz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 AD7008內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Internal structure of AD7008

1.2 電流反饋放大器AD844

AD844是AD公司生產(chǎn)的采用互補雙極型工藝制造的高速單片運算放大器?？梢钥醋鍪且粋€電流傳輸器連接一個跟隨器，具有良好的高帶寬和快速反饋的特性，其原理圖如圖2所示。同相輸入端（3腳）輸入呈高阻抗，約為10 MΩ[3]。此輸入端的電壓經(jīng)過一低失調(diào)電壓轉(zhuǎn)移到反相輸入端（2腳）。反相輸入端的輸入電阻RX約為50Ω。加到反相輸入端的電流由電流傳輸器復制而輸入到內(nèi)部節(jié)點（5腳）處的電阻RZ中，經(jīng)過RZ產(chǎn)生的電壓由單位增益緩沖放大器經(jīng)6腳輸出。AD844為第二代電流傳輸器件，其電流反饋具有較高的線性度[6]。這種放大器提供了一個主要由反饋電阻決定的閉環(huán)帶寬，是一個幾乎獨立的閉環(huán)增量。AD844可以在±2.5 V的范圍內(nèi)驅(qū)動50 Ω負載并有80 mA漏電保護。

圖2 AD844原理圖Fig. 2 diagram of AD844

2 電路整體構(gòu)成

電流傳輸器電路的性能既取決于作為兩輸入端之間電壓緩沖器電路的能力，也取決于阻抗相差懸殊的兩個端口間傳輸電流的能力。根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計了圖3所示的程控交流電流源總體電路。MPS430單片機控制DDS芯片AD7008輸出適當頻率和幅值的正弦波信號，以滿足滑油監(jiān)測傳感器激勵的需求。其中AD811為普通的高頻運算放大器，V/I轉(zhuǎn)換采用電路由AD811和AD844共同完成。AD844會因第一級精度低而帶來誤差，用一個帶寬相同的運算放大器作為輸入緩沖，可以使輸出電阻虛0，這樣就不會給跨導帶來誤差。為了避免直流信號使輸出端的隔直流電容飽和，系統(tǒng)中設(shè)計了直流反饋電路。

3 軟件設(shè)計

圖3 電流源總體電路Fig. 3 Overall circuit of current resource

對信號幅值和頻率的控制，要使AD7008的復位信號RESET有效，在復位后，各寄存器均被置零，然后下載命令寄存器，選擇AD7008的運行模式，根據(jù)上位機或EEPROM的數(shù)據(jù)依次裝載頻率、相位和IQ寄存器。在要求控制輸出信號幅度的場合下，AD7008提供了很多種方法。1)用戶通過向正交幅度調(diào)制寄存器寫入數(shù)據(jù)來控制輸出信號的幅度；2)通過選擇下載電阻或改變RESET進行控制[2]。

直接數(shù)字頻率合成器的輸出頻率計算。設(shè)輸出頻率為FOUT，參考頻率為FCLK，AD7008的控制字為FCW，可得出三者之間的關(guān)系為：FCW = (FOUT×232)/FCLK。系統(tǒng)AD7008采用基礎(chǔ)頻率為50 MHz。

圖4 控制流程圖Fig. 4 Control flow graph

4 電路參數(shù)選擇及測試

圖2中的Rx與圖3中的R1串聯(lián)，由于R1中的電流與AD844的第5腳輸出電流為鏡像關(guān)系，所以R1的選擇直接影響電路輸出電流的大小。R1選擇的過大或過小都會影響電路性能，經(jīng)測試，當R1=380 Ω時，電路輸出電流達到最大值8 mA。當R1＜380 Ω時電路的輸出波形逐漸發(fā)生失真，R1接近0時電路輸出為近似方波。電阻R1的選擇，不因AD811的輸入信號頻率和幅值的變化而變化。因為圖4中電容C與電阻R2組成低通濾波電路，C選的越大R1兩端的電壓差越大，通過的電流也就越大，根據(jù)電流源輸入頻率，文中C選 10μF。

5 電路帶負載能力分析

輸出阻抗是電壓控制電流源品質(zhì)的重要參數(shù)。在飛機潤滑油磨粒檢測系統(tǒng)中，對傳感器的電感和分布電容分析得出，為使激勵信號與輸出信號沒有相位差，要求VCCS的頻率范圍在（3～10 kHz），并且具有較高的輸出阻抗。分析方法：在輸出電阻上串聯(lián)一個可變電阻RP與RL作為電壓控制電流源的負載。改變電阻RP可以測得兩個不同的負載值，從而可得出電路的輸出阻抗，測試時，保持電流源輸出在較大電流（8 mA左右）。原理如圖5所示[4]。

圖5 負載特性測試電路Fig. 5 Circuit of load capability

圖中，ZS為電壓控制電流源的輸出阻抗，RL與可變電阻RP串聯(lián)作為電壓控制電流源的負載。改變可變電阻的值，就可得到不同的負載，從而得出輸出阻抗。

全部負載（RL+RP）上的電壓等于輸出阻抗ZS上的電壓，因此可得：

選擇不同的電阻性負載RP測試后得出結(jié)果如表1所示：

表1 不同頻率時電流源內(nèi)阻Tab.1 Different internal resistance with different frequency

從表1數(shù)據(jù)可知，電流源系統(tǒng)頻率到3 kHz左右時，內(nèi)部阻抗約2 MΩ[5]。

本文設(shè)計的電流源將用于飛機潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)，所以進行了如下感性負載測試（如圖6）。當電路的負載為電感性負載時，測量方法及結(jié)果如圖6所示。

電感為線圈纏繞所制，所以增加了限流電阻R=2 Ω。整個潤滑油監(jiān)測系統(tǒng)所需的激勵頻率在3.5 kHz，測試頻率也選擇3.5 kHz±10%，同樣，電流源輸出電流保持在8 mA左右。測試結(jié)果繪制成折線圖如圖7所示。

電感的選擇從1 mH到2 mH，感抗變化在12.56～62.8Ω，由圖中折線部分可以看出在負載電感變化時，同一頻率下電流的變化很小，變化率在0.2%以內(nèi)，而且不同頻率下總體電流值在7.9 mA附近浮動，變化較小。

6 結(jié) 論

圖6 感性負載測試電路Fig. 6 Test circuit of inductive load

圖7 感性負載測試結(jié)果Fig. 7 Test result of inductive load

根據(jù)上文中的測試結(jié)果可以得出，文中設(shè)計的交流電流源，能輸出穩(wěn)定的8 mA電流而且變化率在1%以內(nèi)，能適應(yīng)傳感器自身內(nèi)阻低的要求。在整個潤滑油監(jiān)測系統(tǒng)中，運行平穩(wěn)，控制方便，頻率相位調(diào)節(jié)速度快，失真小，能夠達到整個系統(tǒng)對電流源的要求。

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