一種渦扇發動機轉子轉速及高齒信號采集方法研究

摘要：航空發動機工作狀態的變化多數情況都伴隨著發動機轉速的變化，轉速直接與經過發動機的流量及推力聯系在一起，因此轉速信號的采集顯得十分重要。鑒于此，提出了一種高可靠轉速信號及高齒信號采集的方法，使用信號調理電路結合高性能處理器采集邏輯進行信號采集，在實驗上證實了采集方法的正確性，滿足發動機轉速信號采集精度，符合預期結果，為優化渦扇發動機轉子轉速及高齒信號采集精度提供了參考。

關鍵詞：渦扇發動機；轉速信號；高齒信號；轉速采集

中圖分類號：V235.13" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.017

0" " 引言

航空發動機工作狀態的變化多數情況都伴隨著發動機轉速的變化，轉速直接與經過發動機的流量及推力聯系在一起[1]，轉速信號的采集顯得十分重要。航空發動機轉速信號多通過磁電式傳感器采集，傳感器輸出信號為類正弦模擬量信號，該模擬量信號包含了發動轉子轉速及高齒信號。目前大部分渦扇發動機均為雙轉子渦扇發動機，以某型民用發動機為例，低壓轉子轉速N1的頻率范圍為50～3 100 Hz，高壓轉子轉速N2的頻率范圍為200～12 500 Hz，轉速頻率覆蓋范圍廣，如何準確實現轉速及高齒信號的解析成為需要考慮的技術關鍵。

發動機轉子轉速信號采集主要包含采集電路和采集邏輯兩部分。本文描述了一種高可靠轉速信號及高齒信號采集的方法，在傳統調理電路脈沖計數的基礎上，引入高采樣率AD芯片結合ZYNQ U+處理器PL邏輯，實現航空發動機轉子轉速的信號及高齒信號采集，可應用于航空發動機高頻轉速信號及高齒信號的采集中，實現對轉速傳感器輸出信號的準確采集。

1" " 航空發動機轉速信號測量原理

轉速測量通過轉速傳感器與音輪配合實現，航空發動機多使用磁電式轉速傳感器[2]，具體采集原理圖如圖1（a）所示。

在音輪轉動過程中，每個音輪齒轉過傳感器會產生一個脈沖信號，其中會有一個音輪齒大于其他音輪齒，該齒為高齒，高齒產生的信號脈沖高于其他齒，高齒信號用于相位基準標記[3-4]。傳感器采集脈沖信號示意圖如圖1（b）所示。

根據航空發動機轉速采集原理，信號調理主要分為兩部分：一部分為轉速信號調理采集，用于測量轉子轉速；另一部分為高齒信號調理采集，用于識別音輪高齒信號，標注轉子相位等重要信息。具體轉速/高齒信號調理電路原理如圖2所示。

2" " 轉速信號調理電路設計

轉速傳感器輸出信號幅值隨轉速的升高而增大，高壓轉子在發動機啟動階段轉速較低，此時轉速信號幅值不到1 V，但發動機在高速工況時，高壓轉子轉速信號幅值可達14 V。為保證傳感器輸出轉速信號可被邏輯正確識別，需對轉速信號進行調理，轉速信號調理電路主要由限幅濾波電路、差分放大電路、滯回比較電路構成[5]，詳細電路原理如圖3所示。

為了穩定轉速信號的電壓幅值，需對轉速傳感器產生的類正弦電壓信號進行限幅濾波，調理電路設計時使用電阻電容組成的帶通濾波和兩個反向并聯的二極管相結合，其作用是把轉速電壓控制在0.7 V的范圍，可以保證電壓放大的一致性。另外，非常關鍵的一點是，由于測量信號涉及發動機高壓轉子轉速，其轉速在高速工況下頻率可達上萬赫茲，因此，加入鉗位電路可以防止當轉速較高時過高的輸入信號電壓將電路損壞，該電路設計極大地提高了電路的可靠性。針對該限幅濾波電路原理，通過Multism軟件對電路功能進行仿真，輸入頻率1 kHz、幅值為5 V的模擬轉速信號，波形如圖4（a）所示，經限幅濾波電路后輸出轉速信號波形如圖4（b）所示，從仿真結果可以確認，電路可有效實現限幅濾波功能，輸出轉速信號被控制在0.7 V范圍內。經限幅濾波電路調理后的轉速信號還不能滿足后端比較電路的采集要求，需要對限幅濾波后的轉速信號進行放大，通過帶偏置電壓的差分放大器將信號調理為單端類正弦信號，信號峰值達5 V。通過Multism軟件對差分放大電路功能進行仿真，信號輸出波形如圖4（c）所示，根據仿真結果，調理后信號無負電壓，峰值電壓5 V，信號波形為類正弦波。經差分放大電路輸出的類正弦信號需通過滯回比較電路形成TTL信號，考慮航空發動機工作環境惡劣，環境干擾會影響傳感器信號的穩定性，為保證傳感器信號不穩定造成轉速信號采集不準確，使用滯回比較電路對轉速信號進行處理。通過Multism軟件對滯回比較電路功能進行仿真，輸出波形如圖4（d）所示，根據仿真結果，滯回比較電路輸出的TTL信號為幅值3.3 V的方波信號，該信號可用于轉速信號采集。

3" " 高齒信號調理電路設計

發動機高齒信號包含在高壓轉子轉速傳感器中，其信號幅值為普通轉速信號的20%左右。高齒信號特性與轉速信號特性一致，其信號幅值隨轉速的升高而增大。為保證傳感器輸出高齒信號可被邏輯正確識別，需對高齒信號進行調理，高齒信號調理電路主要由比例放大電路、濾波電路、AD采集電路組成，詳細電路原理如圖5所示。

由于高齒信號脈沖在轉子轉速較高時信號幅值超出AD采集范圍（AD采集范圍為±10 V），信號調理電路需要對高齒信號進行比例放大，保證其峰值電壓不會超出AD采集范圍，某型渦扇發動機高壓轉子在轉速最大值時，高齒信號峰值達14 V，因此比例放大電路選擇比例放大倍數為0.7倍，保證高齒信號在峰值時不會超出AD采集范圍，造成電壓信號飽和，采集數據無效。經比例放大電路的高齒信號進行濾波后進入AD采集電路，為保證信號采集準確性，ZYNQ U+處理器PL邏輯控制A/D轉換器以160 kHz采集頻率電壓，這些信號進入A/D采集序列進行比較，確認出高齒信號。

4" " 轉速高齒邏輯采集

轉速信號經調理為方波信號后，輸入至ZYNQ U+處理器PL中，轉速采集邏輯通過脈沖計數法，以50 MHz的頻率對N1、N2轉速脈沖上升沿進行計數，由于轉速信號和處理器采樣時鐘屬于不同的時鐘域，存在亞穩態問題，需對轉速信號進行同步處理，在轉速信號第一個上升沿緩“三拍”開始清零計數，即使用50 MHz采樣時鐘連續鎖存三個采樣時鐘周期，當滿足“三拍”條件開始進行脈沖填充，直到音輪齒數，將累計的頻率計數值存儲在PL對應的N1轉速寄存器和N2轉速寄存器中，寄存器寬度為32 bit，可由ZYNQ U+處理器PS通過AXI總線讀取，獲取頻率值。

頻率填充時間段如圖6所示，從第一個方波的上升沿持續統計到第n+1個脈沖的上升沿為一個周期T_N。n為音輪齒數，由邏輯從音輪齒數寄存器讀取。

頻率計數與轉速的關系如下式所示：

由于高齒信號的采集與轉速信號同頻同相，高齒信號的采集邏輯與轉速信號采集同步進行，在轉速信號上升沿和下降沿之間，PL邏輯對轉速模擬量進行采集，并計算累加平均[6]。從每個齒的上升沿開始，累加AD采集（對應方波高電平）的絕對值，當發現第n個轉速AD采集平均值大于前n-1個轉速采集平均值至少20%（設計閾值寄存器，可通過應用軟件進行配置，配置范圍為10%～30%，復位值為20%）時，認為該齒為高齒信號。

5" " 工程應用及測試結果分析

為了驗證硬件調理電路和高齒采集邏輯的正確性，通過發動機監視裝置硬件調測設備，模擬發動機工作狀態下低速、常速及高速3種轉速信號輸出，依托某型發動機監視裝置硬件平臺對調理電路及硬件采集邏輯進行驗證，驗證結果如表1所示。

根據實際測試結果，轉速高齒采集邏輯配合轉速信號及高齒信號調理電路可以準確采集發動機轉速模擬信號，采集誤差精度可控制在1‰以內。

6" " 結語

本文提供了一種渦扇發動機轉子轉速信號及高齒信號測量方法，通過調試設備模擬輸出發動機轉速信號，在硬件平臺對轉速信號及高齒信號調理電路和采集邏輯的正確性進行了驗證，驗證結果表明，該方法測量精度可滿足某型渦扇發動機的轉速測量要求，上述結果為優化發動機轉子轉速及高齒信號采集精度提供了參考。目前，該硬件方案在實驗室環境已完成驗證，后續計劃對該設計進行復雜環境的試驗驗證，包括高低溫環境功能性能驗證、振動環境功能性能驗證等。

[參考文獻]

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[5] 趙振宇，馮浩.某型發動機轉速采集方案設計[J].科技風，2017（21）：48.

[6] 張弛.非連續模擬差分信號頻率與相位采集方法研究[J].航空計算技術，2018，48（5）：233-235.

收稿日期：2022-12-29

作者簡介：謝宇辰（1992—），男，內蒙古人，工程師，研究方向：發動機健康管理。