一種渦扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及高齒信號采集方法研究

摘要：航空發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的變化多數(shù)情況都伴隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)速直接與經(jīng)過發(fā)動機(jī)的流量及推力聯(lián)系在一起，因此轉(zhuǎn)速信號的采集顯得十分重要。鑒于此，提出了一種高可靠轉(zhuǎn)速信號及高齒信號采集的方法，使用信號調(diào)理電路結(jié)合高性能處理器采集邏輯進(jìn)行信號采集，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了采集方法的正確性，滿足發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號采集精度，符合預(yù)期結(jié)果，為優(yōu)化渦扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及高齒信號采集精度提供了參考。

關(guān)鍵詞：渦扇發(fā)動機(jī)；轉(zhuǎn)速信號；高齒信號；轉(zhuǎn)速采集

中圖分類號：V235.13" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.017

0" " 引言

航空發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的變化多數(shù)情況都伴隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)速直接與經(jīng)過發(fā)動機(jī)的流量及推力聯(lián)系在一起[1]，轉(zhuǎn)速信號的采集顯得十分重要。航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號多通過磁電式傳感器采集，傳感器輸出信號為類正弦模擬量信號，該模擬量信號包含了發(fā)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及高齒信號。目前大部分渦扇發(fā)動機(jī)均為雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)，以某型民用發(fā)動機(jī)為例，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1的頻率范圍為50～3 100 Hz，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2的頻率范圍為200～12 500 Hz，轉(zhuǎn)速頻率覆蓋范圍廣，如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速及高齒信號的解析成為需要考慮的技術(shù)關(guān)鍵。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號采集主要包含采集電路和采集邏輯兩部分。本文描述了一種高可靠轉(zhuǎn)速信號及高齒信號采集的方法，在傳統(tǒng)調(diào)理電路脈沖計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，引入高采樣率AD芯片結(jié)合ZYNQ U+處理器PL邏輯，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的信號及高齒信號采集，可應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)高頻轉(zhuǎn)速信號及高齒信號的采集中，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的準(zhǔn)確采集。

1" " 航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號測量原理

轉(zhuǎn)速測量通過轉(zhuǎn)速傳感器與音輪配合實(shí)現(xiàn)，航空發(fā)動機(jī)多使用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器[2]，具體采集原理圖如圖1（a）所示。

在音輪轉(zhuǎn)動過程中，每個(gè)音輪齒轉(zhuǎn)過傳感器會產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，其中會有一個(gè)音輪齒大于其他音輪齒，該齒為高齒，高齒產(chǎn)生的信號脈沖高于其他齒，高齒信號用于相位基準(zhǔn)標(biāo)記[3-4]。傳感器采集脈沖信號示意圖如圖1（b）所示。

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速采集原理，信號調(diào)理主要分為兩部分：一部分為轉(zhuǎn)速信號調(diào)理采集，用于測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；另一部分為高齒信號調(diào)理采集，用于識別音輪高齒信號，標(biāo)注轉(zhuǎn)子相位等重要信息。具體轉(zhuǎn)速/高齒信號調(diào)理電路原理如圖2所示。

2" " 轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號幅值隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，高壓轉(zhuǎn)子在發(fā)動機(jī)啟動階段轉(zhuǎn)速較低，此時(shí)轉(zhuǎn)速信號幅值不到1 V，但發(fā)動機(jī)在高速工況時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號幅值可達(dá)14 V。為保證傳感器輸出轉(zhuǎn)速信號可被邏輯正確識別，需對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路主要由限幅濾波電路、差分放大電路、滯回比較電路構(gòu)成[5]，詳細(xì)電路原理如圖3所示。

為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速信號的電壓幅值，需對轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的類正弦電壓信號進(jìn)行限幅濾波，調(diào)理電路設(shè)計(jì)時(shí)使用電阻電容組成的帶通濾波和兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管相結(jié)合，其作用是把轉(zhuǎn)速電壓控制在0.7 V的范圍，可以保證電壓放大的一致性。另外，非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是，由于測量信號涉及發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速在高速工況下頻率可達(dá)上萬赫茲，因此，加入鉗位電路可以防止當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)過高的輸入信號電壓將電路損壞，該電路設(shè)計(jì)極大地提高了電路的可靠性。針對該限幅濾波電路原理，通過Multism軟件對電路功能進(jìn)行仿真，輸入頻率1 kHz、幅值為5 V的模擬轉(zhuǎn)速信號，波形如圖4（a）所示，經(jīng)限幅濾波電路后輸出轉(zhuǎn)速信號波形如圖4（b）所示，從仿真結(jié)果可以確認(rèn)，電路可有效實(shí)現(xiàn)限幅濾波功能，輸出轉(zhuǎn)速信號被控制在0.7 V范圍內(nèi)。經(jīng)限幅濾波電路調(diào)理后的轉(zhuǎn)速信號還不能滿足后端比較電路的采集要求，需要對限幅濾波后的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行放大，通過帶偏置電壓的差分放大器將信號調(diào)理為單端類正弦信號，信號峰值達(dá)5 V。通過Multism軟件對差分放大電路功能進(jìn)行仿真，信號輸出波形如圖4（c）所示，根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)理后信號無負(fù)電壓，峰值電壓5 V，信號波形為類正弦波。經(jīng)差分放大電路輸出的類正弦信號需通過滯回比較電路形成TTL信號，考慮航空發(fā)動機(jī)工作環(huán)境惡劣，環(huán)境干擾會影響傳感器信號的穩(wěn)定性，為保證傳感器信號不穩(wěn)定造成轉(zhuǎn)速信號采集不準(zhǔn)確，使用滯回比較電路對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理。通過Multism軟件對滯回比較電路功能進(jìn)行仿真，輸出波形如圖4（d）所示，根據(jù)仿真結(jié)果，滯回比較電路輸出的TTL信號為幅值3.3 V的方波信號，該信號可用于轉(zhuǎn)速信號采集。

3" " 高齒信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)高齒信號包含在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器中，其信號幅值為普通轉(zhuǎn)速信號的20%左右。高齒信號特性與轉(zhuǎn)速信號特性一致，其信號幅值隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。為保證傳感器輸出高齒信號可被邏輯正確識別，需對高齒信號進(jìn)行調(diào)理，高齒信號調(diào)理電路主要由比例放大電路、濾波電路、AD采集電路組成，詳細(xì)電路原理如圖5所示。

由于高齒信號脈沖在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)信號幅值超出AD采集范圍（AD采集范圍為±10 V），信號調(diào)理電路需要對高齒信號進(jìn)行比例放大，保證其峰值電壓不會超出AD采集范圍，某型渦扇發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速最大值時(shí)，高齒信號峰值達(dá)14 V，因此比例放大電路選擇比例放大倍數(shù)為0.7倍，保證高齒信號在峰值時(shí)不會超出AD采集范圍，造成電壓信號飽和，采集數(shù)據(jù)無效。經(jīng)比例放大電路的高齒信號進(jìn)行濾波后進(jìn)入AD采集電路，為保證信號采集準(zhǔn)確性，ZYNQ U+處理器PL邏輯控制A/D轉(zhuǎn)換器以160 kHz采集頻率電壓，這些信號進(jìn)入A/D采集序列進(jìn)行比較，確認(rèn)出高齒信號。

4" " 轉(zhuǎn)速高齒邏輯采集

轉(zhuǎn)速信號經(jīng)調(diào)理為方波信號后，輸入至ZYNQ U+處理器PL中，轉(zhuǎn)速采集邏輯通過脈沖計(jì)數(shù)法，以50 MHz的頻率對N1、N2轉(zhuǎn)速脈沖上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于轉(zhuǎn)速信號和處理器采樣時(shí)鐘屬于不同的時(shí)鐘域，存在亞穩(wěn)態(tài)問題，需對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行同步處理，在轉(zhuǎn)速信號第一個(gè)上升沿緩“三拍”開始清零計(jì)數(shù)，即使用50 MHz采樣時(shí)鐘連續(xù)鎖存三個(gè)采樣時(shí)鐘周期，當(dāng)滿足“三拍”條件開始進(jìn)行脈沖填充，直到音輪齒數(shù)，將累計(jì)的頻率計(jì)數(shù)值存儲在PL對應(yīng)的N1轉(zhuǎn)速寄存器和N2轉(zhuǎn)速寄存器中，寄存器寬度為32 bit，可由ZYNQ U+處理器PS通過AXI總線讀取，獲取頻率值。

頻率填充時(shí)間段如圖6所示，從第一個(gè)方波的上升沿持續(xù)統(tǒng)計(jì)到第n+1個(gè)脈沖的上升沿為一個(gè)周期T_N。n為音輪齒數(shù)，由邏輯從音輪齒數(shù)寄存器讀取。

頻率計(jì)數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下式所示：

由于高齒信號的采集與轉(zhuǎn)速信號同頻同相，高齒信號的采集邏輯與轉(zhuǎn)速信號采集同步進(jìn)行，在轉(zhuǎn)速信號上升沿和下降沿之間，PL邏輯對轉(zhuǎn)速模擬量進(jìn)行采集，并計(jì)算累加平均[6]。從每個(gè)齒的上升沿開始，累加AD采集（對應(yīng)方波高電平）的絕對值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)第n個(gè)轉(zhuǎn)速AD采集平均值大于前n-1個(gè)轉(zhuǎn)速采集平均值至少20%（設(shè)計(jì)閾值寄存器，可通過應(yīng)用軟件進(jìn)行配置，配置范圍為10%～30%，復(fù)位值為20%）時(shí)，認(rèn)為該齒為高齒信號。

5" " 工程應(yīng)用及測試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證硬件調(diào)理電路和高齒采集邏輯的正確性，通過發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置硬件調(diào)測設(shè)備，模擬發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下低速、常速及高速3種轉(zhuǎn)速信號輸出，依托某型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置硬件平臺對調(diào)理電路及硬件采集邏輯進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果，轉(zhuǎn)速高齒采集邏輯配合轉(zhuǎn)速信號及高齒信號調(diào)理電路可以準(zhǔn)確采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速模擬信號，采集誤差精度可控制在1‰以內(nèi)。

6" " 結(jié)語

本文提供了一種渦扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號及高齒信號測量方法，通過調(diào)試設(shè)備模擬輸出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，在硬件平臺對轉(zhuǎn)速信號及高齒信號調(diào)理電路和采集邏輯的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法測量精度可滿足某型渦扇發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速測量要求，上述結(jié)果為優(yōu)化發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及高齒信號采集精度提供了參考。目前，該硬件方案在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境已完成驗(yàn)證，后續(xù)計(jì)劃對該設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證，包括高低溫環(huán)境功能性能驗(yàn)證、振動環(huán)境功能性能驗(yàn)證等。

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收稿日期：2022-12-29

作者簡介：謝宇辰（1992—），男，內(nèi)蒙古人，工程師，研究方向：發(fā)動機(jī)健康管理。