一種通用轉速源的設計

海軍航空工程學院控制工程系 盧建華92913部隊 蔡 偉92074部隊 楊一波

一種通用轉速源的設計

海軍航空工程學院控制工程系 盧建華92913部隊 蔡 偉92074部隊 楊一波

為了真實地模擬飛機發動機主減速器輸出軸轉速，完成對飛機發動機轉速、旋翼轉速系統的完好性檢測和故障診斷，設計了一種人工控制轉速的通用轉速源。為了實時監測通用轉速源的實際輸出轉速并使其具有穩定的自動調節轉速的功能，完成了轉速采集與處理電路、倍頻電路和轉速自動調節控制器的設計，并采用仿真手段驗證了設計的正確性和可行性。實際應用證明，通用轉速源能夠同時帶動四型（個）轉速傳感器及八型指示器進行性能測試和診斷，具有調速范圍寬、轉速精度高、速度穩定性好的特點。

飛機轉速系統；轉速源；轉速控制；設計

0 引言

飛機轉速系統包括發動機轉速、旋翼轉速系統，用來測量并指示發動機和旋翼的轉速，飛行員通過該系統了解飛機動力狀態并完成正確操縱。因此轉速系統能否正常工作，直接關系到飛機的飛行安全和作戰、訓練任務的完成[1]。按照飛機技術保障要求，需要對轉速系統進行定期檢測。為了真實地模擬飛機發動機主減速器輸出軸轉速，動態完成對飛機發動機轉速、旋翼轉速系統的完好性檢測和故障診斷，研制一套通用轉速源十分必要，可解決目前已有的轉速測試設備由于轉速源功率小、數量不足、使用年限長，測試精度差、針對性強、功能的擴展性相對較差、不能適應新機型檢測等保障難題。

1 飛機轉速系統

1.1 發動機轉速系統

發動機轉速系統用來測量飛機發動機燃氣渦輪的旋轉速度，通常由轉速傳感器和轉速表指示器等設備構成[2,3]，系統組成及信號傳送原理如圖1所示。

發動機工作時，發動機燃氣發生器輔助減速器或主減速器帶動測速發電機轉子轉動，定子中產生頻率與轉速成正比的三相交流電，輸送到同步電動機三相定子線圈中，使其轉子同步轉動，轉速與交流電頻率成正比，由此實現了轉速信號的遠距傳送。

轉速表傳感器在本質上是三相交流測速發電機，其永磁式轉子軸由主減速器帶動，定子中產生一定幅值和頻率的三相交流電（交流電頻率與被測轉速滿足一定線性關系），將該信號送至轉速表指示器，指示出被測轉速。

轉速表指示器由同步電動機、測速系統和指示部分構成。同步電動機定子接收傳感器三相交流電產生旋轉磁場，該旋轉磁場帶動同步電動機磁鐵轉子轉動。測速系統主要由渦流盤、游絲和傳動齒輪構成。同步電動機轉子帶動磁鐵組件轉動，在渦流盤中產生渦流和渦流電磁力矩，游絲中產生反作用力矩，傳動齒輪帶動指針偏轉一定角度，當渦流電磁力矩與游絲產生的反作用力矩平衡時，指針停留在某一刻度，即指示轉速值。

圖1 轉速系統及信號遠距傳送原理

1.2 旋翼轉速系統

旋翼轉速系統與發動機轉速系統結構相似，也是由傳感器和指示器構成。不同的是為了凸顯系統的重要性和工作可靠性，一套旋翼轉速系統設有兩路傳感和指示部分，如圖2所示。

指示器內設有同軸花、白兩種指針指示同一轉速，其中白針指示部分接收來自測速發電機的三相交流電信號；花針指示部分接收來自電磁傳感器經變換裝置變換后的三相交流電信號。變換裝置由單——三相轉換盒、電阻盒與轉速探測放大器組成。電磁傳感器輸出兩路相位相差90°的單相交流轉速信號，由轉換盒放大并轉換成同頻三相交流電，經電阻盒降壓后送至旋翼轉速表指示器的花針指示轉速。轉速探測放大器也稱雙極限探測器，用來檢測測速發電機輸出轉速，通過與高低門限值比較，輸出“低轉、超轉”警告（27V電壓）信號。

圖2 飛機旋翼轉速系統

2 總體方案設計

通過飛機發動機轉速系統的結構、原理分析，根據被測設備技術指標要求，轉速源應能提供0～12000r/min，誤差在±1r/min的精準轉速，最高轉速需留有不小于10%裕度。轉速源設計包括驅動電機的選取、增速連接裝置、轉速采集裝置、轉速控制器設計。電機及控制器提供精準基礎轉速信號，增速及連接裝置用來增速并連接安裝被測傳感器，轉速采集裝置完成轉速信號獲取并在計算機中形成標準轉速值，控制器完成對驅動電機的精準轉速控制。轉速源結構框圖如圖3所示。為了檢查多針轉速表指示的重合度檢查，需要多套同樣的轉速源。

圖3 轉速源結構框圖

3 詳細設計

3.1 轉速源電機的選取

根據目前裝備現狀，大型飛機發動機轉速范圍一般在0～6000r/min；中、小型飛機發動機轉速范圍一般高達0～12000r/min，旋翼轉速范圍相對較小，大型飛機一般在0～250r/min；中、小型飛機旋翼轉速范圍再0～450r/min。本設計選用日本東方電機公司BXM6400-A型無刷直流電動機作為轉速源電機，該調速電機轉速范圍為0～3000 r/min， 通過兩倍增速和四倍增速滿足不同飛機轉速測試的需求?？紤]到增速裝置要求傳動比準確、結構緊湊無滑動且噪聲低，設計中采用同步帶帶動齒輪傳動，并在齒此輪傳動裝置周圍設置保護帶，達到保護傳動裝置和降低噪聲的目的。

3.2 增速及連接裝置設計

由于選用的轉速源電機的轉速范圍為0～3000 r/min，為保證轉速源提供的轉速能夠滿足不同類型飛機轉速系統測試的需要，并考慮轉速測試的精度，在轉速源電機輸出端增設增速裝置，通過兩倍增速來達到大型飛機的需求，四倍增速后達到中、小型飛升機轉速測試的需求?？紤]到增速裝置要求傳動比準確、結構緊湊無滑動且噪聲低，設計中采用同步帶帶動齒輪傳動，并在齒此輪傳動裝置周圍設置保護帶，大到保護傳動裝置和降低噪聲的目的。

3.3 轉速控制裝置設計

被測對象的測試內容針對不同的轉速范圍，測試精度有不同的要求，因而需要設計一套轉速控制裝置，無級調節無刷直流電機的轉速，以防止轉速源電機在起動時由于直接接通直流電源而產生較大的起動電流，引起發熱、去磁等系列問題。同時，控制器通過切換位置傳感器的邏輯處理方式，實現轉速源電機的正反轉控制，此處值得指出的是，電機的正反轉應在電機低速或者停轉時實施，避免產生過大的反向制動電流而損壞電機。設計中選用日本東方電機公司同廠生產的控制套件OPX-1A，該控制器由BXD400A-S型驅動器、外部數據設定器（包含十圈速度調節電位計）和OPX-1A型數據設定器組成。轉速設定器含正反轉、停止、急停、轉速設定等按鍵，控制器設有轉速數顯可直觀反映出電機實時轉速值

3.4 轉速采集與處理模塊設計

為了實時監測通用轉速源輸出的實際轉速（傳感器輸入轉速），設計中需要設置轉速采集（測速）裝置，對實際轉速進行監測，監測結果作為標準轉速源。常用測速裝置按類別可分為模擬電路測速和數字電路測速[4]。隨著電子技術高速發展，數字電路測速由于其簡單高效越來越成為測速等伺服電路的首選。本設計選用光電碼盤作為數字電路測速元件，光電碼盤由槽型光耦和光電碼盤組成[5]，光電碼盤齒數決定了解碼精度，實際選用100齒碼盤，即電機每轉一周，輸出100個脈沖。通過施密特觸發器對輸出信號整形、通過I/O口送入PC104計算機解算電機轉速。

選用光電碼盤雖然可消除傳統測速發電機因溫度造成的測量誤差，然而為保證測速精度，需要考慮不同測速方法下的誤差來源和處理方法。常用脈沖計數方法有M（定時測角）法、T（定角測時）法以及M/T法[6]。M法是通過測定某一確定時間間隔內的脈沖數來計算速度值的方法。

若碼盤（即電機輸出軸）旋轉一周發出脈沖數（碼盤齒數）為n1，在設定時間Ts（s）內，測得脈沖數為m1，則電機轉速：

T法：通過測量相鄰脈沖時間間隔來計算被測速度。利用高頻時鐘沖（頻率已知）fc向計數器發出脈沖，計數器的起始與終止由相鄰測速脈沖控制。當計數器計數m2，則電機轉速：

M/T法：綜合M法與T法，同時檢測時間和該時間間隔內的脈沖發生器的計數值的測速方法。M/T法利用到兩個計數器，一個對測速脈沖計數m1，另一個計數器對頻率為f的時鐘脈沖計數m2獲得時間信息，電機轉速：

綜合上述分析，M法在極端情況下會產生±1個脈沖檢測誤差，相對誤差隨著轉速升高而減小，因此M法在高速時檢測精度高，能較好地反映瞬時速度，而T法相反，在低轉速時檢測精度高，對電機調速較為有利。M/T法適宜高低速測量，但檢測時間過長，不能滿足轉速實時顯示或后期電機調速的要求，實際上M法與T法的使用應視具體使用目的而定?？紤]到本設計中，電機轉速信號應用于實時轉速顯示，因此設計中采用一種改進式的M法，保留其高速時的測量精度優點，通過信號倍頻實現電路上增加碼盤齒數來改善其低速時的測量精度。

測速脈沖經整形限幅后，進入工控機I/O口計數，設計選用的改進M法測速用一個定時器和一個計數器實現。定時器對工控機內部主頻時鐘經分頻后產生的脈沖計數獲得時間信息，計數器對外部脈沖計數獲得轉子旋轉圈數，再通過公式(1)計算得到轉速，計數流程如圖4所示。

圖4 測速脈沖計數流程

3.5 倍頻電路設計與仿真

對于增速裝置的高轉速輸出端轉速測量，考慮到安全性和同步帶高傳動效率的優點，僅需在低轉速輸出端進行信號倍頻處理即可。設計時研究了采用MC7S00和MC7S04集成邏輯電路設計的模擬式倍頻電路。但考慮到模擬倍頻電路在實際應用中對微分電路中的R與C取值較為苛刻，如果不經嚴格篩選，會出現兩路脈沖寬度不等的現象，不利于轉速信號的測量和調速實現，因此本設計中選用74LS74D為核心器件進行電路設計，如圖5所示。

圖5 數字式倍頻電路

在圖5中，CLK為1KHZ高頻時鐘信號，輸入100HZ脈沖信號經D觸發器后分為兩路，一路作為異或門輸入，另一路作為第二個D觸發器輸入，輸出作為異或門另一輸入。兩路移相信號異或后得到二倍頻信號，其脈沖寬度可由CLK頻率調控，一般情況下，根據采樣定理要求，CLK頻率要不小于兩倍輸入信號頻率。虛擬四蹤示波器分別接輸入信號（紅），一次移相（綠）、二次移相（藍）和倍頻輸出波形（青），仿真結果如圖6所示，可以明顯地觀察到，輸出信號頻率為輸入頻率的兩倍，因而實現了信號倍頻的功能，該電路的輸出脈沖寬度可調、元器件可靠性更高，且信號波形優于模擬倍頻。

圖6 數字式倍頻電路仿真結果

3.6 轉速自動調節系統設計

測試指標中要求電機具備優秀的調速性能，轉速穩態誤差在±1r / min內，控制對象無刷直流電機運動方程為[7]：

式(4)中，Te為電磁力矩，j為轉子轉動慣量，TL為負載轉矩，B為電機阻尼系數。由運動方程可知，控制對象為一階系統。針對一階系統選用PI控制率，通過合理設置比例和積分常值，可以在消除穩態誤差的基礎上提升系統動態性能。

轉速控制系統由電機、換相信號生成模塊、開關器件和轉速調節模塊組成。換相信號生成模塊依靠霍爾元件位置信號編碼，電機輸出總線信號引出霍爾元件的位置信號，經邏輯門復合運算即可實現相繞組導通信號。該信號進一步處理后即可送入開關器件模塊作為觸發信號。轉速控制器由PI控制器和受控電壓源構成，轉速差信號送入PI控制器產生控制信號，調節可控電壓源改變相電壓，即可調節轉速。系統構建如圖7所示。

設置0.1s時突加負載Tn=1.2Nm，相繞組2.875Ω，電感8.5×103H，反電動勢常數：146.6077V/krpm。經調試，當PI控制器參數P=0.013，I=16.61時得到較優控制效果，轉速響應曲線和轉矩響應曲線仿真波形如圖8和圖9所示：

圖8 轉速響應曲線

當設定轉速為1000轉每分，實際響應轉速穩態值為1000轉每分，無穩態誤差無超調，在0.1s突加負載時，轉速先下降后上升，在0.02s后恢復到設定轉速，即設計的PI控制器具備良好的調速效果。對應轉矩響應曲線中0.1s后電機輸出轉矩上升，最終穩定在負載轉矩左右，即電機帶載能力良好。

圖7 電機轉速閉環控制系統仿真模型

4 試驗

以某大型直升機轉速傳感器為例進行測試試驗，連接轉速源的高速增速輸出口與測速發電機相連，將傳感器輸出通過電纜連接到測試臺，測試臺開關選擇傳感器電壓，此時負載選擇開關應在空載位置。接通轉速源和綜合測試臺電源，轉速控制選擇人工調節，按照傳感器在不同轉速范圍內的性能指標要求，緩慢調節電機控制器轉速電位計旋鈕，直到數顯轉速顯示150r/min，此時實際增速口轉速為300r/ min，將負載選擇開關打到20Ω，萬用表筆測量電壓值Uab、ubc、ucd，在測試界面中記錄結果并將負載開關扳回到空載位置。再增加轉速至1500 r/min，記錄空載電壓值和20Ω負載時的電壓值。保存結果，緩慢調節調速旋鈕至電機停轉，至此完成傳感器的測試[8]。

在工控機中自動形成的測試記錄如表1所示。

圖9 轉矩響應曲線

表1 某型旋翼轉速表傳感器測試結果

5 結論

目前，已研制生產7臺通用轉速源套與通用轉速測試系統配套并交付部隊使用，應用表明，轉速源功能齊全，工作可靠穩定，具有調速范圍寬，可適應各型飛機轉速系統的激勵需求，響應速度快，轉速調節精度高，使用方便的特點。通過適當的電纜接口更換，還可實現原位信號的激勵，在飛機不開車的情況下完成對轉速系統的檢測，不僅提高了飛機技術保障的效率，軍事效益明顯，而且可節約保障成本，具有可觀的經濟效益。

[1]王世錦．飛機儀表[M]．北京:科學出版社,2013,02．

[2]郭全,李小奇,田野．某型飛機發動機轉速表的檢測與研究[J]．電子測量技術,2008,31(2):39-41．

[3]吳曉男,徐慶九,曲東才等．飛機儀表[M]．煙臺:海軍航空工程學院出版社,2005:106-132．

[4]顧寶龍,趙振平,何泳,等．一種應用于航空發動機測試的小型磁電式轉速傳感器[J]．機械制造與自動化,2016(4):44-47．

[5]陳兵芽,耿茂鵬,劉瑩,等．基于光電碼盤的高精度電機轉速測量[J]．制造業自動化,2005,27(6):47-50．

[6]李曉海,南新元,謝麗蓉．基于高速脈沖計數器的電機轉速測量系統設計[J]．微電機,2012,45(2):72-74．

[7]李朝陽．高性能永磁無刷直流電機調速系統的研究[D]．內蒙古科技大學,2014．

[8]周高峰,趙則祥．MATLAB/Simulink機電動態系統仿真及工程應用[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2014:241-256．

The design of general benchmark rev equipment

Lu Jianhua1 Cai Wei2 Yang Yibo3
（1.Department of Control Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，264001，China；2.The 92913th Unit of PLA，Lingao Hainan，571820，China；3.The 92074th Unit of PLA，Ningbo Zhejiang，315021，China）

the general benchmark rev equipment which rotational speed controlled manually is designed to simulate the rotational speed of the main aircraft engine reducer，and therefore the integrity monitoring and fault diagnosis of engine rev system or rotor rev system can be carried out.In order to monitor the real output rotational speed of general benchmark rev equipment and to enable the equipment to regulate speed automatically，this paper designs speed acquisition and processing circuit，double frequency circuit and rotational speed-adjusting controller.Simulation method is utilized to validate the correctness and feasibility of the design.The practical application proves that the benchmark rev equipment，which owns the characteristics of wide speed-adjusting range，high-precision rotational speed and excellent stability，can drive four speed sensors and four indicators to execute the performance measurement and diagnosis.

aircraft rotational speed system；benchmark rev equipment；rotational speed control；design

盧建華（1970—），男，碩士研究生，教授，主要從事航空自動化（航空電氣儀表與控制工程）與無人機應用工程方面的教學和科研任務，先后在核心期刊上發表論文60余篇，多次獲軍隊科技進步獎和軍隊級教學成果獎，主講的《飛機電源與電氣控制》課程2009年獲國家精品課程。