某型直升機旋翼轉速表的數字化設計方案

吳光彬，汪智超，徐 路

(1.海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001;2.海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西景德鎮 333000)

0 引言

某型直升機是20世紀80年代進口的產品，機載設備磨損、老化嚴重，特別是旋翼轉速表，自20世紀90年代以來，因故障率太高，且無法修理，加上備件短缺，訂貨難，價格昂貴，已經嚴重影響了該型機的完好率，而且由于原設計思想落后，檢測和維護難度大，國外已經停產。若立足于國產化，采用模擬、數字集成電路技術進行重新研制，可獲得可觀的經濟效益。

1 直升機旋翼轉速表的實現方法

旋翼轉速指示系統由兩部分組成。一部分由主減速器帶動轉速表傳感器產生三相交流電，經遠距離傳輸裝置(同步器)，通過兩個指示器中的白指針指示出旋翼的轉速，精度為±2rpm。圖1所示為第一旋翼轉速指示系統。

另一部分由主傳動軸帶動電磁傳感器DV＊＊轉動，產生兩相相位相差90°的交流電，經單—三相轉換裝置(斯柯特變壓器)轉換成三相交流電送給兩個指示器，通過兩個指示器中的花針指示出旋翼的轉速(見圖2)。正常情況下，兩個指針的指示應當重合。

圖1 第一旋翼轉速指示系統

圖2 第二旋翼轉速指示系統

2 數字旋翼轉速表方案

根據某型直升機旋翼轉速表國產化研制報告的戰術技術指標，改制后的旋翼轉速表應能夠數字顯示旋翼的精確轉速并模擬顯示旋翼的轉速范圍，指示旋翼的轉速是否正常，且能和進口產品互換使用，各項性能指標達到并超過原進口產品。保留原有系統的傳感器，利用計算機測量技術，精確顯示旋翼轉速，利用模擬集成電路，指示旋翼的工作狀態。其系統框圖如圖3所示。

改制后的旋翼轉速表的表頭大體如圖4所示，分為第一旋翼轉速數字指示系統和第二翼轉速數字指示系統，綠燈代表轉速正常，橙燈代表轉速超出5%，藍燈代表轉速低于正常轉速5%，紅燈代表轉速超出正常范圍5%以上的所有情況。

改制后的旋翼轉速表的系統主要由四部分組成:濾波整形電路、數字顯示驅動電路、單片機數字處理系統及DC/DC電源變換。

圖3 改制后的旋翼轉速表系統原理框圖

圖4 改制后的旋翼轉速表表頭

2.1 濾波整形電路［1］

2.1.1 轉速表發電機傳感器信號處理

從轉速表發電機(傳感器)得到的旋翼轉速信號(圖5)，為三相正弦電壓信號，幅值約為36V，經電阻 R1、R4，電容器 C1 以及 R2、R5，電容器 C2、R3、R6，電容器 C3分壓之后，加到二極管 D1、D2、D3的正極上，從三個二極管的公共負端上輸出的電壓是經過半波整流之后的三相交流電的合成電壓。其交流成分的基波頻率是每相交流電頻率的六倍。Q1是一個光電耦合器，從三個二極管的公共負端上輸出的交流電壓信號經電容器C4耦合加到Q1的基極，信號經7404反相后，加到LM139限幅整形電路，輸出一個幅值5V、頻率為653～726Hz之間的左右方波信號。

2.1.2 單相電磁感應式傳感器的信號

單相電磁感應式傳感器DV＊＊產生的信號(圖5)為兩相正弦交流電壓信號，彼此的相位差為90°，幅值約為24V，對該信號進行分壓，加到兩個二極管的正極上，從兩個二極管的公共負端上輸出的電壓是經過半波整流之后的兩相交流電的合成電壓，其交流成分的基波頻率是每相交流電頻率的四倍。其信號處理過程與前述一樣，輸出一個幅值5V、頻率為422～469Hz之間的方波信號。

2.2 單片機F/D變換電路［2］

頻率-數字變換的方法主要有兩種:一種為M法，即測量一定時間內信號脈沖的個數，適合高頻工況;一種為T法，即測量速度信號兩脈沖之間的間隙時間，適用于低頻工況。考慮到人眼對快速變化的數字沒有反應時間，本方案設計的轉速表的更新時間間隔為1秒，且軟件采用了抗干擾的平滑算法，因此，頻率-數字變換方法采用的是簡單的M法。

考慮到儀表結構的限制，此方案選用的單片計算機AT89C51是一帶有4K字節閃速可編程可擦除只讀存儲器(EEPROM)的低電壓、高性能 8位CMOS微型計算機，與MCS-51指令集和引腳結構兼容，40只引腳，PDIP封裝。

圖5 濾波整形電路

圖6 單片機F/D變換電路

數據采集單元以8253定時器為核心(圖6)，其原理主要是:啟動定時器，精確定時0.2s時間段，在此時間內，計數器對旋翼轉速表的傳感器信號(已經轉換為脈沖信號)進行計數，經抗干擾的平滑算法，可得旋翼轉速表的精確轉速。

2.3 數字顯示驅動模塊［2］

旋翼轉速表的精確轉速利用高亮度的LED顯示，由MC14513驅動的三位數字顯示器，為靜態工作方式，對高位0進行自動消隱。當三位數均為0時，只顯示個位0，而十位和百位的0不顯示，被消隱。此三位靜態顯示器能顯示0～999之間的整數。

2.4 DC/DC 變換

機上所提供的電源為27V直流電，由于旋翼轉速表使用的電源為+5V，所以進行DC/DC變換。MTR2805S是單片式DC/DC變換器，該器件內部包括:具有溫度補償的基準電源、比較器、可控占空比振蕩器(含限流電路)、驅動器和大電流輸出開關。MTR2805S具有下列主要特點:輸入電壓范圍16～40V，備用電流很小，輸出電流限制，輸出開關電流可達6A，輸出電壓可調，工作頻率可達2MHz，精度為2%，效率可達84%。

3 軟件框圖

旋翼轉速表的軟件用匯編語言編寫［3］，主要有五部分:定時器初始化、分頻器初始化、頻率/數字變換、數字濾波和結果顯示(圖7所示)。

圖7 軟件框圖

4 誤差估計

由于旋翼轉速表的轉速測量誤差主要出現在頻率/數字變換的過程中，由傳感器測得的交流信號到標準方波信號的變換過程中，幾乎沒有誤差，數字轉速在顯示的過程中也不存在誤差，因此旋翼轉速表的轉速測量誤差比較小，也比較容易控制。

4.1 第一測量通道

從轉速表發電機(傳感器)得到的旋翼轉速信號，為三相正弦電壓信號，頻率為

4.2 第二轉速測量通道

單相電磁感應式傳感器DV219產生的信號為兩相正弦交流電壓信號，彼此的相位差為90°，幅值為24V。對該信號進行分壓，加到兩個二極管的正極上，從兩個二極管的公共負端上輸出的電壓是經過半波整流之后的兩相交流電的合成電壓，其交流成分的基波頻率是每相交流電頻率的四倍。DV219輸出信號的頻率為

［1］吳光彬，王棟，等.基于BP神經網絡算法的飛機發動機火警信號系統研究［J］.海軍航空工程學院學報，2008，(4).

［2］張毅剛，彭喜源，等.MCS-51單片機應用設計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1997.

［3］張載鴻.微型機接口控制教程［M］.北京:清華大學出版社，1992.