航空发动机测速电机转速精准测量方法范文

本站小编为你精心准备了航空发动机测速电机转速精准测量方法参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

摘要：在航空发动机转速较低时，测速电机输出信号的杂波较大且频率较低，严重制约转速测量精度。提出一种信号调理和半周期测量相结合的策略：首先将正弦输出信号规整为方波信号，将转速测量范围内的信号幅值稳定到一个固定值；其次通过高低时间间隔对信号半周期进行测量，以提高测量响应频率。采用直接测频法和测量周期法对50~2500rpm转速范围的测量精度进行考察，表明直接测频法绝对误差小于2rpm，测量周期法绝对误差小于3rpm，但测量周期法更适用于低转速测量。

关键词：航空发动机；低转速；测频法；转速测量；周期法

引言

航空发动机控制介于传统的机械液压式控制与数字电子控制之间，使用了全权限数字发动机控制器（FADEC）的发动机多使用磁电式转速传感器，其在100%转速所对应的输出频率可达数千赫兹，因此在该类发动机的试车台上进行转速测量相对容易。然而，目前仍有一些型号的航空发动机使用测速电机进行转速测量。发动机在100%转速时，测速电机经过传动机构减速后，输出轴转速为2500rpm。由于测速电机的转子为双极型永久磁铁，因此此时输出信号的频率仅为83.3Hz。在某型发动机的试车工艺中，要求能够识别的发动机转速仅为数十rpm，此时测速电机的输出频率甚至只有1~2Hz，在如此低的转速下，转速信号波形极易失真[1-10]。本文针对上述问题，研究一种可以在低转速时测量测速电机转速，提高测量精度的方法。

1转速测量原理

测速电机在发动机转动时输出交流电压信号，其频率与发动机转速成正比。数字转速表正是基于这一特点对发动机转速进行测量的。转速测量有两种基本方法：频率法和周期法。为保证一定的测量速度和测量精度，频率法适合于高频信号的测量，而周期法适合于低频信号的测量。

1.1频率法

直接测频法属于频率法，其原理是由时基信号形成闸门，对被测信号进行计数。当闸门宽度为1s时，可直接从计数器读出被测信号的频率，其相对误差则随着被测频率的升高而降低，故此法适用于高频测量而不适用于低频测量。当测速电机输出信号的频率太低时，为提高转速测量分辨率，需要采用锁相倍频处理，以提高转速的测量分辨率和测量精度。此方法的缺点是闸门时间决定了测量的速度，闸门时间不能太短也不能太长：太短影响测量精度，太长则影响测量速度。

1.2周期法周期法的原理

如图1所示，其原理是由被测信号形成闸门，对时基脉冲进行计数。当闸门宽度刚好是一个被测脉冲周期时，可直接从计数器读出被测信号的周期值（以时基脉冲个数来表示）。该方法的绝对误差是一个时基周期，而相对误差随着被测信号周期的增大而降低，故此方法适用于低频测量（周期长）而不适用于高频测量（周期短）。频率F的计算公式为F(Hz)=计数/计数器时基率(1)其中，计数是指一个周期的输入信号中时基的计数。假设高频基准频率为10MHz，在一个被测信号频率的周期内对高频基准频率的计数值为X，则计算被测频率的公式为F=107/X(2)周期法的优点是只要高频基准信号的频率足够高，低频信号的测量精度就会很高；缺点是被测信号波形不规则或抖动，影响测量稳定性。

2测量系统设计

2.1问题的提出

由于测速电机是发电机式，因此其输出信号的幅值与输入轴的转速成正比：当输入轴的转速为50rpm（2%转速）时，输出正弦信号的幅值约为1V，且输出波形杂乱（如图1a所示）；而当输入轴的转速为2500rpm（100%转速）时，输出正弦信号的幅值达50V左右，与低转速时的幅值相差悬殊（如图1b所示）。上述特性为传感器的测量电路设计带来了一定的困难，特别是在低转速状态，不论是通过幅值测量，还是通过频率、周期测量，都很容易出现测量值很不稳定的状态，无法满足发动机低转速测量的需要。

2.2信号调理针对章节2.1提出的问题，设计了专门的信号调理电路。

通过这一电路可以对测速电机输出信号进行特殊处理，将测量范围内的转速信号调理成规整的方波信号，其幅值为TTL电平的恒定值，其频率跟随输入轴的转速成比例变化，因此使用计数器可以比较方便地对该信号进行频率测量。由于测速电机在测量范围内输出的信号幅值差异很大，使测量电路难于匹配，因此设计了稳压电路，使得在测量范围内的转速信号的幅值都稳定到一个固定值，便于后续电路的处理。在低转速时，传感器输出信号的波形杂乱，干扰成分多，故设计了滤波电路，使信号波形规整。为避免测速电机端电路与计算机测量电路互相产生干扰，设计了光电隔离电路。计算机数字测量电路一般使用TTL电平，因此设计了电平转换电路，将传感器的信号幅值转换成TTL电平。最后将信号波形进行整形，传送至计算机测量采集板进行测量。为了兼顾低速和高速测量的快速性和准确性，测量采集板先使用脉冲宽度测量方式，再换算成发动机轴的实际转速。信号调理后的输出信号如图2所示。

2.3半周期测量计数器选用

NI公司的计数器板卡6602测量信号周期，测量系统框图如图3所示。由于低转速时每1s左右才有一个信号周期，为提高测量的响应频率，使用测量设备上的计数器测量半周期。在半周期测量中，高低时间连续交替，边沿之间为时间间隔，如图4所示。半周期的公式如下：半周期(s)=计数/计数器时基率(3)其中，计数是指信号在高时间或低时间期间计数器时基的计数。计数器的时基是频率已知（20MHz或100kHz）的时钟，用于频率和时间的测量。如需对测量进行配置，需指定输入信号的预期范围。根据此范围，NI-DAQ将自动选择能提供最高测量分辨率的内部时基，并将该时基作为计数器时基。由于输入信号相对于测量起始的相位，连续测量的第一个采样通常是无效的。例如，若进行连续周期测量，当输入信号进行到当前周期的一半时，第一个采样的周期将是其预期值的一半。此后的采样显示的将是正确的值，因为这些采样是在经过输入信号的一个完整周期后采得的。总之，连续周期、脉冲宽度和半周期测量的第一个采样往往小于其实际值，在连续频率测量中，第一个采样的频率常比实际频率高。

3工程应用与效果分析

含有突变的噪声信号会给计数器/计时器测量带来困难。噪声可能来自信号源，也可能来自有强电的情况下系统附近的干扰源。6602计数器包含可编程数字滤波器，可以消除由虚假尖峰和突变引起的误差。为了验证测量效果，分别采用锁相倍频后的直接测频法和测量周期法进行测量，结果分别如表1和表2所示。可以看出，在整个转速测量范围，直接测频法的测量精度总体高于测量周期法，绝对误差小于2rpm。但是直接测频法对低转速（200rpm以下）的测量效果不好，而测量周期法则可以很好地解决这一问题，并且在整个转速测量范围内，其绝对误差小于3rpm，测量精度也能满足实际使用要求。如果再融入合适的数字滤波算法，精度还可进一步提高。

4结束语

本文研究了航空发动机测速电机转速测量方法，通过直接测频法和测量周期法两种测量方法的对比研究，表明当测速电机输入轴转速为200rpm以上时，两种方法均可满足发动机的转速测量要求，但是当转速小于200rpm时，测量周期法更能够满足实际的使用要求。

参考文献

[1]高广华.基于航空发动机的转速测量的研究[J].测控技术:2012,31(S1):75-77.

[2]左泽敏,武瑞娟.基于HILBERT变换的航空发动机转速测量研究[J].航空科学技术,2015(4):28-32.

[3]赵艳东,于林明,陈显利.航空发动机转速测量系统的设计[J].电子测量技术,2011,34(11):81-84.

[4]荆立雄.一种航空发动机转速测量电路[J].电脑知识与技术,2015(36):121-122.

[5]王有隆.航空仪表[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[6]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[7]卢建华,吴晓男,曲东才,等.一种脉冲调频式飞机交流发电机电压调节器设计研究[J].电子产品世界,2012,19(2):59-61.

[8]海涛.ATmega系列单片机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

[9]顾宝龙,赵振平,何泳,等.一种应用于航空发动机测试的小型磁电式转速传感器[J].机械制造与自动化,2016(4):44-47.

[10]刘旋,徐坚,施惠娟,等.某型飞机航空发动机转速模拟调节自控系统研制技术[C]//2015航空试验测试技术学术交流会.2015.

作者：刘兵 单位：中航工程集成设备有限公司