航空發動機測速精準測量方法范文

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摘要：在航空發動機轉速較低時，測速電機輸出信號的雜波較大且頻率較低，嚴重制約轉速測量精度。提出一種信號調理和半周期測量相結合的策略：首先將正弦輸出信號規整為方波信號，將轉速測量范圍內的信號幅值穩定到一個固定值；其次通過高低時間間隔對信號半周期進行測量，以提高測量響應頻率。采用直接測頻法和測量周期法對50~2500rpm轉速范圍的測量精度進行考察，表明直接測頻法絕對誤差小于2rpm，測量周期法絕對誤差小于3rpm，但測量周期法更適用于低轉速測量。

關鍵詞：航空發動機；低轉速；測頻法；轉速測量；周期法

引言

航空發動機控制介于傳統的機械液壓式控制與數字電子控制之間，使用了全權限數字發動機控制器（FADEC）的發動機多使用磁電式轉速傳感器，其在100%轉速所對應的輸出頻率可達數千赫茲，因此在該類發動機的試車臺上進行轉速測量相對容易。然而，目前仍有一些型號的航空發動機使用測速電機進行轉速測量。發動機在100%轉速時，測速電機經過傳動機構減速后，輸出軸轉速為2500rpm。由于測速電機的轉子為雙極型永久磁鐵，因此此時輸出信號的頻率僅為83.3Hz。在某型發動機的試車工藝中，要求能夠識別的發動機轉速僅為數十rpm，此時測速電機的輸出頻率甚至只有1~2Hz，在如此低的轉速下，轉速信號波形極易失真[1-10]。本文針對上述問題，研究一種可以在低轉速時測量測速電機轉速，提高測量精度的方法。

1轉速測量原理

測速電機在發動機轉動時輸出交流電壓信號，其頻率與發動機轉速成正比。數字轉速表正是基于這一特點對發動機轉速進行測量的。轉速測量有兩種基本方法：頻率法和周期法。為保證一定的測量速度和測量精度，頻率法適合于高頻信號的測量，而周期法適合于低頻信號的測量。

1.1頻率法

直接測頻法屬于頻率法，其原理是由時基信號形成閘門，對被測信號進行計數。當閘門寬度為1s時，可直接從計數器讀出被測信號的頻率，其相對誤差則隨著被測頻率的升高而降低，故此法適用于高頻測量而不適用于低頻測量。當測速電機輸出信號的頻率太低時，為提高轉速測量分辨率，需要采用鎖相倍頻處理，以提高轉速的測量分辨率和測量精度。此方法的缺點是閘門時間決定了測量的速度，閘門時間不能太短也不能太長：太短影響測量精度，太長則影響測量速度。

1.2周期法周期法的原理

如圖1所示，其原理是由被測信號形成閘門，對時基脈沖進行計數。當閘門寬度剛好是一個被測脈沖周期時，可直接從計數器讀出被測信號的周期值（以時基脈沖個數來表示）。該方法的絕對誤差是一個時基周期，而相對誤差隨著被測信號周期的增大而降低，故此方法適用于低頻測量（周期長）而不適用于高頻測量（周期短）。頻率F的計算公式為F(Hz)=計數/計數器時基率(1)其中，計數是指一個周期的輸入信號中時基的計數。假設高頻基準頻率為10MHz，在一個被測信號頻率的周期內對高頻基準頻率的計數值為X，則計算被測頻率的公式為F=107/X(2)周期法的優點是只要高頻基準信號的頻率足夠高，低頻信號的測量精度就會很高；缺點是被測信號波形不規則或抖動，影響測量穩定性。

2測量系統設計

2.1問題的提出

由于測速電機是發電機式，因此其輸出信號的幅值與輸入軸的轉速成正比：當輸入軸的轉速為50rpm（2%轉速）時，輸出正弦信號的幅值約為1V，且輸出波形雜亂（如圖1a所示）；而當輸入軸的轉速為2500rpm（100%轉速）時，輸出正弦信號的幅值達50V左右，與低轉速時的幅值相差懸殊（如圖1b所示）。上述特性為傳感器的測量電路設計帶來了一定的困難，特別是在低轉速狀態，不論是通過幅值測量，還是通過頻率、周期測量，都很容易出現測量值很不穩定的狀態，無法滿足發動機低轉速測量的需要。

2.2信號調理針對章節

2.1提出的問題，設計了專門的信號調理電路。

通過這一電路可以對測速電機輸出信號進行特殊處理，將測量范圍內的轉速信號調理成規整的方波信號，其幅值為TTL電平的恒定值，其頻率跟隨輸入軸的轉速成比例變化，因此使用計數器可以比較方便地對該信號進行頻率測量。由于測速電機在測量范圍內輸出的信號幅值差異很大，使測量電路難于匹配，因此設計了穩壓電路，使得在測量范圍內的轉速信號的幅值都穩定到一個固定值，便于后續電路的處理。在低轉速時，傳感器輸出信號的波形雜亂，干擾成分多，故設計了濾波電路，使信號波形規整。為避免測速電機端電路與計算機測量電路互相產生干擾，設計了光電隔離電路。計算機數字測量電路一般使用TTL電平，因此設計了電平轉換電路，將傳感器的信號幅值轉換成TTL電平。最后將信號波形進行整形，傳送至計算機測量采集板進行測量。為了兼顧低速和高速測量的快速性和準確性，測量采集板先使用脈沖寬度測量方式，再換算成發動機軸的實際轉速。信號調理后的輸出信號如圖2所示。

2.3半周期測量計數器

選用NI公司的計數器板卡6602測量信號周期，測量系統框圖如圖3所示。由于低轉速時每1s左右才有一個信號周期，為提高測量的響應頻率，使用測量設備上的計數器測量半周期。 在半周期測量中，高低時間連續交替，邊沿之間為時間間隔，如圖4所示。半周期的公式如下：半周期(s)=計數/計數器時基率(3)其中，計數是指信號在高時間或低時間期間計數器時基的計數。計數器的時基是頻率已知（20MHz或100kHz）的時鐘，用于頻率和時間的測量。如需對測量進行配置，需指定輸入信號的預期范圍。根據此范圍，NI-DAQ將自動選擇能提供最高測量分辨率的內部時基，并將該時基作為計數器時基。由于輸入信號相對于測量起始的相位，連續測量的第一個采樣通常是無效的。例如，若進行連續周期測量，當輸入信號進行到當前周期的一半時，第一個采樣的周期將是其預期值的一半。此后的采樣顯示的將是正確的值，因為這些采樣是在經過輸入信號的一個完整周期后采得的。總之，連續周期、脈沖寬度和半周期測量的第一個采樣往往小于其實際值，在連續頻率測量中，第一個采樣的頻率常比實際頻率高。

3工程應用與效果分析

含有突變的噪聲信號會給計數器/計時器測量帶來困難。噪聲可能來自信號源，也可能來自有強電的情況下系統附近的干擾源。6602計數器包含可編程數字濾波器，可以消除由虛假尖峰和突變引起的誤差。為了驗證測量效果，分別采用鎖相倍頻后的直接測頻法和測量周期法進行測量，結果分別如表1和表2所示。可以看出，在整個轉速測量范圍，直接測頻法的測量精度總體高于測量周期法，絕對誤差小于2rpm。但是直接測頻法對低轉速（200rpm以下）的測量效果不好，而測量周期法則可以很好地解決這一問題，并且在整個轉速測量范圍內，其絕對誤差小于3rpm，測量精度也能滿足實際使用要求。如果再融入合適的數字濾波算法，精度還可進一步提高。

4結束語

本文研究了航空發動機測速電機轉速測量方法，通過直接測頻法和測量周期法兩種測量方法的對比研究，表明當測速電機輸入軸轉速為200rpm以上時，兩種方法均可滿足發動機的轉速測量要求，但是當轉速小于200rpm時，測量周期法更能夠滿足實際的使用要求。

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作者：劉兵 單位：中航工程集成設備有限公司