基于FPGA的航空发动机可调导叶角度测量系统设计

赵晶 吴吉昌

摘 要：为了获得发动机的最佳性能和可靠性，并保证压气机工作的稳定。开展了可调导叶角度的测量研究。针对小型航空发动机空间狭小等问题，选用增量式旋转编码器解决空间安装问题，通过FPGA延时断电设计，解决了高精度同步测量以及无记忆等问题。

关键词：FPGA；航空发动机；角度测量；设计

中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0080-02

0 引言

在航空发动机设计中，可调导叶是航空发动机一种非常重要的主动控制手段，可以有效避免压气机在非设计工况下发生失速和喘振，以提高发动机的稳定工作范围并有效改善压气机的非设计工况性能，以提高发动机在飞行设计状态的性能。航空发动机可调导叶的角度测量，要求测量精度高，传感器体积小。为了解导叶之间，导叶与油门杆之间角度关系，需要进行多点测量，保证测量的高精度。为了解决小体积高精度这一问题，设计了双通道导叶角度测量系统，提高测量精度，满足航空发动机多通道测量的要求。

1 系统总体设计

1.1 传感器的选择

根据某型发动机测试精度为0.1度的实际需要，传感器选用了TURCK公司生产的2400型-2000增量式旋转编码器。其特点是：价格适宜、体积小、重量轻、信号传输距离远、抗干扰能力强、分辨率高，为2000脉冲/圈。有A、B、Z三相输出，其角度分辨率为360÷2000=0.18度/脉冲。尽管直接测量不能满足0.1度的测试要求，但是可以根据传感器的输出特性在二次仪表上采取措施，达到提高系统测试精度的目的。

1.2 传感器工作原理

可调导叶角度传感器电路图如图1所示。其中Z相每转一圈输出一个脉冲，输出脉冲反映了角度的零位置，其频率反映了速度。转盘上黑白相间的条纹越多，则分辨率越高，体积也就越大。A、B相的几何位置使得A、B相的电信号输出在相位上相差1/4周期（2π/4），其输出特性如图2所示。

从输出特性上可以看到，在一个周期内（相当机械角度0.18度），A、B相共有四个上下沿，而每个沿之间相差90度的电气角。如果利用数字电路在编码器一个周期内记忆这四个上下沿，在效果上相当于将0.18度的机械角细分4倍，即对传感器输出信号進行四倍频。

按以上所述：如果我们选用TURCK 2400型-2000编码器，经上述数字电路处理后可获得：360÷2000÷4=0.045度/脉冲，也就是说，经二次仪表的细分电路，可以使系统的测量精度提高四倍。

2 硬件电路设计

系统设计时，采用模块化设计的思想，按照技术指标设计各个功能模块，通过各模块之间的协调配合完成系统的测试任务。双通道角位移测量系统由滤波整形、电平变换、FPGA和配置电路、CPU以及显示屏等组成。其原理框图如图3所示。

2.1 滤波整形

在发动机导叶角度测试时，传感器与二次仪表之间的距离一般都有数米远。为防止干扰的混入，必须采取可靠的抗干扰措施，以保证测量的准确性。滤波器的作用主要是消除耦合，辐射干扰，滤波后的信号随之进行整形，为后来的信号处理作准备。

2.2 电平变换电路

细分电路都是利用脉冲沿来实现的。如果有外来干扰混入都将给系统带来很大的误差。本测量仪准确与否，在很大的程度上取决于系统的抗干扰能力。因为一个干扰脉冲信号就可能导致0.045度的误差，这是测试仪器所不允许的。除上述在前置端加滤波电路外在器件的选择上，我们采用了CMOS器件，工作电压+12V，以提高噪声容限，达到抗干扰的目的。这样一来，本系统就有+12V和单片机系统用的+5V二组电源，它们之间要协调的工作必须经过电平变换。

2.3 FPGA实现细分判向和可逆计数功能

细分判向电路直接影响测试精度和动态响应速度。传统的方法不是抗干扰能力差就是结构复杂，可靠性差。可编程器件的出现，使得复杂的逻辑组合电路设计变得简单、明朗，使我们的调试修改变得十分轻松，不需要变动任何硬件，只须变动相应的逻辑表达式就可实现相应的逻辑功能。我们采用FPGA就可完成上述逻辑关系，从而使计数器正确计数。

角位移的方位由传感器的A、B相来决定。当A相超前B相时，将旋转方位定义为正，当B相超前A相时，旋转方位定义为负。之所以这样是根据可逆计数的特点，我们可以用Veirlog语言编程，以描述细分判向电路时序图和可逆计数的逻辑关系。逻辑关系编辑完成后，生成目标文件JED，直接写入FPGA，完成专用细分判向电路设计。

2.4 通讯接口

CPU的串口外接MAX232芯片，形成标准的RS232接口，以便于其进行通讯。从某种意义上来讲，双通道角位移测量仪是一台下位机，通过RS232接口与CPU通讯。

2.5 数据的自动保存

传感器器有一个致命的弱点，每次开机或断电时，传感器的测量总是从零点开始。例如，发动机的可调叶片角度每次试车都根据不同的状况进行调节，不可能每次都从零开始调节角度，我们在设计中增加了电擦除串行E2PROM，24LCO1B以自动保存数据。当仪器掉电时，利用电容的贮能作用，CPU立即接受中断申请，将当前显示值作为下一次测量的初始值存入24LC01B。仪器下次通电后，CPU从24LC01B读出数据作为初始值和当前测量值进行相应运算，这样就保证了发动机叶片实际角度与仪器显示始终同步。从根本上解决了增量式旋转编码器不带记忆的缺点。

2.6 电源

本测量仪采用+5V，+12V供电，为消除电源的干扰在稳压源的前后均设计了瞬变干扰抑制电路，以保证整机的可靠性。

3 系统软件设计

系统软件设计是以硬件电路为核心，根据测量系统具体的测试需要编程。在本测量系统中，通过FPGA实现双通道导叶角度的数据采集、处理以及和CPU之间的通讯，采用自顶向下的设计方法，把系统分为输入、输出和信号控制等功能模块，其中软件设计CPU设计我们采用微处理器AT89C51来完成，程序流程图如图4所示。

4 测量系统校准

为了对测量系统进行校准，需准备校准装置，校准装置由光学分度头、高度尺和读数表组成，静态校准装置实物如图5所示，校准实测数据如表1所示。

5 结语

本文设计了基于FPGA的双通道角位移测量系统是根据某发动机提出的要求而完成的。该系统利用FPGA快速性、可并行性等特点，在某型发动机的现场测试中，它很好地展示了发动机在各状态下0级，1级、2级可调叶片的角度，同时也清楚地表明了它们之间的相互关系。

参考文献

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