一种电子调节器检测设备的研制

2023-10-31陈晋卓伟伟谭耀兰敬宏国营锦江机器厂

航空维修与工程 2023年10期

■ 陈晋卓伟伟谭耀兰敬宏/国营锦江机器厂

0 引言

随着计算机技术与数字化技术的发展，仪器智能化程度日益提高，虚拟仪器的概念应运而生。这是一种开放式的结构，经由通用计算机、DSP 或其他CPU 来提供自动测试系统中的信号处理、存储与显示的功能，由符合统一规范的多种插槽式模块化仪器及新型的CPCI 总线接口来提供/采集信号与控制，实现仪器功能，克服了传统GP-IB仪器的缺点，非常适于组建复杂的测试系统，是一种极具应用前景的测试系统组建手段。

本文介绍的电子调节器检测设备基于PXI 板卡和LabVIEW 设计，主要功能是为产品提供工作电源，模拟传感器向产品输入信号，采集产品输出的执行机构状态灯的控制信号并运算处理。

1 电子调节器简介

某型电子调节器（以下简称电调）是某型发动机控制系统的重要电子部件。电调依据飞机上的传感器感受到的发动机压气机涡轮转速、外界大气压力、外界大气温度等参数，对燃油流量调节器的执行机构（以下简称执行机构）进行自动调节，控制压气机涡轮转速，最终对发动机的功率进行精确控制。

2 电子调节器检测设备的组建

传统的仪器自成体系，所有仪器的端口（如信号的输入输出）以及用户的操作界面（如旋钮、开关和显示器等）都固定在机箱的面板或背板上，由生产厂家定义，用户不能更改，其控制、显示等也各自独立。

在机载设备的研制、生产和维修中，由于每种设备需要检测的指标类别及数量很多，如果采用传统仪器则需要多台甚至十几台仪器，且同一类别不同型号设备的检测仪器一般不兼容，造成测试系统庞大复杂、资源利用率低、测试速度慢、机动性及可升级性差，难以满足机载装备发展对测试的实战需求。为了解决上述问题，基于虚拟仪器技术研制了电调检测设备。设备的资源分配如下。

1）带PXI 接口的控制器：作为测试管理的控制器，提供测试管理控制功能，通过PXI7683A CPU 模块实现。

2）PXI 接口式数据采集模块：用于采集发动机燃油供油执行机构信号和发动机停车执行机构信号，数据采集功能通过PXI3364 多功能数据采集卡实现。主要技术参数：

● 输入通道：32 路；

● 分辨率：18bit；

● 采集速率：单通道最高1.25MS/s，多通道最高1MS/s；

● 输入量程：-10 ～+10V、-5 ～+5V、-2 ～+2V、-1 ～+1V、-500 ～+5 0 0 m V、-2 0 0 ～ +2 0 0 m V、-100 ～+100mV；

● 过压保护：最大连续±24V；

● 精度：1000μV；

● 输入阻抗：单端＞1GΩ，差分＞2GΩ；

● 存储容量：7M 采样点。

3）PXI 接口式模拟输出模块：用于模拟输出发动机的转速信号和大气压力信号，提供模拟信号的输出，通过PXI3364 多功能数据采集卡实现。主要技术参数：

● 输出通道：4 路；

● 最大更新速率：500kS/s（4通道）；

● DAC 分辨率：16bit；

● 输出量程：-10 ～+10V；

● 绝对精度：1500μV；

● 输出电流：单通道最大50mA；

● 存储容量：7M 采样点。

PXI3364 多功能数据采集卡具有32路输入、4 路输出，既可用于输入板卡，也可作为输出板卡。

4）PXI 接口式继电器切换模块：用于模拟发动机各类控制信号，继电器切换功能通过PXI7921 继电器卡实现。主要技术特点：

● 通道数量：24 个；

● 最大输入电流：2A；

● 最大输入电压：30V；

● 最大接触电阻：100mΩ。

5）PXI 接口式可编程电阻模块：用于模拟输出大气温度，提供大气温度模拟功能，通过PXI3110 可编程电阻卡实现。主要技术特点：

● 输出通道：2 个；

● 阻值范围：0.5 ～32768Ω；

● 输出精度：0.03Ω；

● 最大功率：0.5 ～10Ω/1W、10 ～100Ω/0.5W、＞100Ω/0.25W。

6）PXI 接口式数据衰减模块：用于对输入、输出信号进行衰减处理，数据衰减采用PXI3221 多量程衰减卡实现。主要技术参数：

● 输入通道：8 个；

● 输入信号范围：±75V；

● 输入信号带宽：＞20MHz；

● 输入阻抗：100kΩ；

● 输出精度：≤1‰；

● 二级衰减选择：1×、2×、5×，三挡可选；

● 输出信号范围：±15V。

硬件连接如图1 所示。

图1 硬件连接图

3 执行机构信号测试方法优化

3.1 执行机构信号形成原理

压气机涡轮转速限制电路周期性工作，工作周期约41ms，每个周期为电调的计算周期。这部分电路通过采集压气机涡轮转速传感器信号后转换成数字信号，再经过计算、处理获得控制动作编码，输出PWM 脉冲信号作为控制信号提供给执行机构。执行机构通过调节供油量来调节发动机压气机涡轮转速。电调压气机涡轮转速限制电路输出的是PWM 波。当输入到电调压气机涡轮转速限制电路的频率信号与电调内的预置频率相等时，PWM 波的占空比达到最大，这时称输入到电调的频率为电调的限制频率。压气机涡轮转速传感器信号是一个正弦信号，其频率值与压气机涡轮转速大小成一定的函数关系，频率越大对应的转速也越大。传统的测试方法是用信号源模拟正弦信号输入电调，通过改变输入频率值，观察电调输出至执行机构的PWM 波的占空比是否达到最大，据此判断是否为电调的限制频率，但这种方法测试时间长、效率低。为解决此问题，基于最小二乘法构造执行结构信号的函数模型，该模型可以缩短测试时间，实现检测流程的优化。

3.2 构造执行机构信号的函数模型

执行机构信号为周期401ms 的周期信号，执行机构完成工作时正频宽36.84ms，占空比约90%。压气机涡轮信号频率为1009Hz 时执行机构开始工作，此时信号占空比处于临界值0%。压气机涡轮信号频率为1009Hz 以上时，执行机构信号占空比逐渐增大，响应速度随输入压气机的信号频率增大而变快。以1009Hz 为初始值，输入（1009+f）Hz的阶跃信号，记录占空比达到最大值时的峰值时间tp，数据如表1 所示。

表1 采集数据

采用最小二乘法求k、q，使残差平方和RSS最小，有

式（1）对k求偏导得：

式（1）对q求偏导得：

取RSS为最小值时，和应为0。使式（4）等于0，有：

使式（5）等于0，有：

根据式（7）、式（8）求解，保留4 位有效数字，得：

此时，残差平方和RSS取得最小值，有：

此时，确定系数R平方值为：

其中，ESS为回归平方和，有：

根据式（9）、（11）、（12）、（13），得：

由运算结果可见，拟合效果较好。

拟合曲线如图2 所示。

图2 拟合曲线

在工艺要求的测量范围之间随机选择一个频率，记录在该点上达到最大占空比的响应时间，将频率值记为f0，时间值记为t0，基于得到的函数模型，计算出频率f0对应的偏移值f1，以得到趋近目标值的f2=f0+f1；在频率值f2附近进行小步进调整，并观察燃油供油执行机构信号形成的波形图，当占空比稳定在90%时，得到测试用的目标值f3。该方法通过函数模型对测试的测量点选取进行优化，有效缩短了响应时间和测试周期。完成上述工作后，利用LabVIEW编译软件编译电调检测设备软件（见图3），并将优化方法固化在软件中，由此完成电子调节器检测设备研制工作。

图3 检测设备软件界面

4 电子调节器检测设备工作流程

1）在检测软件上输入ntk=900Hz，ntkc=900Hz，nct1=500Hz，nct2=500Hz，大气压力=1 个标准大气压，大气温度=15℃，离散量均处于关闭，并通过控制器PXI7683A 将任务信息发给各执行板卡。

2）执行板卡中的模拟输出模块PXI3364 接收任务信息后，输出4 组5V 的正弦波频率信号（分别为900Hz/900Hz/500Hz/500Hz）至电子调节器，用于模拟发动机转速信号，转速信号有ntk/ntkc/nct1/nct2（压气机涡轮转速/相邻压气机涡轮转速/自由涡轮转速1/自由涡轮转速2），该信号为5V 的正弦波，信号频率与发动机转速大小成函数关系；输出1 组直流信号至电子调节器，用于模拟大气压力P1，P1 为直流信号，该信号上的电压大小与大气压力值成函数关系。

3）可编程电阻模块PXI3110 接收任务信息后输出1 组电阻信号，将信号输送给电子调节器，可编程电阻模块模拟大气温度T1，T1 为电阻信号，该信号的阻值大小与大气温度值成函数关系。

4）执行板卡中的继电器切换模块PXI7921 接收任务信息后，输出6 组离散量信号至电子调节器，继电器切换模块模拟6组开关，包括tk检查工作/检查、应急断开/接通、nct1 检查、nct2 检查、nct 工作和负载工作/检查，离散量开关信号均为+27V 直流信号。

5）与电子调节器连接的数据衰减模块PXI3221 衰减各执行机构的输出电压值。

6）数据采集模块PXI3364 采集经数据衰减模块PXI3321 衰减后的执行机构工作电压，采集原因是执行机构信号均为直流，但因PXI3364 的采集电压范围为-10 ～+10V，实际执行机构的工作电压会大于10V，因此需要将执行机构的信号衰减后再由PXI3364 完成采集工作。

7）控制器PXI7683A 接收PXI3364 的采集信号后，在检测软件上显示各执行机构的工作电压值（检测软件内部会根据PXI3321 的衰减系数，恢复各执行机构工作的真实电压值），以方便用户根据电压值判断各执行机构的工作情况。

8）测试适配接口装置的作用是将被测产品与系统连为一体，完成产品与设备之间的物理连接，实现自动测试。测试适配接口装置根据系统测试信号端口信号进行划分，以实现被测产品所需信号的适应性。系统测试信号端口信号分为被测产品供电电源端口、数字电路逻辑输入端口和输出端口，数字开关量控制输出。被测产品通过专用的适配接口完成测试系统信号连接，再根据被测产品接插件连接实际信号的特征，确定测试系统测试端口各引脚信号的特征、状态和相互之间的关系等，为测试提供编程数据。