基于FPGA的航空發(fā)動機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉角度測量系統(tǒng)設(shè)計

趙晶 吳吉昌

摘 要：為了獲得發(fā)動機(jī)的最佳性能和可靠性，并保證壓氣機(jī)工作的穩(wěn)定。開展了可調(diào)導(dǎo)葉角度的測量研究。針對小型航空發(fā)動機(jī)空間狹小等問題，選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器解決空間安裝問題，通過FPGA延時斷電設(shè)計，解決了高精度同步測量以及無記憶等問題。

關(guān)鍵詞：FPGA；航空發(fā)動機(jī)；角度測量；設(shè)計

中圖分類號：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0080-02

0 引言

在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計中，可調(diào)導(dǎo)葉是航空發(fā)動機(jī)一種非常重要的主動控制手段，可以有效避免壓氣機(jī)在非設(shè)計工況下發(fā)生失速和喘振，以提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作范圍并有效改善壓氣機(jī)的非設(shè)計工況性能，以提高發(fā)動機(jī)在飛行設(shè)計狀態(tài)的性能。航空發(fā)動機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉的角度測量，要求測量精度高，傳感器體積小。為了解導(dǎo)葉之間，導(dǎo)葉與油門桿之間角度關(guān)系，需要進(jìn)行多點測量，保證測量的高精度。為了解決小體積高精度這一問題，設(shè)計了雙通道導(dǎo)葉角度測量系統(tǒng)，提高測量精度，滿足航空發(fā)動機(jī)多通道測量的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 傳感器的選擇

根據(jù)某型發(fā)動機(jī)測試精度為0.1度的實際需要，傳感器選用了TURCK公司生產(chǎn)的2400型-2000增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。其特點是：價格適宜、體積小、重量輕、信號傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高，為2000脈沖/圈。有A、B、Z三相輸出，其角度分辨率為360÷2000=0.18度/脈沖。盡管直接測量不能滿足0.1度的測試要求，但是可以根據(jù)傳感器的輸出特性在二次儀表上采取措施，達(dá)到提高系統(tǒng)測試精度的目的。

1.2 傳感器工作原理

可調(diào)導(dǎo)葉角度傳感器電路圖如圖1所示。其中Z相每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖，輸出脈沖反映了角度的零位置，其頻率反映了速度。轉(zhuǎn)盤上黑白相間的條紋越多，則分辨率越高，體積也就越大。A、B相的幾何位置使得A、B相的電信號輸出在相位上相差1/4周期（2π/4），其輸出特性如圖2所示。

從輸出特性上可以看到，在一個周期內(nèi)（相當(dāng)機(jī)械角度0.18度），A、B相共有四個上下沿，而每個沿之間相差90度的電氣角。如果利用數(shù)字電路在編碼器一個周期內(nèi)記憶這四個上下沿，在效果上相當(dāng)于將0.18度的機(jī)械角細(xì)分4倍，即對傳感器輸出信號進(jìn)行四倍頻。

按以上所述：如果我們選用TURCK 2400型-2000編碼器，經(jīng)上述數(shù)字電路處理后可獲得：360÷2000÷4=0.045度/脈沖，也就是說，經(jīng)二次儀表的細(xì)分電路，可以使系統(tǒng)的測量精度提高四倍。

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計時，采用模塊化設(shè)計的思想，按照技術(shù)指標(biāo)設(shè)計各個功能模塊，通過各模塊之間的協(xié)調(diào)配合完成系統(tǒng)的測試任務(wù)。雙通道角位移測量系統(tǒng)由濾波整形、電平變換、FPGA和配置電路、CPU以及顯示屏等組成。其原理框圖如圖3所示。

2.1 濾波整形

在發(fā)動機(jī)導(dǎo)葉角度測試時，傳感器與二次儀表之間的距離一般都有數(shù)米遠(yuǎn)。為防止干擾的混入，必須采取可靠的抗干擾措施，以保證測量的準(zhǔn)確性。濾波器的作用主要是消除耦合，輻射干擾，濾波后的信號隨之進(jìn)行整形，為后來的信號處理作準(zhǔn)備。

2.2 電平變換電路

細(xì)分電路都是利用脈沖沿來實現(xiàn)的。如果有外來干擾混入都將給系統(tǒng)帶來很大的誤差。本測量儀準(zhǔn)確與否，在很大的程度上取決于系統(tǒng)的抗干擾能力。因為一個干擾脈沖信號就可能導(dǎo)致0.045度的誤差，這是測試儀器所不允許的。除上述在前置端加濾波電路外在器件的選擇上，我們采用了CMOS器件，工作電壓+12V，以提高噪聲容限，達(dá)到抗干擾的目的。這樣一來，本系統(tǒng)就有+12V和單片機(jī)系統(tǒng)用的+5V二組電源，它們之間要協(xié)調(diào)的工作必須經(jīng)過電平變換。

2.3 FPGA實現(xiàn)細(xì)分判向和可逆計數(shù)功能

細(xì)分判向電路直接影響測試精度和動態(tài)響應(yīng)速度。傳統(tǒng)的方法不是抗干擾能力差就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差?？删幊唐骷某霈F(xiàn)，使得復(fù)雜的邏輯組合電路設(shè)計變得簡單、明朗，使我們的調(diào)試修改變得十分輕松，不需要變動任何硬件，只須變動相應(yīng)的邏輯表達(dá)式就可實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能。我們采用FPGA就可完成上述邏輯關(guān)系，從而使計數(shù)器正確計數(shù)。

角位移的方位由傳感器的A、B相來決定。當(dāng)A相超前B相時，將旋轉(zhuǎn)方位定義為正，當(dāng)B相超前A相時，旋轉(zhuǎn)方位定義為負(fù)。之所以這樣是根據(jù)可逆計數(shù)的特點，我們可以用Veirlog語言編程，以描述細(xì)分判向電路時序圖和可逆計數(shù)的邏輯關(guān)系。邏輯關(guān)系編輯完成后，生成目標(biāo)文件JED，直接寫入FPGA，完成專用細(xì)分判向電路設(shè)計。

2.4 通訊接口

CPU的串口外接MAX232芯片，形成標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，以便于其進(jìn)行通訊。從某種意義上來講，雙通道角位移測量儀是一臺下位機(jī)，通過RS232接口與CPU通訊。

2.5 數(shù)據(jù)的自動保存

傳感器器有一個致命的弱點，每次開機(jī)或斷電時，傳感器的測量總是從零點開始。例如，發(fā)動機(jī)的可調(diào)葉片角度每次試車都根據(jù)不同的狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，不可能每次都從零開始調(diào)節(jié)角度，我們在設(shè)計中增加了電擦除串行E2PROM，24LCO1B以自動保存數(shù)據(jù)。當(dāng)儀器掉電時，利用電容的貯能作用，CPU立即接受中斷申請，將當(dāng)前顯示值作為下一次測量的初始值存入24LC01B。儀器下次通電后，CPU從24LC01B讀出數(shù)據(jù)作為初始值和當(dāng)前測量值進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，這樣就保證了發(fā)動機(jī)葉片實際角度與儀器顯示始終同步。從根本上解決了增量式旋轉(zhuǎn)編碼器不帶記憶的缺點。

2.6 電源

本測量儀采用+5V，+12V供電，為消除電源的干擾在穩(wěn)壓源的前后均設(shè)計了瞬變干擾抑制電路，以保證整機(jī)的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是以硬件電路為核心，根據(jù)測量系統(tǒng)具體的測試需要編程。在本測量系統(tǒng)中，通過FPGA實現(xiàn)雙通道導(dǎo)葉角度的數(shù)據(jù)采集、處理以及和CPU之間的通訊，采用自頂向下的設(shè)計方法，把系統(tǒng)分為輸入、輸出和信號控制等功能模塊，其中軟件設(shè)計CPU設(shè)計我們采用微處理器AT89C51來完成，程序流程圖如圖4所示。

4 測量系統(tǒng)校準(zhǔn)

為了對測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，需準(zhǔn)備校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)裝置由光學(xué)分度頭、高度尺和讀數(shù)表組成，靜態(tài)校準(zhǔn)裝置實物如圖5所示，校準(zhǔn)實測數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于FPGA的雙通道角位移測量系統(tǒng)是根據(jù)某發(fā)動機(jī)提出的要求而完成的。該系統(tǒng)利用FPGA快速性、可并行性等特點，在某型發(fā)動機(jī)的現(xiàn)場測試中，它很好地展示了發(fā)動機(jī)在各狀態(tài)下0級，1級、2級可調(diào)葉片的角度，同時也清楚地表明了它們之間的相互關(guān)系。

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