航空发动机LVDT测量元件的教学实验模拟装置设计
2019-05-21符江锋李华聪缑林峰肖红亮
符江锋 李华聪 缑林峰 肖红亮
西北工业大学动力与能源学院 陕西西安 710072
航空发动机控制元件课程是飞行器动力工程专业高年级本科生的一门专业课程[1]，航空发动机燃油控制系统作为该课程的实验教学平台，其系统组成包含发动机燃油泵、敏感元件(测量元件)、执行元件及放大元件等。该实验平台功能复杂、价格昂贵、操作技术要求高，在航空发动机专业院校常仅配置一套[2]，学生独立操作的机会少，很难满足当前本科生教学环节中的需要。
伴随国内外航空发动机设计由“传统设计”向“预测设计”的数字化设计转变[3,4]，如何借助计算机仿真技术将精确的发动机模型、发动机控制系统模型、发动机燃油系统模型等集成在同一计算平台下，形成高效、通用、可扩展的嵌入式发动机仿真教学实验平台，是实验教学实践环节中需要关注和探索的。基于快速原型设计方法可研制一套小型化接口通用的基于总线模式的嵌入式仿真模块[5]，在发动机仿真教学实验平台中，测量元件是实验平台的核心元件，其功能是将发动机燃油控制回路的信号进行采集，并输出至电子控制器，从而实现发动机的闭环控制[6]。
LVDT(位移传感器)作为发动机控制回路的核心测量元件，必须满足电子控制器特有的电气接口信号要求。为此，本文针对实际LVDT的工作原理及电气信号接口要求，设计一种LVDT模拟装置，模拟真实LVDT输出电子控制器所需的电气信号特征，为构建飞行器动力工程专业本科生教学实验平台提供硬件支撑。
1 LVDT传感器的工作原理及其模拟装置方案设计
1.1 LVDT传感器工作原理
典型的LVDT传感器结构如图1所示，其工作原理类似于差动式变压器的工作原理[7]，这种类型的传感器主要由衔铁芯、初级线圈和2个次级线圈组成。初级线圈和次级线圈之间的衔铁能随传感器的伸缩而运动，即初级线圈和次级线圈间的互感量随被测位移的改变而变化。航空发动机测试用的真实传感器输出信号频率为3 000 Hz，有效值为0～3 V可变的差分正弦波信号。
图1 典型的LVDT传感器结构原理
1.2 LVDT传感器模拟装置设计
通过对LVDT传感器工作原理的分析可见，LVDT模拟装置设计原理如图2所示，LVDT输出的两路差动电压信号为位移信号和激励信号的乘积函数。当铁芯偏离中心位置时，两路输出信号的增量相位相反，因此采用乘法的方法模拟传感器输出两路信号。
图2 LVDT模拟装置原理图
2 LVDT传感器模拟装置硬件设计
根据LVDT模拟装置基本原理，将LVDT传感器模拟装置划分为通信模块、微处理器、数模转换、正弦激励信号发生模块、乘法器，硬件设计结构原理如图3所示。
图3 LVDT模拟装置硬件设计
通信模块主要功能是接收上位机数据，并将其传送给微处理器。微处理器有两个功能，一是设置正弦激励信号发生模块，另一个是处理由通信模块传送来的数据，并将其传送给数模转换模块。数模转换模块接收数字信号，并将其转换为0～10 V模拟控制信号后传送给乘法器。正弦激励信号发生模块经过微处理器进行设置后产生一个频率为3 000 Hz、有效值为3 V的双极性正弦波激励信号并传送给乘法器。模拟控制信号和激励信号经乘法器相乘后得到所需的LVDT模拟信号。
3 LVDT传感器模拟装置软件设计
L V D T模拟装置的程序开发是基于STM32F103C8T6芯片开发的。软件是在Windows XP系统下，采用MDK3.80A软件开发。程序结构如图4所示。
图4 LVDT模拟装置程序结构
LVDT模拟装置程序设计中，STM32F103C8T6芯片调用库函数系统初始化后形成程序框架，在此框架中构建串口通讯及数据解码，信号源AD9850设置，D/A芯片MAX536数据传送3个程序块。程序设计流程如图5所示。
图5 LVDT模拟装置程序设计流程
通过分别设计LVDT模拟装置的通信模块、微控制器、数模转换、正弦激励信号发生模块、乘法器等5个子模块的硬件电路，最后封装形成的LVDT模拟装置如图6所示。
图6 LVDT模拟装置
4 LVDT模拟装置应用实例
为了验证LVDT模拟装置设计的有效性，基于发动机快速原型设计实验平台，模拟输出电子控制器所需的电气信号。得出的发动机燃油控制系统计量位移的LVDT正向和反向最大位移如图7和图8所示。
图7 LVDT模拟装置正向输出
图8 LVDT模拟装置反向输出
由图7可以看出，所设计LVDT模拟装置在正向最大位移的a路输出为2.4 V，b路输出0.6 V，有效值为3 V，频率为3 005 Hz，有效值为3 V。从图8可以看出，反向最大位移时的a路输出为0.6 V，b路输出为2.4 V，有效值同样为3 V，输出频率为2 998 Hz，文中所设计的实验平台LVDT模拟装置不仅实现了真实LVDT输出正弦波的信号模拟功能，并且输出的电压有效值完全吻合，输出频率精度优于±1‰，所设计的LVDT模拟装置具有极高的模拟精度。
5 结语
本文以航空发动机控制实验教学为改革依托，以航空发动机“预测设计”思想为指导，针对实际LVDT的工作原理及电气信号接口要求设计了一种LVDT传感器模拟装置，模拟真实LVDT输出电子控制器所需的LVDT信号。所设计的实验平台LVDT模拟装置实现了真实LVDT输出正弦波的信号模拟功能，并且输出的电压有效值完全吻合，输出频率精度优于±1‰，能够为发动机控制课程的实践教学环节提供硬件支撑。
