飛機發動機滑油在線監測系統電流源設計

郝魁紅，李 斌

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

滑油監測是飛機發動機狀態的重要監控內容。目前的監測方法大都為離線監測，而故障隨時都可能發生。飛機發動機滑油在線監測系統對于實時監測發動機工作狀態，提前預警發動機故障很有價值。在線滑油監測系統的傳感單元可以簡化為一組螺線管線圈，對其激勵使線圈內形成交變磁場，利用電磁感應原理檢測線圈內經過的磨粒類型及其狀態。當外端兩個參數相同、極性相對的線圈內通過交變電流，線圈內部即產生交變磁場，由于兩螺線管線圈參數相同極性相對，所以中部的螺線管的磁場是平衡的。當有金屬磨粒經過時，感應磁場的平衡被打破，中間的感應線圈會產生感應電壓，從而獲得金屬磨粒的信息。

由于磨粒信息的檢出與其所受的交變磁場直接相關，因此希望交變磁場受傳感器結構尺寸參數、分布電抗參數和環境的影響要小，若傳感器激勵采用電流源激勵，則可克服諸多不利影響，同時，交變磁場的強度與電流激勵強度成正比，因此，設計良好的輸出電流較大的電流源對信號的產生及滑油在線監測至為關鍵。

根據系統需求，本文設計基于DDS為核心，采用MSP430單片機控制電流反饋放大器AD844和高頻運算放大器AD811，構成精密程控交流電流源。經過測試，針對傳感器電阻較小的特征，在其工作激勵頻率范圍及負載大小要求下，本交流電流源系統在輸出電流較大的情況下具有較高輸出阻抗和穩定的電流輸出，適用于飛機發動機潤滑油在線監測系統。

1 系統硬件

1.1 單片機及DDS直接數字合成芯片

電流源采用MSP430單片機為控制器。它具有超低功耗，軟件編程簡單，內置模塊以及I/O接口豐富等特點，被廣泛應用于眾多精密控制設備中。DDS直接數字頻率合成是一種新的全數字的頻率合成技術，目前DDS芯片以其頻率分辨率高、轉換速度快、體積小、性價比高等優點被廣泛應用。

AD7008是AD公司生產的DDS芯片中應用較為廣泛的一種，為數字式調制，能實現頻率、幅度和相位的精確調制。時鐘頻率為20 MHz或50 MHz，輸出頻率為（0～25）MHz，分辨率Δf =（50x106）/232 = 0.011 64 Hz。其內部結構如圖1 所示[1]。

圖1 AD7008內部結構圖Fig. 1 Internal structure of AD7008

1.2 電流反饋放大器AD844

AD844是AD公司生產的采用互補雙極型工藝制造的高速單片運算放大器。可以看做是一個電流傳輸器連接一個跟隨器，具有良好的高帶寬和快速反饋的特性，其原理圖如圖2所示。同相輸入端（3腳）輸入呈高阻抗，約為10 MΩ[3]。此輸入端的電壓經過一低失調電壓轉移到反相輸入端（2腳）。反相輸入端的輸入電阻RX約為50Ω。加到反相輸入端的電流由電流傳輸器復制而輸入到內部節點（5腳）處的電阻RZ中，經過RZ產生的電壓由單位增益緩沖放大器經6腳輸出。AD844為第二代電流傳輸器件，其電流反饋具有較高的線性度[6]。這種放大器提供了一個主要由反饋電阻決定的閉環帶寬，是一個幾乎獨立的閉環增量。AD844可以在±2.5 V的范圍內驅動50 Ω負載并有80 mA漏電保護。

圖2 AD844原理圖Fig. 2 diagram of AD844

2 電路整體構成

電流傳輸器電路的性能既取決于作為兩輸入端之間電壓緩沖器電路的能力，也取決于阻抗相差懸殊的兩個端口間傳輸電流的能力。根據系統要求，設計了圖3所示的程控交流電流源總體電路。MPS430單片機控制DDS芯片AD7008輸出適當頻率和幅值的正弦波信號，以滿足滑油監測傳感器激勵的需求。其中AD811為普通的高頻運算放大器，V/I轉換采用電路由AD811和AD844共同完成。AD844會因第一級精度低而帶來誤差，用一個帶寬相同的運算放大器作為輸入緩沖，可以使輸出電阻虛0，這樣就不會給跨導帶來誤差。為了避免直流信號使輸出端的隔直流電容飽和，系統中設計了直流反饋電路。

3 軟件設計

圖3 電流源總體電路Fig. 3 Overall circuit of current resource

對信號幅值和頻率的控制，要使AD7008的復位信號RESET有效，在復位后，各寄存器均被置零，然后下載命令寄存器，選擇AD7008的運行模式，根據上位機或EEPROM的數據依次裝載頻率、相位和IQ寄存器。在要求控制輸出信號幅度的場合下，AD7008提供了很多種方法。1)用戶通過向正交幅度調制寄存器寫入數據來控制輸出信號的幅度；2)通過選擇下載電阻或改變RESET進行控制[2]。

直接數字頻率合成器的輸出頻率計算。設輸出頻率為FOUT，參考頻率為FCLK，AD7008的控制字為FCW，可得出三者之間的關系為：FCW = (FOUT×232)/FCLK。系統AD7008采用基礎頻率為50 MHz。

圖4 控制流程圖Fig. 4 Control flow graph

4 電路參數選擇及測試

圖2中的Rx與圖3中的R1串聯，由于R1中的電流與AD844的第5腳輸出電流為鏡像關系，所以R1的選擇直接影響電路輸出電流的大小。R1選擇的過大或過小都會影響電路性能，經測試，當R1=380 Ω時，電路輸出電流達到最大值8 mA。當R1＜380 Ω時電路的輸出波形逐漸發生失真，R1接近0時電路輸出為近似方波。電阻R1的選擇，不因AD811的輸入信號頻率和幅值的變化而變化。因為圖4中電容C與電阻R2組成低通濾波電路，C選的越大R1兩端的電壓差越大，通過的電流也就越大，根據電流源輸入頻率，文中C選 10μF。

5 電路帶負載能力分析

輸出阻抗是電壓控制電流源品質的重要參數。在飛機潤滑油磨粒檢測系統中，對傳感器的電感和分布電容分析得出，為使激勵信號與輸出信號沒有相位差，要求VCCS的頻率范圍在（3～10 kHz），并且具有較高的輸出阻抗。分析方法：在輸出電阻上串聯一個可變電阻RP與RL作為電壓控制電流源的負載。改變電阻RP可以測得兩個不同的負載值，從而可得出電路的輸出阻抗，測試時，保持電流源輸出在較大電流（8 mA左右）。原理如圖5所示[4]。

圖5 負載特性測試電路Fig. 5 Circuit of load capability

圖中，ZS為電壓控制電流源的輸出阻抗，RL與可變電阻RP串聯作為電壓控制電流源的負載。改變可變電阻的值，就可得到不同的負載，從而得出輸出阻抗。

全部負載（RL+RP）上的電壓等于輸出阻抗ZS上的電壓，因此可得：

選擇不同的電阻性負載RP測試后得出結果如表1所示：

表1 不同頻率時電流源內阻Tab.1 Different internal resistance with different frequency

從表1數據可知，電流源系統頻率到3 kHz左右時，內部阻抗約2 MΩ[5]。

本文設計的電流源將用于飛機潤滑油在線監測系統，所以進行了如下感性負載測試（如圖6）。當電路的負載為電感性負載時，測量方法及結果如圖6所示。

電感為線圈纏繞所制，所以增加了限流電阻R=2 Ω。整個潤滑油監測系統所需的激勵頻率在3.5 kHz，測試頻率也選擇3.5 kHz±10%，同樣，電流源輸出電流保持在8 mA左右。測試結果繪制成折線圖如圖7所示。

電感的選擇從1 mH到2 mH，感抗變化在12.56～62.8Ω，由圖中折線部分可以看出在負載電感變化時，同一頻率下電流的變化很小，變化率在0.2%以內，而且不同頻率下總體電流值在7.9 mA附近浮動，變化較小。

6 結 論

圖6 感性負載測試電路Fig. 6 Test circuit of inductive load

圖7 感性負載測試結果Fig. 7 Test result of inductive load

根據上文中的測試結果可以得出，文中設計的交流電流源，能輸出穩定的8 mA電流而且變化率在1%以內，能適應傳感器自身內阻低的要求。在整個潤滑油監測系統中，運行平穩，控制方便，頻率相位調節速度快，失真小，能夠達到整個系統對電流源的要求。

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