一种涡扇发动机转子转速信号及高齿信号测量方法

摘 要：

航空发动机工作状态的变化多数情况都伴随着发动机转速的变化，转速直接与经过发动机的流量及推力联系在一起，因此转速信号的采集显得十分重要。鉴于此，提出了一种高可靠转速信号及高齿信号采集的方法，使用信号调理电路结合高性能处理器采集逻辑进行信号采集，在实验上证实了采集方法的正确性，满足发动机转速信号采集精度，符合预期结果，为优化涡扇发动机转子转速及高齿信号采集精度提供了参考。

0引言

航空发动机工作状态的变化多数情况都伴随着发动机转速的变化，转速直接与经过发动机的流量及推力联系在一起[1]，转速信号的采集显得十分重要。航空发动机转速信号多通过磁电式传感器采集，传感器输出信号为类正弦模拟量信号，该模拟量信号包含了发动转子转速及高齿信号。目前大部分涡扇发动机均为双转子涡扇发动机，以某型民用发动机为例，低压转子转速N1的频率范围为50～3100Hz，高压转子转速N2的频率范围为200～12 500 Hz，转速频率覆盖范围广，如何准确实现转速及高齿信号的解析成为需要考虑的技术关键。

发动机转子转速信号采集主要包含采集电路和采集逻辑两部分。本文描述了一种高可靠转速信号及高齿信号采集的方法，在传统调理电路脉冲计数的基础上，引入高采样率AD芯片结合ZYNQ U+处理器PL逻辑，实现航空发动机转子转速的信号及高齿信号采集，可应用于航空发动机高频转速信号及高齿信号的采集中，实现对转速传感器输出信号的准确采集。

1航空发动机转速信号测量原理

转速测量通过转速传感器与音轮配合实现，航空发动机多使用磁电式转速传感器[2]，具体采集原理图如图1（a）所示。

在音轮转动过程中，每个音轮齿转过传感器会产生一个脉冲信号，其中会有一个音轮齿大于其他音轮齿，该齿为高齿，高齿产生的信号脉冲高于其他齿，高齿信号用于相位基准标记[3-4]。传感器采集脉冲信号示意图如图1（b）所示。

根据航空发动机转速采集原理，信号调理主要分为两部分：一部分为转速信号调理采集，用于测量转子转速；另一部分为高齿信号调理采集，用于识别音轮高齿信号，标注转子相位等重要信息。具体转速/高齿信号调理电路原理如图2所示。

2转速信号调理电路设计

转速传感器输出信号幅值随转速的升高而增大，高压转子在发动机启动阶段转速较低，此时转速信号幅值不到1 V，但发动机在高速工况时，高压转子转速信号幅值可达14 V。为保证传感器输出转速信号可被逻辑正确识别，需对转速信号进行调理，转速信号调理电路主要由限幅滤波电路、差分放大电路、滞回比较电路构成[5]，详细电路原理如图3所示。

为了稳定转速信号的电压幅值，需对转速传感器产生的类正弦电压信号进行限幅滤波，调理电路设计时使用电阻电容组成的带通滤波和两个反向并联的二极管相结合，其作用是把转速电压控制在0.7 V的范围，可以保证电压放大的一致性。另外，非常关键的一点是，由于测量信号涉及发动机高压转子转速，其转速在高速工况下频率可达上万赫兹，因此，加入钳位电路可以防止当转速较高时过高的输入信号电压将电路损坏，该电路设计极大地提高了电路的可靠性。针对该限幅滤波电路原理，通过Multism软件对电路功能进行仿真，输入频率1 kHz、幅值为5 V的模拟转速信号，波形如图4（a）所示，经限幅滤波电路后输出转速信号波形如图4（b）所示，从仿真结果可以确认，电路可有效实现限幅滤波功能，输出转速信号被控制在0.7 V范围内。经限幅滤波电路调理后的转速信号还不能满足后端比较电路的采集要求，需要对限幅滤波后的转速信号进行放大，通过带偏置电压的差分放大器将信号调理为单端类正弦信号，信号峰值达5 V。通过Multism软件对差分放大电路功能进行仿真，信号输出波形如图4（c）所示，根据仿真结果，调理后信号无负电压，峰值电压5 V，信号波形为类正弦波。经差分放大电路输出的类正弦信号需通过滞回比较电路形成TTL信号，考虑航空发动机工作环境恶劣，环境干扰会影响传感器信号的稳定性，为保证传感器信号不稳定造成转速信号采集不准确，使用滞回比较电路对转速信号进行处理。通过Multism软件对滞回比较电路功能进行仿真，输出波形如图4（d）所示，根据仿真结果，滞回比较电路输出的TTL信号为幅值3.3 V的方波信号，该信号可用于转速信号采集。

3Cessna 172飞机水平测量方法

发动机高齿信号包含在高压转子转速传感器中，其信号幅值为普通转速信号的20%左右。高齿信号特性与转速信号特性一致，其信号幅值随转速的升高而增大。为保证传感器输出高齿信号可被逻辑正确识别，需对高齿信号进行调理，高齿信号调理电路主要由比例放大电路、滤波电路、AD采集电路组成，详细电路原理如图5所示。

由于高齿信号脉冲在转子转速较高时信号幅值超出AD采集范围（AD采集范围为±10 V），信号调理电路需要对高齿信号进行比例放大，保证其峰值电压不会超出AD采集范围，某型涡扇发动机高压转子在转速最大值时，高齿信号峰值达14 V，因此比例放大电路选择比例放大倍数为0.7倍，保证高齿信号在峰值时不会超出AD采集范围，造成电压信号饱和，采集数据无效。经比例放大电路的高齿信号进行滤波后进入AD采集电路，为保证信号采集准确性，ZYNQ U+处理器PL逻辑控制A/D转换器以160 kHz采集频率电压，这些信号进入A/D采集序列进行比较，确认出高齿信号。

4转速高齿逻辑采集

转速信号经调理为方波信号后，输入至ZYNQ U+处理器PL中，转速采集逻辑通过脉冲计数法，以50MHz的频率对N1、N2转速脉冲上升沿进行计数，由于转速信号和处理器采样时钟属于不同的时钟域，存在亚稳态问题，需对转速信号进行同步处理，在转速信号第一个上升沿缓“三拍”开始清零计数，即使用50MHz采样时钟连续锁存三个采样时钟周期，当满足“三拍”条件开始进行脉冲填充，直到音轮齿数，将累计的频率计数值存储在PL对应的N1转速寄存器和N2转速寄存器中，寄存器宽度为32 bit，可由ZYNQ U+处理器PS通过AXI总线读取，获取频率值。

频率填充时间段如图6所示，从第一个方波的上升沿持续统计到第n+1个脉冲的上升沿为一个周期T_N。n为音轮齿数，由逻辑从音轮齿数寄存器读取。

频率计数与转速的关系如下式所示：

由于高齿信号的采集与转速信号同频同相，高齿信号的采集逻辑与转速信号采集同步进行，在转速信号上升沿和下降沿之间，PL逻辑对转速模拟量进行采集，并计算累加平均[6]。从每个齿的上升沿开始，累加AD采集（对应方波高电平）的绝对值，当发现第n个转速AD采集平均值大于前n-1个转速采集平均值至少20%（设计阈值寄存器，可通过应用软件进行配置，配置范围为10%～30%，复位值为20%）时，认为该齿为高齿信号。

5工程应用及测试结果分析

为了验证硬件调理电路和高齿采集逻辑的正确性，通过发动机监视装置硬件调测设备，模拟发动机工作状态下低速、常速及高速3种转速信号输出，依托某型发动机监视装置硬件平台对调理电路及硬件采集逻辑进行验证，验证结果如表1所示。

根据实际测试结果，转速高齿采集逻辑配合转速信号及高齿信号调理电路可以准确采集发动机转速模拟信号，采集误差精度可控制在1‰以内。

6结语

本文提供了一种涡扇发动机转子转速信号及高齿信号测量方法，通过调试设备模拟输出发动机转速信号，在硬件平台对转速信号及高齿信号调理电路和采集逻辑的正确性进行了验证，验证结果表明，该方法测量精度可满足某型涡扇发动机的转速测量要求，上述结果为优化发动机转子转速及高齿信号采集精度提供了参考。目前，该硬件方案在实验室环境已完成验证，后续计划对该设计进行复杂环境的试验验证，包括高低温环境功能性能验证、振动环境功能性能验证等。

审核编辑：汤梓红