一種電子調(diào)節(jié)器檢測設備的研制

■ 陳晉 卓偉偉 譚耀蘭 敬宏/國營錦江機器廠

0 引言

隨著計算機技術與數(shù)字化技術的發(fā)展，儀器智能化程度日益提高，虛擬儀器的概念應運而生。這是一種開放式的結(jié)構(gòu)，經(jīng)由通用計算機、DSP 或其他CPU 來提供自動測試系統(tǒng)中的信號處理、存儲與顯示的功能，由符合統(tǒng)一規(guī)范的多種插槽式模塊化儀器及新型的CPCI 總線接口來提供/采集信號與控制，實現(xiàn)儀器功能，克服了傳統(tǒng)GP-IB儀器的缺點，非常適于組建復雜的測試系統(tǒng)，是一種極具應用前景的測試系統(tǒng)組建手段。

本文介紹的電子調(diào)節(jié)器檢測設備基于PXI 板卡和LabVIEW 設計，主要功能是為產(chǎn)品提供工作電源，模擬傳感器向產(chǎn)品輸入信號，采集產(chǎn)品輸出的執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)燈的控制信號并運算處理。

1 電子調(diào)節(jié)器簡介

某型電子調(diào)節(jié)器（以下簡稱電調(diào)）是某型發(fā)動機控制系統(tǒng)的重要電子部件。電調(diào)依據(jù)飛機上的傳感器感受到的發(fā)動機壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速、外界大氣壓力、外界大氣溫度等參數(shù)，對燃油流量調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機構(gòu)（以下簡稱執(zhí)行機構(gòu)）進行自動調(diào)節(jié)，控制壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速，最終對發(fā)動機的功率進行精確控制。

2 電子調(diào)節(jié)器檢測設備的組建

傳統(tǒng)的儀器自成體系，所有儀器的端口（如信號的輸入輸出）以及用戶的操作界面（如旋鈕、開關和顯示器等）都固定在機箱的面板或背板上，由生產(chǎn)廠家定義，用戶不能更改，其控制、顯示等也各自獨立。

在機載設備的研制、生產(chǎn)和維修中，由于每種設備需要檢測的指標類別及數(shù)量很多，如果采用傳統(tǒng)儀器則需要多臺甚至十幾臺儀器，且同一類別不同型號設備的檢測儀器一般不兼容，造成測試系統(tǒng)龐大復雜、資源利用率低、測試速度慢、機動性及可升級性差，難以滿足機載裝備發(fā)展對測試的實戰(zhàn)需求。為了解決上述問題，基于虛擬儀器技術研制了電調(diào)檢測設備。設備的資源分配如下。

1）帶PXI 接口的控制器：作為測試管理的控制器，提供測試管理控制功能，通過PXI7683A CPU 模塊實現(xiàn)。

2）PXI 接口式數(shù)據(jù)采集模塊：用于采集發(fā)動機燃油供油執(zhí)行機構(gòu)信號和發(fā)動機停車執(zhí)行機構(gòu)信號，數(shù)據(jù)采集功能通過PXI3364 多功能數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。主要技術參數(shù)：

● 輸入通道：32 路；

● 分辨率：18bit；

● 采集速率：單通道最高1.25MS/s，多通道最高1MS/s；

● 輸 入 量 程：-10 ～+10V、-5 ～+5V、-2 ～+2V、-1 ～+1V、-500 ～+5 0 0 m V、-2 0 0 ～ +2 0 0 m V、-100 ～+100mV；

● 過壓保護：最大連續(xù)±24V；

● 精度：1000μV；

● 輸入阻抗：單端＞1GΩ，差分＞2GΩ；

● 存儲容量：7M 采樣點。

3）PXI 接口式模擬輸出模塊：用于模擬輸出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號和大氣壓力信號，提供模擬信號的輸出，通過PXI3364 多功能數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。主要技術參數(shù)：

● 輸出通道：4 路；

● 最大更新速率：500kS/s（4通道）；

● DAC 分辨率：16bit；

● 輸出量程：-10 ～+10V；

● 絕對精度：1500μV；

● 輸出電流：單通道最大50mA；

● 存儲容量：7M 采樣點。

PXI3364 多功能數(shù)據(jù)采集卡具有32路輸入、4 路輸出，既可用于輸入板卡，也可作為輸出板卡。

4）PXI 接口式繼電器切換模塊：用于模擬發(fā)動機各類控制信號，繼電器切換功能通過PXI7921 繼電器卡實現(xiàn)。主要技術特點：

● 通道數(shù)量：24 個；

● 最大輸入電流：2A；

● 最大輸入電壓：30V；

● 最大接觸電阻：100mΩ。

5）PXI 接口式可編程電阻模塊：用于模擬輸出大氣溫度，提供大氣溫度模擬功能，通過PXI3110 可編程電阻卡實現(xiàn)。主要技術特點：

● 輸出通道：2 個；

● 阻值范圍：0.5 ～32768Ω；

● 輸出精度：0.03Ω；

● 最大功率：0.5 ～10Ω/1W、10 ～100Ω/0.5W、＞100Ω/0.25W。

6）PXI 接口式數(shù)據(jù)衰減模塊：用于對輸入、輸出信號進行衰減處理，數(shù)據(jù)衰減采用PXI3221 多量程衰減卡實現(xiàn)。主要技術參數(shù)：

● 輸入通道：8 個；

● 輸入信號范圍：±75V；

● 輸入信號帶寬：＞20MHz；

● 輸入阻抗：100kΩ；

● 輸出精度：≤1‰；

● 二 級 衰 減 選 擇：1×、2×、5×，三擋可選；

● 輸出信號范圍：±15V。

硬件連接如圖1 所示。

圖1 硬件連接圖

3 執(zhí)行機構(gòu)信號測試方法優(yōu)化

3.1 執(zhí)行機構(gòu)信號形成原理

壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速限制電路周期性工作，工作周期約41ms，每個周期為電調(diào)的計算周期。這部分電路通過采集壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速傳感器信號后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過計算、處理獲得控制動作編碼，輸出PWM 脈沖信號作為控制信號提供給執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)通過調(diào)節(jié)供油量來調(diào)節(jié)發(fā)動機壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速。電調(diào)壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速限制電路輸出的是PWM 波。當輸入到電調(diào)壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速限制電路的頻率信號與電調(diào)內(nèi)的預置頻率相等時，PWM 波的占空比達到最大，這時稱輸入到電調(diào)的頻率為電調(diào)的限制頻率。壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速傳感器信號是一個正弦信號，其頻率值與壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速大小成一定的函數(shù)關系，頻率越大對應的轉(zhuǎn)速也越大。傳統(tǒng)的測試方法是用信號源模擬正弦信號輸入電調(diào)，通過改變輸入頻率值，觀察電調(diào)輸出至執(zhí)行機構(gòu)的PWM 波的占空比是否達到最大，據(jù)此判斷是否為電調(diào)的限制頻率，但這種方法測試時間長、效率低。為解決此問題，基于最小二乘法構(gòu)造執(zhí)行結(jié)構(gòu)信號的函數(shù)模型，該模型可以縮短測試時間，實現(xiàn)檢測流程的優(yōu)化。

3.2 構(gòu)造執(zhí)行機構(gòu)信號的函數(shù)模型

執(zhí)行機構(gòu)信號為周期401ms 的周期信號，執(zhí)行機構(gòu)完成工作時正頻寬36.84ms，占空比約90%。壓氣機渦輪信號頻率為1009Hz 時執(zhí)行機構(gòu)開始工作，此時信號占空比處于臨界值0%。壓氣機渦輪信號頻率為1009Hz 以上時，執(zhí)行機構(gòu)信號占空比逐漸增大，響應速度隨輸入壓氣機的信號頻率增大而變快。以1009Hz 為初始值，輸入（1009+f）Hz的階躍信號，記錄占空比達到最大值時的峰值時間tp，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 采集數(shù)據(jù)

采用最小二乘法求k、q，使殘差平方和RSS最小，有

式（1）對k求偏導得：

式（1）對q求偏導得：

取RSS為最小值時，和應為0。使式（4）等于0，有：

使式（5）等于0，有：

根據(jù)式（7）、式（8）求解，保留4 位有效數(shù)字，得：

此時，殘差平方和RSS取得最小值，有：

此時，確定系數(shù)R平方值為：

其中，ESS為回歸平方和，有：

根據(jù)式（9）、（11）、（12）、（13），得：

由運算結(jié)果可見，擬合效果較好。

擬合曲線如圖2 所示。

圖2 擬合曲線

在工藝要求的測量范圍之間隨機選擇一個頻率，記錄在該點上達到最大占空比的響應時間，將頻率值記為f0，時間值記為t0，基于得到的函數(shù)模型，計算出頻率f0對應的偏移值f1，以得到趨近目標值的f2=f0+f1；在頻率值f2附近進行小步進調(diào)整，并觀察燃油供油執(zhí)行機構(gòu)信號形成的波形圖，當占空比穩(wěn)定在90%時，得到測試用的目標值f3。該方法通過函數(shù)模型對測試的測量點選取進行優(yōu)化，有效縮短了響應時間和測試周期。完成上述工作后，利用LabVIEW編譯軟件編譯電調(diào)檢測設備軟件（見圖3），并將優(yōu)化方法固化在軟件中，由此完成電子調(diào)節(jié)器檢測設備研制工作。

圖3 檢測設備軟件界面

4 電子調(diào)節(jié)器檢測設備工作流程

1）在檢測軟件上輸入ntk=900Hz，ntkc=900Hz，nct1=500Hz，nct2=500Hz，大氣壓力=1 個標準大氣壓，大氣溫度=15℃，離散量均處于關閉，并通過控制器PXI7683A 將任務信息發(fā)給各執(zhí)行板卡。

2）執(zhí)行板卡中的模擬輸出模塊PXI3364 接收任務信息后，輸出4 組5V 的正弦波頻率信號（分別為900Hz/900Hz/500Hz/500Hz）至電子調(diào)節(jié)器，用于模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，轉(zhuǎn)速信號有ntk/ntkc/nct1/nct2（壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速/相鄰壓氣機渦輪轉(zhuǎn)速/自由渦輪轉(zhuǎn)速1/自由渦輪轉(zhuǎn)速2），該信號為5V 的正弦波，信號頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速大小成函數(shù)關系；輸出1 組直流信號至電子調(diào)節(jié)器，用于模擬大氣壓力P1，P1 為直流信號，該信號上的電壓大小與大氣壓力值成函數(shù)關系。

3）可編程電阻模塊PXI3110 接收任務信息后輸出1 組電阻信號，將信號輸送給電子調(diào)節(jié)器，可編程電阻模塊模擬大氣溫度T1，T1 為電阻信號，該信號的阻值大小與大氣溫度值成函數(shù)關系。

4）執(zhí)行板卡中的繼電器切換模塊PXI7921 接收任務信息后，輸出6 組離散量信號至電子調(diào)節(jié)器，繼電器切換模塊模擬6組開關，包括tk檢查工作/檢查、應急斷開/接通、nct1 檢查、nct2 檢查、nct 工作和負載工作/檢查，離散量開關信號均為+27V 直流信號。

5）與電子調(diào)節(jié)器連接的數(shù)據(jù)衰減模塊PXI3221 衰減各執(zhí)行機構(gòu)的輸出電壓值。

6）數(shù)據(jù)采集模塊PXI3364 采集經(jīng)數(shù)據(jù)衰減模塊PXI3321 衰減后的執(zhí)行機構(gòu)工作電壓，采集原因是執(zhí)行機構(gòu)信號均為直流，但因PXI3364 的采集電壓范圍為-10 ～+10V，實際執(zhí)行機構(gòu)的工作電壓會大于10V，因此需要將執(zhí)行機構(gòu)的信號衰減后再由PXI3364 完成采集工作。

7） 控 制 器PXI7683A 接 收PXI3364 的采集信號后，在檢測軟件上顯示各執(zhí)行機構(gòu)的工作電壓值（檢測軟件內(nèi)部會根據(jù)PXI3321 的衰減系數(shù)，恢復各執(zhí)行機構(gòu)工作的真實電壓值），以方便用戶根據(jù)電壓值判斷各執(zhí)行機構(gòu)的工作情況。

8）測試適配接口裝置的作用是將被測產(chǎn)品與系統(tǒng)連為一體，完成產(chǎn)品與設備之間的物理連接，實現(xiàn)自動測試。測試適配接口裝置根據(jù)系統(tǒng)測試信號端口信號進行劃分，以實現(xiàn)被測產(chǎn)品所需信號的適應性。系統(tǒng)測試信號端口信號分為被測產(chǎn)品供電電源端口、數(shù)字電路邏輯輸入端口和輸出端口，數(shù)字開關量控制輸出。被測產(chǎn)品通過專用的適配接口完成測試系統(tǒng)信號連接，再根據(jù)被測產(chǎn)品接插件連接實際信號的特征，確定測試系統(tǒng)測試端口各引腳信號的特征、狀態(tài)和相互之間的關系等，為測試提供編程數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

基于最小二乘法構(gòu)造執(zhí)行機構(gòu)函數(shù)模型，優(yōu)化執(zhí)行機構(gòu)信號檢測方法，對于電調(diào)的修理能力具有重要意義，縮短了測試周期，提升了測試效率。由于采用了虛擬儀器技術，電子調(diào)節(jié)器檢測設備體積小、攜帶方便，尤其適于野外使用。