燃氣渦輪發(fā)動機傳感器模擬方法研究

高廣華　李拓彬

摘要：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機。本文設(shè)計了一種磁電式傳感器信號模擬裝置，可精確地生成指定頻率和幅值的交流正弦信號，并提供與真實傳感器一致的電氣接口特性。文章對信號模擬裝置的工作原理和電路設(shè)計進行了闡述，對設(shè)計符合性進行了分析，并對模擬裝置進行了測試。分析和實測結(jié)果表明信號模擬裝置符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器? 信號模擬裝置

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是表征燃氣渦輪發(fā)動機運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)動機控制系統(tǒng)大都以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為控制目標，通過調(diào)節(jié)燃油供油量、進氣導(dǎo)葉角度等變量保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為常數(shù)或按一定規(guī)律變化。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機。

1 信號模擬裝置設(shè)計要求

1.1 傳感器工作原理與信號特征

圖1磁電式轉(zhuǎn)速傳感器基于電磁感應(yīng)原理，通過感受探頭與測速音輪之間的磁間隙實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量。發(fā)動機測速音輪轉(zhuǎn)動使得磁間隙產(chǎn)生交替變化，周期性地改變磁路中的磁阻，使得通過導(dǎo)磁體線圈的磁通量產(chǎn)生變化，從而在線圈兩端感應(yīng)出周期性、對稱的、類正弦波的交變電壓信號，信號頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈比例關(guān)系，典型的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出信

1.2 信號模擬裝置設(shè)計要求

信號模擬裝置需要生成頻率、幅值范圍覆蓋多型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的正弦信號，并且電氣接口特性保持與真實傳感器一致，防止電子控制器檢測不匹配而工作異常。根據(jù)傳感器信號特征以及多型傳感器的參數(shù)，確定信號模擬器的設(shè)計要求如下：

1）生成頻率和幅值連續(xù)可調(diào)交流正弦信號;

2）輸出頻率范圍：（10～20000）Hz;

3）轉(zhuǎn)速生成精度：優(yōu)于±0.1%F.S.;

4）輸出信號幅值：（0.55～30）VP-P范圍連續(xù)可調(diào);

5）輸出端口直流電阻：（10～1400）Ω。

2 信號模擬裝置設(shè)計

2.1 原理設(shè)計

轉(zhuǎn)速信號模擬裝置基于直接數(shù)字頻率合成器（DDS）和數(shù)字調(diào)幅電路設(shè)計，前者生成幅值固定、頻率連續(xù)可調(diào)的正弦波信號，后者對前者生成的信號進行幅值調(diào)節(jié)，兩者組合產(chǎn)生頻率和幅值連續(xù)可調(diào)的正弦波。裝置通過串行通訊從外部獲取含有待生成信號頻率、幅值信息的目標指令，內(nèi)置的微處理器對目標指令進行解析、計算并輸出對DDS和數(shù)字調(diào)幅器件的控制信號。數(shù)字調(diào)幅電路輸出的正弦波通過信號調(diào)理、隔離輸出和接口匹配電路后對外輸出與真實傳感器特征一致的轉(zhuǎn)速信號。

2.2 電路架構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)速信號模擬裝置的電路框圖。電路包含MCU系統(tǒng)、正弦信號生成電路以及電源子系統(tǒng)。

MCU系統(tǒng)中RS-422通訊模塊接收外部指令，微處理器解析通訊指令，通過分析計算后轉(zhuǎn)化為控制指令，控制指令通過SPI總線隔離輸出至正弦信號生成電路。

正弦信號生成電路中含有正弦波信號生成電路和數(shù)字乘法器電路，正弦波信號生成電路和數(shù)字乘法器具有SPI接口，通過SPI接口接收MCU系統(tǒng)的控制指令。正弦波信號生成電路生成弱正弦信號，弱正弦信號經(jīng)數(shù)字乘法器調(diào)幅放大后由變頻器隔離輸出。

電源子系統(tǒng)中設(shè)置有EMI濾波器，EMI濾波器屏蔽外部電源傳導(dǎo)干擾，為電源子系統(tǒng)中DC/DC提供較為干凈的電源。電源子系統(tǒng)分為兩部分，一部分為MCU系統(tǒng)提供電源，另一部分為正弦信號生成電路提供電源。

2.3 MCU系統(tǒng)電路

信號模擬裝置采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F429型高性能32位微控制器（MCU），內(nèi)置ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻168MHz。MCU內(nèi)置UART控制器用于接收串行通訊數(shù)據(jù)，并通過SPI總線控制DDS和數(shù)字調(diào)幅器件。MCU系統(tǒng)電路還包含隨機存儲器（SRAM）、看門狗、電擦寫數(shù)據(jù)存儲器等器件，實現(xiàn)存儲器拓展、運行異常自動復(fù)位、電路特性參數(shù)存儲等功能。

2.4 正弦信號生成電路

正弦信號的核心部分為AD9833型DDS和AD5543型乘法器數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）。MCU通過SPI總線將待生成頻率對應(yīng)的碼值傳輸至DDS，控制DDS輸出指定頻率的正弦波信號，信號幅值高電平620mV，低電平40mV，為不過零的正弦信號.

DDS輸出信號經(jīng)過有源高通濾波器調(diào)理為過零正弦信號，并進行第一級放大后接入MDAC的電壓參考端。MDAC根據(jù)MCU傳輸?shù)拇a值精確控制正弦信號衰減增益，實現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅功能。調(diào)幅后的信號經(jīng)過低通濾波器進行平滑處理和第二級放大，通過設(shè)計兩級放大增益保證達到最高30VP-P的幅值范圍需求。

3 設(shè)計符合性分析

3.1 功能符合性分析

模擬裝置選用的AD9833型DDS器件能夠輸出（10～20000）Hz范圍內(nèi)頻率連續(xù)可調(diào)的正弦波。

電路基于OPA604型高電壓運算放大器設(shè)計兩級放大電路，增益分別為4.9和11，將DDS輸出的0.58VP-P信號放大至30VP-P以上。模擬電路的電源電壓設(shè)計為±18VDC，保證輸出信號幅值不受限于電源軌。電路中的MDAC實現(xiàn)對幅值的連續(xù)可調(diào)。

模擬器信號輸出端口的直流電阻阻值通過在音頻變壓器的輸出端線圈串聯(lián)電位計保證。

3.2 信號頻率精度符合性分析

模擬裝置選用EPSON SG5032型晶振，頻率為1MHz，頻率穩(wěn)定度為50PPM。在該晶振頻率下，DDS輸出信號的頻率分辨率為0.004Hz。由于DDS的頻率生成分辨率為固定值，所以轉(zhuǎn)速生成最大誤差出現(xiàn)在最低信號頻率時，對于10Hz頻率信號的相對誤差為±0.04%。DDS分辨率和晶振頻率穩(wěn)定度疊加誤差不超過±0.045%，設(shè)計保證滿足±0.1%F.S的頻率精度要求。

參考文獻：

[1]莫福廣，梁源飛.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器在發(fā)動機上的應(yīng)用 [J].裝備制造技術(shù)，2008，8（1）：186-188.

[2]張國雄，李醒飛.測控電路：第4版[M].北京，機械工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：高廣華，男，漢族，1977.10出生，碩士，高級工程師。