一種通用轉(zhuǎn)速源的設(shè)計

海軍航空工程學院控制工程系 盧建華92913部隊 蔡 偉92074部隊 楊一波

一種通用轉(zhuǎn)速源的設(shè)計

海軍航空工程學院控制工程系 盧建華92913部隊 蔡 偉92074部隊 楊一波

為了真實地模擬飛機發(fā)動機主減速器輸出軸轉(zhuǎn)速，完成對飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速、旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的完好性檢測和故障診斷，設(shè)計了一種人工控制轉(zhuǎn)速的通用轉(zhuǎn)速源。為了實時監(jiān)測通用轉(zhuǎn)速源的實際輸出轉(zhuǎn)速并使其具有穩(wěn)定的自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的功能，完成了轉(zhuǎn)速采集與處理電路、倍頻電路和轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)控制器的設(shè)計，并采用仿真手段驗證了設(shè)計的正確性和可行性。實際應(yīng)用證明，通用轉(zhuǎn)速源能夠同時帶動四型（個）轉(zhuǎn)速傳感器及八型指示器進行性能測試和診斷，具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速精度高、速度穩(wěn)定性好的特點。

飛機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速源；轉(zhuǎn)速控制；設(shè)計

0 引言

飛機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，用來測量并指示發(fā)動機和旋翼的轉(zhuǎn)速，飛行員通過該系統(tǒng)了解飛機動力狀態(tài)并完成正確操縱。因此轉(zhuǎn)速系統(tǒng)能否正常工作，直接關(guān)系到飛機的飛行安全和作戰(zhàn)、訓練任務(wù)的完成[1]。按照飛機技術(shù)保障要求，需要對轉(zhuǎn)速系統(tǒng)進行定期檢測。為了真實地模擬飛機發(fā)動機主減速器輸出軸轉(zhuǎn)速，動態(tài)完成對飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速、旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的完好性檢測和故障診斷，研制一套通用轉(zhuǎn)速源十分必要，可解決目前已有的轉(zhuǎn)速測試設(shè)備由于轉(zhuǎn)速源功率小、數(shù)量不足、使用年限長，測試精度差、針對性強、功能的擴展性相對較差、不能適應(yīng)新機型檢測等保障難題。

1 飛機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

1.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

發(fā)動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)用來測量飛機發(fā)動機燃氣渦輪的旋轉(zhuǎn)速度，通常由轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)速表指示器等設(shè)備構(gòu)成[2,3]，系統(tǒng)組成及信號傳送原理如圖1所示。

發(fā)動機工作時，發(fā)動機燃氣發(fā)生器輔助減速器或主減速器帶動測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，定子中產(chǎn)生頻率與轉(zhuǎn)速成正比的三相交流電，輸送到同步電動機三相定子線圈中，使其轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與交流電頻率成正比，由此實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號的遠距傳送。

轉(zhuǎn)速表傳感器在本質(zhì)上是三相交流測速發(fā)電機，其永磁式轉(zhuǎn)子軸由主減速器帶動，定子中產(chǎn)生一定幅值和頻率的三相交流電（交流電頻率與被測轉(zhuǎn)速滿足一定線性關(guān)系），將該信號送至轉(zhuǎn)速表指示器，指示出被測轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速表指示器由同步電動機、測速系統(tǒng)和指示部分構(gòu)成。同步電動機定子接收傳感器三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場帶動同步電動機磁鐵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。測速系統(tǒng)主要由渦流盤、游絲和傳動齒輪構(gòu)成。同步電動機轉(zhuǎn)子帶動磁鐵組件轉(zhuǎn)動，在渦流盤中產(chǎn)生渦流和渦流電磁力矩，游絲中產(chǎn)生反作用力矩，傳動齒輪帶動指針偏轉(zhuǎn)一定角度，當渦流電磁力矩與游絲產(chǎn)生的反作用力矩平衡時，指針停留在某一刻度，即指示轉(zhuǎn)速值。

圖1 轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及信號遠距傳送原理

1.2 旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)與發(fā)動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，也是由傳感器和指示器構(gòu)成。不同的是為了凸顯系統(tǒng)的重要性和工作可靠性，一套旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)有兩路傳感和指示部分，如圖2所示。

指示器內(nèi)設(shè)有同軸花、白兩種指針指示同一轉(zhuǎn)速，其中白針指示部分接收來自測速發(fā)電機的三相交流電信號；花針指示部分接收來自電磁傳感器經(jīng)變換裝置變換后的三相交流電信號。變換裝置由單——三相轉(zhuǎn)換盒、電阻盒與轉(zhuǎn)速探測放大器組成。電磁傳感器輸出兩路相位相差90°的單相交流轉(zhuǎn)速信號，由轉(zhuǎn)換盒放大并轉(zhuǎn)換成同頻三相交流電，經(jīng)電阻盒降壓后送至旋翼轉(zhuǎn)速表指示器的花針指示轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速探測放大器也稱雙極限探測器，用來檢測測速發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)速，通過與高低門限值比較，輸出“低轉(zhuǎn)、超轉(zhuǎn)”警告（27V電壓）信號。

圖2 飛機旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

2 總體方案設(shè)計

通過飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理分析，根據(jù)被測設(shè)備技術(shù)指標要求，轉(zhuǎn)速源應(yīng)能提供0～12000r/min，誤差在±1r/min的精準轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速需留有不小于10%裕度。轉(zhuǎn)速源設(shè)計包括驅(qū)動電機的選取、增速連接裝置、轉(zhuǎn)速采集裝置、轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計。電機及控制器提供精準基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速信號，增速及連接裝置用來增速并連接安裝被測傳感器，轉(zhuǎn)速采集裝置完成轉(zhuǎn)速信號獲取并在計算機中形成標準轉(zhuǎn)速值，控制器完成對驅(qū)動電機的精準轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速源結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。為了檢查多針轉(zhuǎn)速表指示的重合度檢查，需要多套同樣的轉(zhuǎn)速源。

圖3 轉(zhuǎn)速源結(jié)構(gòu)框圖

3 詳細設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)速源電機的選取

根據(jù)目前裝備現(xiàn)狀，大型飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍一般在0～6000r/min；中、小型飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍一般高達0～12000r/min，旋翼轉(zhuǎn)速范圍相對較小，大型飛機一般在0～250r/min；中、小型飛機旋翼轉(zhuǎn)速范圍再0～450r/min。本設(shè)計選用日本東方電機公司BXM6400-A型無刷直流電動機作為轉(zhuǎn)速源電機，該調(diào)速電機轉(zhuǎn)速范圍為0～3000 r/min， 通過兩倍增速和四倍增速滿足不同飛機轉(zhuǎn)速測試的需求?？紤]到增速裝置要求傳動比準確、結(jié)構(gòu)緊湊無滑動且噪聲低，設(shè)計中采用同步帶帶動齒輪傳動，并在齒此輪傳動裝置周圍設(shè)置保護帶，達到保護傳動裝置和降低噪聲的目的。

3.2 增速及連接裝置設(shè)計

由于選用的轉(zhuǎn)速源電機的轉(zhuǎn)速范圍為0～3000 r/min，為保證轉(zhuǎn)速源提供的轉(zhuǎn)速能夠滿足不同類型飛機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)測試的需要，并考慮轉(zhuǎn)速測試的精度，在轉(zhuǎn)速源電機輸出端增設(shè)增速裝置，通過兩倍增速來達到大型飛機的需求，四倍增速后達到中、小型飛升機轉(zhuǎn)速測試的需求。考慮到增速裝置要求傳動比準確、結(jié)構(gòu)緊湊無滑動且噪聲低，設(shè)計中采用同步帶帶動齒輪傳動，并在齒此輪傳動裝置周圍設(shè)置保護帶，大到保護傳動裝置和降低噪聲的目的。

3.3 轉(zhuǎn)速控制裝置設(shè)計

被測對象的測試內(nèi)容針對不同的轉(zhuǎn)速范圍，測試精度有不同的要求，因而需要設(shè)計一套轉(zhuǎn)速控制裝置，無級調(diào)節(jié)無刷直流電機的轉(zhuǎn)速，以防止轉(zhuǎn)速源電機在起動時由于直接接通直流電源而產(chǎn)生較大的起動電流，引起發(fā)熱、去磁等系列問題。同時，控制器通過切換位置傳感器的邏輯處理方式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速源電機的正反轉(zhuǎn)控制，此處值得指出的是，電機的正反轉(zhuǎn)應(yīng)在電機低速或者停轉(zhuǎn)時實施，避免產(chǎn)生過大的反向制動電流而損壞電機。設(shè)計中選用日本東方電機公司同廠生產(chǎn)的控制套件OPX-1A，該控制器由BXD400A-S型驅(qū)動器、外部數(shù)據(jù)設(shè)定器（包含十圈速度調(diào)節(jié)電位計）和OPX-1A型數(shù)據(jù)設(shè)定器組成。轉(zhuǎn)速設(shè)定器含正反轉(zhuǎn)、停止、急停、轉(zhuǎn)速設(shè)定等按鍵，控制器設(shè)有轉(zhuǎn)速數(shù)顯可直觀反映出電機實時轉(zhuǎn)速值

3.4 轉(zhuǎn)速采集與處理模塊設(shè)計

為了實時監(jiān)測通用轉(zhuǎn)速源輸出的實際轉(zhuǎn)速（傳感器輸入轉(zhuǎn)速），設(shè)計中需要設(shè)置轉(zhuǎn)速采集（測速）裝置，對實際轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果作為標準轉(zhuǎn)速源。常用測速裝置按類別可分為模擬電路測速和數(shù)字電路測速[4]。隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)字電路測速由于其簡單高效越來越成為測速等伺服電路的首選。本設(shè)計選用光電碼盤作為數(shù)字電路測速元件，光電碼盤由槽型光耦和光電碼盤組成[5]，光電碼盤齒數(shù)決定了解碼精度，實際選用100齒碼盤，即電機每轉(zhuǎn)一周，輸出100個脈沖。通過施密特觸發(fā)器對輸出信號整形、通過I/O口送入PC104計算機解算電機轉(zhuǎn)速。

選用光電碼盤雖然可消除傳統(tǒng)測速發(fā)電機因溫度造成的測量誤差，然而為保證測速精度，需要考慮不同測速方法下的誤差來源和處理方法。常用脈沖計數(shù)方法有M（定時測角）法、T（定角測時）法以及M/T法[6]。M法是通過測定某一確定時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)來計算速度值的方法。

若碼盤（即電機輸出軸）旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出脈沖數(shù)（碼盤齒數(shù)）為n1，在設(shè)定時間Ts（s）內(nèi)，測得脈沖數(shù)為m1，則電機轉(zhuǎn)速：

T法：通過測量相鄰脈沖時間間隔來計算被測速度。利用高頻時鐘沖（頻率已知）fc向計數(shù)器發(fā)出脈沖，計數(shù)器的起始與終止由相鄰測速脈沖控制。當計數(shù)器計數(shù)m2，則電機轉(zhuǎn)速：

M/T法：綜合M法與T法，同時檢測時間和該時間間隔內(nèi)的脈沖發(fā)生器的計數(shù)值的測速方法。M/T法利用到兩個計數(shù)器，一個對測速脈沖計數(shù)m1，另一個計數(shù)器對頻率為f的時鐘脈沖計數(shù)m2獲得時間信息，電機轉(zhuǎn)速：

綜合上述分析，M法在極端情況下會產(chǎn)生±1個脈沖檢測誤差，相對誤差隨著轉(zhuǎn)速升高而減小，因此M法在高速時檢測精度高，能較好地反映瞬時速度，而T法相反，在低轉(zhuǎn)速時檢測精度高，對電機調(diào)速較為有利。M/T法適宜高低速測量，但檢測時間過長，不能滿足轉(zhuǎn)速實時顯示或后期電機調(diào)速的要求，實際上M法與T法的使用應(yīng)視具體使用目的而定?？紤]到本設(shè)計中，電機轉(zhuǎn)速信號應(yīng)用于實時轉(zhuǎn)速顯示，因此設(shè)計中采用一種改進式的M法，保留其高速時的測量精度優(yōu)點，通過信號倍頻實現(xiàn)電路上增加碼盤齒數(shù)來改善其低速時的測量精度。

測速脈沖經(jīng)整形限幅后，進入工控機I/O口計數(shù)，設(shè)計選用的改進M法測速用一個定時器和一個計數(shù)器實現(xiàn)。定時器對工控機內(nèi)部主頻時鐘經(jīng)分頻后產(chǎn)生的脈沖計數(shù)獲得時間信息，計數(shù)器對外部脈沖計數(shù)獲得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，再通過公式(1)計算得到轉(zhuǎn)速，計數(shù)流程如圖4所示。

圖4 測速脈沖計數(shù)流程

3.5 倍頻電路設(shè)計與仿真

對于增速裝置的高轉(zhuǎn)速輸出端轉(zhuǎn)速測量，考慮到安全性和同步帶高傳動效率的優(yōu)點，僅需在低轉(zhuǎn)速輸出端進行信號倍頻處理即可。設(shè)計時研究了采用MC7S00和MC7S04集成邏輯電路設(shè)計的模擬式倍頻電路。但考慮到模擬倍頻電路在實際應(yīng)用中對微分電路中的R與C取值較為苛刻，如果不經(jīng)嚴格篩選，會出現(xiàn)兩路脈沖寬度不等的現(xiàn)象，不利于轉(zhuǎn)速信號的測量和調(diào)速實現(xiàn)，因此本設(shè)計中選用74LS74D為核心器件進行電路設(shè)計，如圖5所示。

圖5 數(shù)字式倍頻電路

在圖5中，CLK為1KHZ高頻時鐘信號，輸入100HZ脈沖信號經(jīng)D觸發(fā)器后分為兩路，一路作為異或門輸入，另一路作為第二個D觸發(fā)器輸入，輸出作為異或門另一輸入。兩路移相信號異或后得到二倍頻信號，其脈沖寬度可由CLK頻率調(diào)控，一般情況下，根據(jù)采樣定理要求，CLK頻率要不小于兩倍輸入信號頻率。虛擬四蹤示波器分別接輸入信號（紅），一次移相（綠）、二次移相（藍）和倍頻輸出波形（青），仿真結(jié)果如圖6所示，可以明顯地觀察到，輸出信號頻率為輸入頻率的兩倍，因而實現(xiàn)了信號倍頻的功能，該電路的輸出脈沖寬度可調(diào)、元器件可靠性更高，且信號波形優(yōu)于模擬倍頻。

圖6 數(shù)字式倍頻電路仿真結(jié)果

3.6 轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

測試指標中要求電機具備優(yōu)秀的調(diào)速性能，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差在±1r / min內(nèi)，控制對象無刷直流電機運動方程為[7]：

式(4)中，Te為電磁力矩，j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，TL為負載轉(zhuǎn)矩，B為電機阻尼系數(shù)。由運動方程可知，控制對象為一階系統(tǒng)。針對一階系統(tǒng)選用PI控制率，通過合理設(shè)置比例和積分常值，可以在消除穩(wěn)態(tài)誤差的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)動態(tài)性能。

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由電機、換相信號生成模塊、開關(guān)器件和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊組成。換相信號生成模塊依靠霍爾元件位置信號編碼，電機輸出總線信號引出霍爾元件的位置信號，經(jīng)邏輯門復(fù)合運算即可實現(xiàn)相繞組導(dǎo)通信號。該信號進一步處理后即可送入開關(guān)器件模塊作為觸發(fā)信號。轉(zhuǎn)速控制器由PI控制器和受控電壓源構(gòu)成，轉(zhuǎn)速差信號送入PI控制器產(chǎn)生控制信號，調(diào)節(jié)可控電壓源改變相電壓，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)構(gòu)建如圖7所示。

設(shè)置0.1s時突加負載Tn=1.2Nm，相繞組2.875Ω，電感8.5×103H，反電動勢常數(shù)：146.6077V/krpm。經(jīng)調(diào)試，當PI控制器參數(shù)P=0.013，I=16.61時得到較優(yōu)控制效果，轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線仿真波形如圖8和圖9所示：

圖8 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

當設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)每分，實際響應(yīng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)值為1000轉(zhuǎn)每分，無穩(wěn)態(tài)誤差無超調(diào)，在0.1s突加負載時，轉(zhuǎn)速先下降后上升，在0.02s后恢復(fù)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，即設(shè)計的PI控制器具備良好的調(diào)速效果。對應(yīng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線中0.1s后電機輸出轉(zhuǎn)矩上升，最終穩(wěn)定在負載轉(zhuǎn)矩左右，即電機帶載能力良好。

圖7 電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型

4 試驗

以某大型直升機轉(zhuǎn)速傳感器為例進行測試試驗，連接轉(zhuǎn)速源的高速增速輸出口與測速發(fā)電機相連，將傳感器輸出通過電纜連接到測試臺，測試臺開關(guān)選擇傳感器電壓，此時負載選擇開關(guān)應(yīng)在空載位置。接通轉(zhuǎn)速源和綜合測試臺電源，轉(zhuǎn)速控制選擇人工調(diào)節(jié)，按照傳感器在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的性能指標要求，緩慢調(diào)節(jié)電機控制器轉(zhuǎn)速電位計旋鈕，直到數(shù)顯轉(zhuǎn)速顯示150r/min，此時實際增速口轉(zhuǎn)速為300r/ min，將負載選擇開關(guān)打到20Ω，萬用表筆測量電壓值Uab、ubc、ucd，在測試界面中記錄結(jié)果并將負載開關(guān)扳回到空載位置。再增加轉(zhuǎn)速至1500 r/min，記錄空載電壓值和20Ω負載時的電壓值。保存結(jié)果，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕至電機停轉(zhuǎn)，至此完成傳感器的測試[8]。

在工控機中自動形成的測試記錄如表1所示。

圖9 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

表1 某型旋翼轉(zhuǎn)速表傳感器測試結(jié)果

5 結(jié)論

目前，已研制生產(chǎn)7臺通用轉(zhuǎn)速源套與通用轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)配套并交付部隊使用，應(yīng)用表明，轉(zhuǎn)速源功能齊全，工作可靠穩(wěn)定，具有調(diào)速范圍寬，可適應(yīng)各型飛機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的激勵需求，響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度高，使用方便的特點。通過適當?shù)碾娎|接口更換，還可實現(xiàn)原位信號的激勵，在飛機不開車的情況下完成對轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的檢測，不僅提高了飛機技術(shù)保障的效率，軍事效益明顯，而且可節(jié)約保障成本，具有可觀的經(jīng)濟效益。

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The design of general benchmark rev equipment

Lu Jianhua1 Cai Wei2 Yang Yibo3
（1.Department of Control Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，264001，China；2.The 92913th Unit of PLA，Lingao Hainan，571820，China；3.The 92074th Unit of PLA，Ningbo Zhejiang，315021，China）

the general benchmark rev equipment which rotational speed controlled manually is designed to simulate the rotational speed of the main aircraft engine reducer，and therefore the integrity monitoring and fault diagnosis of engine rev system or rotor rev system can be carried out.In order to monitor the real output rotational speed of general benchmark rev equipment and to enable the equipment to regulate speed automatically，this paper designs speed acquisition and processing circuit，double frequency circuit and rotational speed-adjusting controller.Simulation method is utilized to validate the correctness and feasibility of the design.The practical application proves that the benchmark rev equipment，which owns the characteristics of wide speed-adjusting range，high-precision rotational speed and excellent stability，can drive four speed sensors and four indicators to execute the performance measurement and diagnosis.

aircraft rotational speed system；benchmark rev equipment；rotational speed control；design

盧建華（1970—），男，碩士研究生，教授，主要從事航空自動化（航空電氣儀表與控制工程）與無人機應(yīng)用工程方面的教學和科研任務(wù)，先后在核心期刊上發(fā)表論文60余篇，多次獲軍隊科技進步獎和軍隊級教學成果獎，主講的《飛機電源與電氣控制》課程2009年獲國家精品課程。