某型發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度T1異常跳動故障分析與排除

胡惠芳 寧小偉 趙柯 鄧林

摘要：某型發(fā)動機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口溫度T1多次出現(xiàn)線性電壓異常跳動情況，對此從發(fā)動機(jī)T1測量及線性電壓輸出原理出發(fā)，結(jié)合電磁兼容、信號完整性理論及故障測試結(jié)果進(jìn)行分析，最后確定了故障原因，并制定了排除該故障的有效措施。

關(guān)鍵詞：T1溫度；數(shù)字調(diào)節(jié)器；信號完整性；排故方法

Keywords：T1 temperature；digital electronic engine controller；signal integrity；eliminate methods

0 引言

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口溫度T1是控制發(fā)動機(jī)的重要參數(shù)，發(fā)動機(jī)的n1、n2、T4調(diào)整程序、n1換算轉(zhuǎn)速等多項(xiàng)控制參數(shù)都受T1溫度影響，該參數(shù)的可靠性對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定控制非常重要。當(dāng)飛機(jī)記錄的T1線性電壓存在異常跳變時(shí)，確認(rèn)其跳變原因并制定解決措施是非常必要的。本文針對某型發(fā)動機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的T1線性電壓異常跳變故障進(jìn)行研究，分析其故障成因并制定排故方法，以供同行分析參考。

1 故障描述

多臺某型發(fā)動機(jī)飛行結(jié)束后，對飛機(jī)記錄的發(fā)動機(jī)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀，發(fā)現(xiàn)由數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的T1線性電壓存在異常掉為0V的情況。送修后，在給定T1溫度為0℃條件下，對故障數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的T1線性電壓進(jìn)行示波，發(fā)現(xiàn)故障調(diào)節(jié)器的T1線性電壓在短時(shí)間內(nèi)存在多次掉為0V的異常跳變情況（T1由0℃變?yōu)?60℃），單次跳變持續(xù)16ms，跳變的頻次比較隨機(jī)，較快時(shí)能達(dá)到每秒6次左右，典型的異常輸出波形如圖1所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，明顯存在該異常跳變的數(shù)字調(diào)節(jié)器有十余臺。

2 工作原理

2.1 數(shù)字調(diào)節(jié)器T1測量原理

T1溫度測量、線性電壓輸出原理如圖2所示。CPU控制恒流源輸出兩路恒定電流I1、I2，其中I1電流通過T1傳感器后形成與溫度相關(guān)的敏感電壓，敏感電壓經(jīng)過程控放大器放大后進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成16位的T1溫度數(shù)據(jù)用于發(fā)動機(jī)控制，該數(shù)據(jù)可由APM（地面維護(hù)設(shè)備）通過RS232總線讀取并顯示，I1、I2電流相等，用于消除線路電阻溫度變化對T1溫度測量準(zhǔn)確性的影響。

2.2 T1線性電壓產(chǎn)生原理

飛機(jī)EPT記錄的T1線性電壓的產(chǎn)生是由CPU將16位T1溫度數(shù)據(jù)按公式計(jì)算后，降精度為8位，再通過SPI數(shù)據(jù)總線發(fā)送至8位DA數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5308轉(zhuǎn)換后輸出。T1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為線性電壓的電路如圖3所示。芯片DA23有8路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，輸出T1溫度、滑油壓力Pm、n1轉(zhuǎn)速、n2轉(zhuǎn)速等線性電壓信號。數(shù)據(jù)幀同步信號線LDI線為低時(shí)開始傳輸DA23通道A的數(shù)據(jù)，直到通道H傳輸完成恢復(fù)為高，通道A對應(yīng)T1線性電壓。

AD5308數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖4所示。SYNC（數(shù)據(jù)幀同步信號）為低時(shí)DIN（串行數(shù)據(jù)）在SCLK（串行時(shí)鐘）作用下移位到AD5308移位寄存器中，數(shù)據(jù)幀（16位數(shù)據(jù)）傳送完成后，在LDAC信號上升沿的作用下，移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)更新到DAC寄存器中用于轉(zhuǎn)換輸出。

3 故障分析及排除

3.1 故障樹分析

根據(jù)分析，列出T1線性電壓異常跳變故障樹，如圖5所示。

其中，T1斷線及短路故障可由地面維護(hù)設(shè)備讀取數(shù)字調(diào)節(jié)器相應(yīng)故障字來定位，T1斷線或短路時(shí)數(shù)字調(diào)節(jié)器分別報(bào)T1>550K和T1<213K故障。數(shù)字調(diào)節(jié)器的故障可通過對相應(yīng)電路的檢查來確定。

3.2 故障定位

用APM通過數(shù)字通信端口對T1參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，APM上顯示的T1參數(shù)穩(wěn)定，不存在異常跳動，因此確認(rèn)T1測量電路正常，故障應(yīng)出現(xiàn)在T1數(shù)據(jù)經(jīng)SPI總線到DAC轉(zhuǎn)換輸出線性模擬電壓部分電路中。

對故障數(shù)字調(diào)節(jié)器的DA轉(zhuǎn)換芯片、運(yùn)算放大器及SPI總線上的邏輯門芯片依次進(jìn)行更換，T1跳變故障依然存在，因此排除電子元件失效導(dǎo)致該故障的可能。對故障數(shù)字調(diào)節(jié)器進(jìn)行板件串件后測試發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)串裝模擬板（DA23所在板）、CPU板或者將板件轉(zhuǎn)接出數(shù)字調(diào)節(jié)器都能使故障現(xiàn)象消失，只有故障數(shù)字調(diào)節(jié)器的原臺模擬板和CPU板組合到一起時(shí)故障復(fù)現(xiàn)。因此判斷故障可能是由T1信號鏈路上的傳輸不匹配引起的。

對故障數(shù)字調(diào)節(jié)器T1信號鏈路上的信號進(jìn)行測試，當(dāng)使用示波器探頭連接圖3的數(shù)據(jù)幀同步信號線LDI，或是在LDI線上連接10cm以上的導(dǎo)線均能消除T1線性電壓輸出端的異常跳變。因此可以確認(rèn)，DA23數(shù)據(jù)幀更新線LDI在更新通道A（對應(yīng)T1線性電壓）DAC數(shù)據(jù)時(shí)存在的不匹配噪聲是導(dǎo)致T1線性電壓異常跳變的原因。

由于DA23數(shù)據(jù)的傳輸起始于LDI的下降沿，而數(shù)據(jù)由移位寄存器更新到DA輸出寄存器發(fā)生在LDI的上升沿，因此LDI信號線上的干擾是由信號下沖振鈴引起的。信號下沖及其振鈴如圖6所示。

信號振鈴是傳輸線不匹配的一種常見干擾形式。不匹配情況嚴(yán)重時(shí)，信號振鈴會導(dǎo)致后級電路的誤觸發(fā)，由于數(shù)字調(diào)節(jié)器的LDI為周期性信號，在特定線路阻抗及布線長度下會在傳輸線上形成駐波，使得信號的振鈴幅度得到增強(qiáng)。根據(jù)AD5308數(shù)據(jù)手冊，當(dāng)LDI信號振鈴強(qiáng)度達(dá)到1.7V時(shí)將觸發(fā)移位寄存器的數(shù)據(jù)更新到轉(zhuǎn)換寄存器中，然后轉(zhuǎn)換輸出。

由于LDI的下降沿與信號振鈴的上升沿時(shí)間間隔較小，LDI信號下降沿到來后SPI開始傳輸通道A（T1通道）數(shù)據(jù)，隨后振鈴的上升沿到來時(shí)通道A的移位寄存器尚處于清零狀態(tài)，振鈴的上升沿使數(shù)據(jù)為零的移位寄存器數(shù)據(jù)更新到了通道A轉(zhuǎn)換輸出寄存器內(nèi)，導(dǎo)致A通道輸出0V的T1線性電壓，與故障表現(xiàn)的掉為0V的現(xiàn)象相符。

3.3 故障排除措施

故障是由LDI信號不匹配產(chǎn)生的信號振鈴導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新誤觸發(fā)引起的，解決該問題的方法主要為阻抗匹配或噪聲抑制等方式。

根據(jù)產(chǎn)品電路及印制板已經(jīng)成型等情況，應(yīng)選擇電路改動較小、新增元件較少、對線路傳輸信號影響較小的方式進(jìn)行處理?？梢酝ㄟ^串聯(lián)終端匹配、并聯(lián)終端匹配等多種方式實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但因涉及電路改動相對較大或增加電子元件相對較多而未被采用。根據(jù)試驗(yàn)中噪聲可被示波器探頭寄生的10～100pf電容濾除或者被大于10cm的天線輻射出去的特點(diǎn)，計(jì)算出該反射噪聲頻段大于1.5GHz，因此采用對圖3中DA23的LDI信號輸入端并聯(lián)100pf的旁路電容來對信號的振鈴進(jìn)行阻尼的方式來處理。

3.4 效果評估

在DA轉(zhuǎn)換芯片AD5308的數(shù)據(jù)更新線“LDI”并聯(lián)100pf的小容值電容后，用示波器觀察修理后的T1線性電壓輸出情況，輸出的T1線性電壓穩(wěn)定，異常跳變情況消失。目前已有多臺相同故障的數(shù)字調(diào)節(jié)器按該方法修理合格后交付外場，外場使用情況穩(wěn)定。因此，通過該修理措施，有效排除了該型數(shù)字調(diào)節(jié)器常見的T1異常跳變故障。

4 結(jié)論

T1異常跳變故障原因?yàn)椋篋A轉(zhuǎn)換芯片AD5308的周期性數(shù)據(jù)更新線LDI的阻抗不匹配，在終端產(chǎn)生了信號下沖及振鈴，在LDI信號線特定的布線長度及線路阻抗下，信號反射形成駐波使振鈴信號得到加強(qiáng)，振鈴的上升沿使數(shù)據(jù)已清零且尚未開始傳輸?shù)腡1線性電壓數(shù)據(jù)更新到了DA轉(zhuǎn)換輸出寄存器內(nèi)，轉(zhuǎn)換輸出了0V的異常跳變。通過對振鈴噪聲特點(diǎn)的分析和計(jì)算，確定了噪聲的頻段，并進(jìn)一步確定了噪聲的抑制方式和元件參數(shù)的確定，最終實(shí)現(xiàn)了該型數(shù)字調(diào)節(jié)器多發(fā)的T1異常跳變故障的排除。

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作者簡介

胡惠芳，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)技術(shù)研究。

寧小偉，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)修理技術(shù)研究。

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