航空发动机转速调理模块设计研究

任瑞冬，李国鸿，范小明，马 昌

(中国飞行试验研究院发动机所，陕西西安 710089)

1 引言

目前，在国内航空发动机飞行试验中，对整机振动监视的要求越来越高，急需要对发动机高压(或低压)转子基频激起的振动加速度、速度、位移分量进行实时跟踪监视［1］。为了解决这一问题，获得准确的转速信号是关键。

当前可用于航空发动机转速测量的方法和设备基本分为三类，第一类是采用计数器测频率实现转速测量;第二类是采用频率-电压转换电路或芯片，将频率信号转变为电压信号进行转速测量;第三类是测量周期［2-5］。无论采用哪种方法，输入转速测量设备的信号的波形和电压范围必须满足要求，而实际上航空发动机转速传感器输出的信号比较复杂，甚至出现奇异波形。波形不规则的原因除工频、高频干扰信号叠加外，主要是发动机试车过程随机大振动引起传感器信号发生器与切割磁力线的导磁叶片之间位移随机变化、导磁叶片磁性不均匀、介质流动不稳定等因素造成信号波形奇异、复杂［6-7］。这样的波形不能满足转速测量设备高可靠、高精度的测量要求。因此必须对转速传感器输出信号进行预先调理，将其转换为频率与原信号相同，且电压范围满足一定要求的方波信号。

笔者以常用的电压比较器为主要元件，以迟滞比较电路为核心电路，搭建满足使用要求的不规则周期电压信号方波整形电路，达到了将周期固定、波形为不规则正弦或方波的电压信号整理为周期不变，波形满足目前常用频率信号测量模块输入要求的方波信号的目的。

2 电路设计

转速调理模块的目的主要是将不规则的复杂信号转换成规律、满足测量系统输入幅值要求的信号。因此核心部分使用电压比较电路实现波形整形的目的。图1为迟滞电压比较器的传输特性图。

图1 迟滞电压比较器传输特性

若单限比较器如果输入信号Ui在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动(起伏)，而迟滞电压比较器就可以克服这一缺点。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的另一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡［8-12］。鉴于迟滞比较器的优点，将其用于航空发动机转速调理模块，能够提高转速测量系统的抗干扰能力和可靠性，为发动机振动的实时监视提供保障。

经过大量调研，市面上常用电压比较器供电电压均为5 V，该文采用的电压比较器为TI的LM2903P。由于机载直流电源为27 V，没有稳定的5 V的直流电可以直接使用，因此设计了一个将27 V的直流电转换为+5 V的稳压直流电源模块，该模块能够在机载电压值有波动的情况下，提供给比较器稳定的5 V电压，保证比较器的正常稳定工作，所选用的稳压电源调节器为TI公司的LM317。

2.1 迟滞比较电路

图2为迟滞比较电路的原理图。图中已经给出了外围电阻的配置，其大小是在满足预期指标的前提下仿真试验得到。LM2903P要求差动输入电压范围限制在±36 V之间，而航空发动机转速传感器的输出信号电压范围未知，因此，在信号输入前LM2903P之间，增加了信号限幅电路，该电路主要由两个反向并联设置的稳压二极管实现，可限制LM2093输入信号的大小，满足LM2903P的可靠工作的使用要求。LM2903P的供电电压为5 V，由笔者设计的稳压电源模块实现。

图2 迟滞比较电路原理电路

2.2 稳压电源模块

图3 为转速调理电路的稳压电源部分电路，作用是将机载的27 V直流电压转换成稳定的5 V电压，保证LM2903P的正常使用。

图3给出了核心器件LM317外围电路的设计，并标明了各个电阻值及电容的大小，其大小同样是经过实验室仿真试验得到的。为了验证输出电压的稳定性，在实验室按图3所示搭建电路，使用万用表测得稳压电源模块的输出电压Sout，从表1可以清楚的看到，输入直流电压在10～30 V之间变化时，输出电压在4.919 ～4.926 V 之间变化，变化幅度为0.01 V，基本满足设计提出的在机载电压有波动的前提下输出稳定的5 V电压的要求。

图3 稳压电源模块电路

表1 稳压电源模块输入输出电压 /V

3 电路软件仿真试验

在Mutisim软件环境下对第2节设计的迟滞比较电路和稳压电路进行了仿真试验，仿真过程的结果截图如图4、5所示。需特别说明的是，在迟滞比较电路模块仿真过程中，已经将输入信号限幅模块包括在了仿真电路中，就不再单独对先付模块进行仿真。由于转速信号调理模块设计最初的目标是同时能完成对高压转子和低压转子的转速信号进行调理，因此共设计了2个图4所示的调理电路，只是激励电压和频率有所不同，以模拟不同转速传感器的输出信号。

从图4、5来看，此文所设计的迟滞比较电路和稳压模块电路仿真结果符合设计要求，实现了将不同频率和幅值的正弦信号转换为频率不变幅值基本固定的方波信号。

4 电路PCB板及外壳设计

根据电路设计、仿真、调试结果，选购元器件(电压比较器芯片、稳压电源芯片、二极管、电阻、电容)、航空插头(四芯、六芯)。设计了转速调理模块PCB板，合理安排各个元器件的位置和走线，使得模块体积尽可能小，占用空间小，方便安装和测试，且可实现两路信号(高、低压转速信号)的同时调理整形。为保证输入输出电气接口在机载环境下的可靠性，输入输出接口选用了满足国军标要求的四芯、六芯航空插头，其型号分别为:XK11J4JE、XK14K6ZE。

图4 迟滞比较电路仿真结果

图5 稳压模块电路仿真结果

此文设计的转速调理模块主要面向飞行试验方便机载使用，因此考虑了壳体强度刚度、PCB在外壳壳体上的安装、壳体的密封性、外壳的安装等各种因素，设计出了图6所示的模块壳体。将制作好的PCB板固定在图6所示的壳体内封装完毕即可作为成品装机使用。图7为最终的物理样机。

图6 壳体三维图

5 实验室调试结果

如图8为试验试测试的框图。将设计电路中的所有元器件焊接在制作好的电路板上，并装入设计的壳体内，组成了转速调理模块。使用函数/信号发生器输入频率，波形，幅值可调的信号。一路送入转速调理模块中进行预处理，并输出。使用动态采集系统采集原始输入信号，和输出信号，比较二者的区别，检测转速调理模块的功能。

图7 转速调理模块物理样机

图8 测试框图

测试中电源提供±27 V电压，信号源依次产生标准正弦信号10 Hz、±0.5 V;10 Hz、±1 V;10 Hz、±5 V;10 Hz、±6 V、10 Hz;±9 V，100 Hz;±1 V;1 000 Hz、±1 V;3 000 Hz、±1 V。这些标准正弦信号通过转速调理模块输出方波，最后由动态信号数采系统进行采集、记录并显示。采集系统的采样率设置为50 kbs，图9、10分别是10 Hz、±1 V 的输入信号和经过转速调理模块调理后的输出信号。其他的测试结果如表2所列。

图9 输入信号(10Hz、±1V)

图10 输出信号

表2 转速调理模块测试结果统计

从表2中的输入输出信号比较来看，无论输入信号的频率、幅值有多大，输出信号的频率都与输入信号频率一致，输出幅值基本稳定在4.2 V左右。满足将转速信号调理为同周期，且幅值满足一般转速测量模块输入要求的目的。制作完成的航空发动机转速信号调理模块样机各项参数符合预期结果。

6 结语

转速调理是获得准确转速信号的关键，也是发动机振动实时监视的基础。转速传感器输出信号频率、幅值都不尽相同，多数波形不正规或奇异。此文设计的航空发动机转速调理电路，能够对转速传感器输出的复杂信号进行预处理，得到幅值固定，频率与原信号一致的方波信号，为进一步发动机转速的准确测量测量奠定基础。

此文设计的转速信号调理模块可为一个独立设备，在其他转速信号测量设备前对其输入信号进行预先调理，也可以将转速信号调理模块所用的电路直接集成到航空发动机实时振动监视系统中，作为一个转速信号预调理模块使用。在发动机飞行试验中有一定应用价值。

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