航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊設(shè)計(jì)研究

任瑞冬，李國鴻，范小明，馬 昌

(中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西西安 710089)

1 引言

目前，在國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)中，對(duì)整機(jī)振動(dòng)監(jiān)視的要求越來越高，急需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓(或低壓)轉(zhuǎn)子基頻激起的振動(dòng)加速度、速度、位移分量進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)視［1］。為了解決這一問題，獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速信號(hào)是關(guān)鍵。

當(dāng)前可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量的方法和設(shè)備基本分為三類，第一類是采用計(jì)數(shù)器測頻率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量;第二類是采用頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路或芯片，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量;第三類是測量周期［2-5］。無論采用哪種方法，輸入轉(zhuǎn)速測量設(shè)備的信號(hào)的波形和電壓范圍必須滿足要求，而實(shí)際上航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)比較復(fù)雜，甚至出現(xiàn)奇異波形。波形不規(guī)則的原因除工頻、高頻干擾信號(hào)疊加外，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程隨機(jī)大振動(dòng)引起傳感器信號(hào)發(fā)生器與切割磁力線的導(dǎo)磁葉片之間位移隨機(jī)變化、導(dǎo)磁葉片磁性不均勻、介質(zhì)流動(dòng)不穩(wěn)定等因素造成信號(hào)波形奇異、復(fù)雜［6-7］。這樣的波形不能滿足轉(zhuǎn)速測量設(shè)備高可靠、高精度的測量要求。因此必須對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)先調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為頻率與原信號(hào)相同，且電壓范圍滿足一定要求的方波信號(hào)。

筆者以常用的電壓比較器為主要元件，以遲滯比較電路為核心電路，搭建滿足使用要求的不規(guī)則周期電壓信號(hào)方波整形電路，達(dá)到了將周期固定、波形為不規(guī)則正弦或方波的電壓信號(hào)整理為周期不變，波形滿足目前常用頻率信號(hào)測量模塊輸入要求的方波信號(hào)的目的。

2 電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊的目的主要是將不規(guī)則的復(fù)雜信號(hào)轉(zhuǎn)換成規(guī)律、滿足測量系統(tǒng)輸入幅值要求的信號(hào)。因此核心部分使用電壓比較電路實(shí)現(xiàn)波形整形的目的。圖1為遲滯電壓比較器的傳輸特性圖。

圖1 遲滯電壓比較器傳輸特性

若單限比較器如果輸入信號(hào)Ui在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)(起伏)，而遲滯電壓比較器就可以克服這一缺點(diǎn)。遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應(yīng)速度，這是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。除此之外，由于遲滯比較器加的正反饋很強(qiáng)，遠(yuǎn)比電路中的寄生耦合強(qiáng)得多，故遲滯比較器還可免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩［8-12］。鑒于遲滯比較器的優(yōu)點(diǎn)，將其用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊，能夠提高轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，為發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視提供保障。

經(jīng)過大量調(diào)研，市面上常用電壓比較器供電電壓均為5 V，該文采用的電壓比較器為TI的LM2903P。由于機(jī)載直流電源為27 V，沒有穩(wěn)定的5 V的直流電可以直接使用，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)將27 V的直流電轉(zhuǎn)換為+5 V的穩(wěn)壓直流電源模塊，該模塊能夠在機(jī)載電壓值有波動(dòng)的情況下，提供給比較器穩(wěn)定的5 V電壓，保證比較器的正常穩(wěn)定工作，所選用的穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)器為TI公司的LM317。

2.1 遲滯比較電路

圖2為遲滯比較電路的原理圖。圖中已經(jīng)給出了外圍電阻的配置，其大小是在滿足預(yù)期指標(biāo)的前提下仿真試驗(yàn)得到。LM2903P要求差動(dòng)輸入電壓范圍限制在±36 V之間，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)電壓范圍未知，因此，在信號(hào)輸入前LM2903P之間，增加了信號(hào)限幅電路，該電路主要由兩個(gè)反向并聯(lián)設(shè)置的穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)，可限制LM2093輸入信號(hào)的大小，滿足LM2903P的可靠工作的使用要求。LM2903P的供電電壓為5 V，由筆者設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源模塊實(shí)現(xiàn)。

圖2 遲滯比較電路原理電路

2.2 穩(wěn)壓電源模塊

圖3 為轉(zhuǎn)速調(diào)理電路的穩(wěn)壓電源部分電路，作用是將機(jī)載的27 V直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V電壓，保證LM2903P的正常使用。

圖3給出了核心器件LM317外圍電路的設(shè)計(jì)，并標(biāo)明了各個(gè)電阻值及電容的大小，其大小同樣是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室仿真試驗(yàn)得到的。為了驗(yàn)證輸出電壓的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)室按圖3所示搭建電路，使用萬用表測得穩(wěn)壓電源模塊的輸出電壓Sout，從表1可以清楚的看到，輸入直流電壓在10～30 V之間變化時(shí)，輸出電壓在4.919 ～4.926 V 之間變化，變化幅度為0.01 V，基本滿足設(shè)計(jì)提出的在機(jī)載電壓有波動(dòng)的前提下輸出穩(wěn)定的5 V電壓的要求。

圖3 穩(wěn)壓電源模塊電路

表1 穩(wěn)壓電源模塊輸入輸出電壓 /V

3 電路軟件仿真試驗(yàn)

在Mutisim軟件環(huán)境下對(duì)第2節(jié)設(shè)計(jì)的遲滯比較電路和穩(wěn)壓電路進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，仿真過程的結(jié)果截圖如圖4、5所示。需特別說明的是，在遲滯比較電路模塊仿真過程中，已經(jīng)將輸入信號(hào)限幅模塊包括在了仿真電路中，就不再單獨(dú)對(duì)先付模塊進(jìn)行仿真。由于轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)最初的目標(biāo)是同時(shí)能完成對(duì)高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，因此共設(shè)計(jì)了2個(gè)圖4所示的調(diào)理電路，只是激勵(lì)電壓和頻率有所不同，以模擬不同轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)。

從圖4、5來看，此文所設(shè)計(jì)的遲滯比較電路和穩(wěn)壓模塊電路仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了將不同頻率和幅值的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率不變幅值基本固定的方波信號(hào)。

4 電路PCB板及外殼設(shè)計(jì)

根據(jù)電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試結(jié)果，選購元器件(電壓比較器芯片、穩(wěn)壓電源芯片、二極管、電阻、電容)、航空插頭(四芯、六芯)。設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊PCB板，合理安排各個(gè)元器件的位置和走線，使得模塊體積盡可能小，占用空間小，方便安裝和測試，且可實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)(高、低壓轉(zhuǎn)速信號(hào))的同時(shí)調(diào)理整形。為保證輸入輸出電氣接口在機(jī)載環(huán)境下的可靠性，輸入輸出接口選用了滿足國軍標(biāo)要求的四芯、六芯航空插頭，其型號(hào)分別為:XK11J4JE、XK14K6ZE。

圖4 遲滯比較電路仿真結(jié)果

圖5 穩(wěn)壓模塊電路仿真結(jié)果

此文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊主要面向飛行試驗(yàn)方便機(jī)載使用，因此考慮了殼體強(qiáng)度剛度、PCB在外殼殼體上的安裝、殼體的密封性、外殼的安裝等各種因素，設(shè)計(jì)出了圖6所示的模塊殼體。將制作好的PCB板固定在圖6所示的殼體內(nèi)封裝完畢即可作為成品裝機(jī)使用。圖7為最終的物理樣機(jī)。

圖6 殼體三維圖

5 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試結(jié)果

如圖8為試驗(yàn)試測試的框圖。將設(shè)計(jì)電路中的所有元器件焊接在制作好的電路板上，并裝入設(shè)計(jì)的殼體內(nèi)，組成了轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊。使用函數(shù)/信號(hào)發(fā)生器輸入頻率，波形，幅值可調(diào)的信號(hào)。一路送入轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊中進(jìn)行預(yù)處理，并輸出。使用動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)采集原始輸入信號(hào)，和輸出信號(hào)，比較二者的區(qū)別，檢測轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊的功能。

圖7 轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊物理樣機(jī)

圖8 測試框圖

測試中電源提供±27 V電壓，信號(hào)源依次產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)10 Hz、±0.5 V;10 Hz、±1 V;10 Hz、±5 V;10 Hz、±6 V、10 Hz;±9 V，100 Hz;±1 V;1 000 Hz、±1 V;3 000 Hz、±1 V。這些標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)通過轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊輸出方波，最后由動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行采集、記錄并顯示。采集系統(tǒng)的采樣率設(shè)置為50 kbs，圖9、10分別是10 Hz、±1 V 的輸入信號(hào)和經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊調(diào)理后的輸出信號(hào)。其他的測試結(jié)果如表2所列。

圖9 輸入信號(hào)(10Hz、±1V)

圖10 輸出信號(hào)

表2 轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表2中的輸入輸出信號(hào)比較來看，無論輸入信號(hào)的頻率、幅值有多大，輸出信號(hào)的頻率都與輸入信號(hào)頻率一致，輸出幅值基本穩(wěn)定在4.2 V左右。滿足將轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理為同周期，且幅值滿足一般轉(zhuǎn)速測量模塊輸入要求的目的。制作完成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理模塊樣機(jī)各項(xiàng)參數(shù)符合預(yù)期結(jié)果。

6 結(jié)語

轉(zhuǎn)速調(diào)理是獲得準(zhǔn)確轉(zhuǎn)速信號(hào)的關(guān)鍵，也是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)視的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)頻率、幅值都不盡相同，多數(shù)波形不正規(guī)或奇異。此文設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)理電路，能夠?qū)D(zhuǎn)速傳感器輸出的復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到幅值固定，頻率與原信號(hào)一致的方波信號(hào)，為進(jìn)一步發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測量測量奠定基礎(chǔ)。

此文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理模塊可為一個(gè)獨(dú)立設(shè)備，在其他轉(zhuǎn)速信號(hào)測量設(shè)備前對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)先調(diào)理，也可以將轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理模塊所用的電路直接集成到航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中，作為一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)預(yù)調(diào)理模塊使用。在發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)中有一定應(yīng)用價(jià)值。

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