航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字式電子控制器綜合測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃祺晟，楊紀(jì)明，周章文，孫四海

(空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安，710038)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)，是一個(gè)集各種高新技術(shù)于一體的故障多發(fā)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、工作狀態(tài)多變的特點(diǎn)[1]，因此控制系統(tǒng)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能及穩(wěn)定性、減少總體費(fèi)用等方面起著至關(guān)重要的作用[2]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，早期的發(fā)動(dòng)機(jī)采用簡單的液壓機(jī)械開環(huán)控制系統(tǒng)，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)功能及控制變量的不斷擴(kuò)展，液壓機(jī)械裝置逐漸到達(dá)了極限。為解決發(fā)動(dòng)機(jī)在最大狀態(tài)下的控制問題，機(jī)械液壓+模擬電子控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行包線內(nèi)提供超溫超轉(zhuǎn)保護(hù)[3]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子控制器的誕生標(biāo)志著控制律的實(shí)現(xiàn)由硬件主導(dǎo)向軟件主導(dǎo)的過渡，使得快速實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)改進(jìn)而無需修改硬件成為可能[4-5]。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)早期采用模擬式電子控制器，隨著型號(hào)發(fā)展，后期升級(jí)為數(shù)字式電子控制器。根據(jù)反饋，原有綜合測(cè)控系統(tǒng)已無法滿足維修保障需求，且原系統(tǒng)存在體積重量大、系統(tǒng)升級(jí)困難、語言障礙等問題，極大影響了保障效率及轉(zhuǎn)場(chǎng)能力。目前國內(nèi)關(guān)于該型發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器測(cè)控系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，缺乏大修條件下的檢測(cè)能力，系統(tǒng)集成度也不高[6-9]。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了某型綜合測(cè)控系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試與外場(chǎng)實(shí)機(jī)測(cè)試，該測(cè)控系統(tǒng)工作良好，且能實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)功能的上位替代。

1 信號(hào)分析及綜合測(cè)控系統(tǒng)組成

1.1 數(shù)字式電子控制器功能及其信號(hào)分析

該型發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器的功能主要包括：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)上傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)和限制高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及渦輪后燃?xì)鉁囟龋话l(fā)動(dòng)機(jī)喘振檢測(cè)、預(yù)防及消除；渦輪冷卻控制；低壓導(dǎo)葉調(diào)整；控制系統(tǒng)主備份切換；發(fā)動(dòng)機(jī)加力控制；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值監(jiān)控；空中自動(dòng)起動(dòng)控制；應(yīng)急放油控制；發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控；發(fā)動(dòng)機(jī)有壽件運(yùn)行時(shí)間記錄等。

為便于與測(cè)控系統(tǒng)建立聯(lián)系，按方向及功能大致可將與控制器交聯(lián)的信號(hào)進(jìn)行如下分類：其中輸入信號(hào)包括傳感器信號(hào)、地面檢查數(shù)字信號(hào)及開關(guān)量信號(hào)，輸出信號(hào)則包括傳感器激勵(lì)信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)、地面檢查數(shù)字信號(hào)、占空比控制信號(hào)及經(jīng)電子控制器處理后的傳感器線性電壓信號(hào)。

1.2 綜合測(cè)控系統(tǒng)功能分析及組成

綜合測(cè)控系統(tǒng)通過全面模擬發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)上相關(guān)傳感器、電門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等產(chǎn)生的輸入信號(hào)，離線模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)，并通過采集處理輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)電子控制器的自動(dòng)檢測(cè)、校準(zhǔn)及故障定位診斷。此外，系統(tǒng)還能為試車狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)提供在線參數(shù)記錄及分析。

原測(cè)控系統(tǒng)為純模擬器件搭建的柜式檢測(cè)臺(tái)，體積龐大且檢測(cè)流程由人工實(shí)現(xiàn)，效率較低。新系統(tǒng)則全面采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，將測(cè)控系統(tǒng)縮小至手提箱大小，具備了快速轉(zhuǎn)移、部署的能力，并實(shí)現(xiàn)了常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目的自動(dòng)化。

系統(tǒng)由綜合測(cè)控箱、數(shù)控電阻箱、數(shù)據(jù)采集卡、裝有測(cè)控軟件的上位機(jī)平臺(tái)及數(shù)控電源(或由機(jī)載電源供電)組成。測(cè)控系統(tǒng)的組成及信號(hào)交聯(lián)關(guān)系見圖1。

圖1 綜合測(cè)控系統(tǒng)組成

綜合測(cè)控箱為測(cè)控系統(tǒng)的核心，其功能包括解析測(cè)控軟件指令，模擬及回采開關(guān)量信號(hào)，故障模擬，傳感器信號(hào)模擬，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。

數(shù)控電阻箱的功能是模擬熱電阻阻值，為數(shù)字電子控制器提供發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度、滑油溫度及燃油溫度傳感器的輸入。

系統(tǒng)采用阿爾泰公司的USB3121型數(shù)據(jù)采集卡作為模擬量采集，該型數(shù)據(jù)采集卡提供了對(duì)應(yīng)的API接口，可根據(jù)需要自行編寫測(cè)控軟件。

上位機(jī)平臺(tái)為安裝測(cè)控軟件的計(jì)算機(jī)，可在滿足測(cè)控軟件運(yùn)行最低要求的前提下根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更換。

測(cè)控軟件基于NI公司的LabVIEW 2017平臺(tái)開發(fā)，并配合Acess數(shù)據(jù)庫，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)功能分為傳感器信號(hào)發(fā)生、線性電壓采集、指示燈信號(hào)采集、電源、開關(guān)量信號(hào)模擬及回采、通信等多個(gè)模塊。

2.1 傳感器信號(hào)發(fā)生模塊

根據(jù)傳感器的工作原理，綜合檢測(cè)系統(tǒng)需要模擬3種不同類型的傳感器信號(hào)，包括頻率信號(hào)、電壓信號(hào)以及電阻信號(hào)，其中電壓信號(hào)又細(xì)分為激勵(lì)型和非激勵(lì)型信號(hào)。模塊的工作原理見圖2。

圖2 傳感器信號(hào)發(fā)生模塊工作原理

以頻率信號(hào)為例，系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生幅值、頻率可調(diào)信號(hào)。相較于模擬技術(shù)，具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度高、相位變化連續(xù)、波形輸出靈活、相位噪聲和漂移低、使用靈活方便等眾多優(yōu)勢(shì)[10-11]。常規(guī)DDS技術(shù)主要有2種實(shí)現(xiàn)方式，一是基于FPGA的方式，通過DAC將FPGA產(chǎn)生的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的波形輸出，經(jīng)低通濾波器平滑處理后得到相應(yīng)波形[12]。該方式的優(yōu)點(diǎn)是通過改寫波形ROM數(shù)據(jù)來產(chǎn)生任意波形信號(hào)[13-14]，缺點(diǎn)是為確保信號(hào)的精度，技術(shù)難度較大[15]；二是通過MCU或FPGA控制專用DDS芯片產(chǎn)生頻率信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器及高頻運(yùn)算放大器[16]后得到對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，該方式的優(yōu)勢(shì)是電路結(jié)構(gòu)緊湊、頻率穩(wěn)定、通用性高且整體功耗低[17-18]，但是輸出波形靈活性不如前者。

綜合各項(xiàng)因素，本測(cè)控系統(tǒng)以AD9959專用DDS芯片為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)信號(hào)調(diào)理電路處理方法，得到高精度頻率信號(hào)。

以喘振信號(hào)發(fā)生電路為例(見圖3)，信號(hào)發(fā)生分為頻率發(fā)生和幅值調(diào)節(jié)2個(gè)步驟。以10位振幅精度AD9959芯片為核心的頻率發(fā)生電路根據(jù)主控芯片指令產(chǎn)生頻率可變的正弦電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)濾波放大后，由電壓比較器整形為同頻率方波信號(hào)。此方波信號(hào)一路經(jīng)二級(jí)分頻器分頻后，作為數(shù)字低通濾波芯片的基頻信號(hào)，另一路未經(jīng)分頻的方波信號(hào)則作為芯片的時(shí)鐘信號(hào)，輸出幅值固定、頻率可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦輸出信號(hào)。

在幅值控制電路中，頻率發(fā)生電路的輸出信號(hào)作為16位高精度DAC的參考電壓，DAC在主控芯片的控制下產(chǎn)生與參考電壓成正比的輸出電壓，即為幅值、頻率均可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號(hào)，且幅值分辨率遠(yuǎn)高于原芯片。

圖3 喘振信號(hào)發(fā)生電路原理圖

2.2 延遲時(shí)間檢測(cè)模塊

該模塊用于檢測(cè)電子調(diào)節(jié)器從故障發(fā)生至故障警告信號(hào)/控制信號(hào)產(chǎn)生之間的延遲時(shí)間。

此模塊利用CPLD高速響應(yīng)的特點(diǎn)，將延遲時(shí)間轉(zhuǎn)換為脈沖電平，由數(shù)據(jù)采集卡采樣并計(jì)算得到延遲時(shí)間。

以N1通道故障信號(hào)延遲時(shí)間為例，延遲脈沖產(chǎn)生的原理見圖4。2路N1轉(zhuǎn)速傳感器的繼電器控制信號(hào)(高電平為接通)通過或門及反相施密特觸發(fā)器后，再與N1通道故障信號(hào)通過異或門輸出。當(dāng)N1傳感器信號(hào)未全部出現(xiàn)問題時(shí)，反相施密特觸發(fā)器的輸出為低電平，若在此時(shí)出現(xiàn)了N1通道故障信號(hào)，則CPLD的輸出為高電平，即數(shù)字控制器存在故障；當(dāng)傳感器均斷開后，反相施密特觸發(fā)器后的電平跳變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)N1通道故障信號(hào)尚未產(chǎn)生，在異或門的作用下，CPLD的輸出同時(shí)跳變?yōu)楦唠娖?，在電子控制器發(fā)出N1通道故障信號(hào)后，CPLD的輸出跳變?yōu)榈碗娖剑嗣}沖電平的寬度即代表了由N1通道故障到其故障信號(hào)產(chǎn)生之間的延遲時(shí)間。

2.3 信號(hào)采集、開關(guān)量模擬及回采模塊

本模塊的原理如圖5所示。

圖5 信號(hào)采集及開關(guān)量模塊原理

為解決采集卡通道數(shù)不足的問題，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的離散及線性電壓，經(jīng)多路復(fù)用芯片后，與主控芯片配合共同實(shí)現(xiàn)分時(shí)采集。

同理，開關(guān)量信號(hào)模擬及回采也借由總線擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)。

3 測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控軟件基于LabVIEW 2017平臺(tái)及Acess數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)。軟件共有2級(jí)界面，一級(jí)界面通過軟件的形式還原了舊檢測(cè)臺(tái)操作面板，即維修人員可通過人工方式完成相應(yīng)的檢測(cè)，見圖6。

二級(jí)界面包括地面檢查及波形顯示2個(gè)子界面。在該界面下，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)電子控制器的自動(dòng)檢測(cè)及故障診斷、傳感器校準(zhǔn)、有壽件履歷查詢、信號(hào)波形查看等。

圖6 測(cè)控軟件用戶界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試主要分兩階段進(jìn)行。第1階段主要測(cè)試系統(tǒng)軟硬件的基本功能，并對(duì)各模塊信號(hào)進(jìn)行采集、觀察和校準(zhǔn)。第2階段主要驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)與電子控制器的聯(lián)合工作情況及系統(tǒng)精度測(cè)試。因系統(tǒng)涉及信號(hào)較多，下面僅以N1通道精度測(cè)試為例。將測(cè)控系統(tǒng)與狀態(tài)良好的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器連接，手動(dòng)調(diào)整模擬傳感器信號(hào)參數(shù)，并借助高精度測(cè)量儀器測(cè)量電子控制器在該信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)線性電壓信號(hào)有效值，同時(shí)將測(cè)量值與維護(hù)手冊(cè)中對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)線性電壓輸出值進(jìn)行比較，間接獲得測(cè)控系統(tǒng)的控制精度。通過高精度測(cè)量儀器的測(cè)量值與測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，獲得測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量精度，其中N1通道測(cè)試結(jié)果見表1，傳感器模擬信號(hào)輸出波形見圖7。

表1 N1通道電壓測(cè)量值

圖7 N1轉(zhuǎn)速傳感器模擬信號(hào)輸出波形

由測(cè)試結(jié)果可以得出，測(cè)控系統(tǒng)工作良好，測(cè)控精度較高，滿足相關(guān)的測(cè)試要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的上位替代。

5 結(jié)語

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字式電子調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)了一型綜合測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的外場(chǎng)檢測(cè)及大修檢測(cè)，相較于原系統(tǒng)，具有便攜、精度高、集成度及自動(dòng)化程度高、使用門檻低等特點(diǎn)，降低了相關(guān)維護(hù)人員的培訓(xùn)難度，提高了維護(hù)效率。目前該系統(tǒng)已用于某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)大修維護(hù)中，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，該系統(tǒng)能很好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)節(jié)器的維護(hù)需要。此外，作為全數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)也可為后期發(fā)動(dòng)機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)研制提供試驗(yàn)平臺(tái)。