航空发动机测速精准测量方法范文

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

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作者：刘兵 单位：中航工程集成设备有限公司