航空發(fā)動機LVDT測量元件的教學實驗模擬裝置設計

符江鋒 李華聰 緱林峰 肖紅亮

西北工業(yè)大學動力與能源學院 陜西西安 710072

航空發(fā)動機控制元件課程是飛行器動力工程專業(yè)高年級本科生的一門專業(yè)課程[1]，航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)作為該課程的實驗教學平臺，其系統(tǒng)組成包含發(fā)動機燃油泵、敏感元件(測量元件)、執(zhí)行元件及放大元件等。該實驗平臺功能復雜、價格昂貴、操作技術要求高，在航空發(fā)動機專業(yè)院校常僅配置一套[2]，學生獨立操作的機會少，很難滿足當前本科生教學環(huán)節(jié)中的需要。

伴隨國內(nèi)外航空發(fā)動機設計由“傳統(tǒng)設計”向“預測設計”的數(shù)字化設計轉(zhuǎn)變[3,4]，如何借助計算機仿真技術將精確的發(fā)動機模型、發(fā)動機控制系統(tǒng)模型、發(fā)動機燃油系統(tǒng)模型等集成在同一計算平臺下，形成高效、通用、可擴展的嵌入式發(fā)動機仿真教學實驗平臺，是實驗教學實踐環(huán)節(jié)中需要關注和探索的。基于快速原型設計方法可研制一套小型化接口通用的基于總線模式的嵌入式仿真模塊[5]，在發(fā)動機仿真教學實驗平臺中，測量元件是實驗平臺的核心元件，其功能是將發(fā)動機燃油控制回路的信號進行采集，并輸出至電子控制器，從而實現(xiàn)發(fā)動機的閉環(huán)控制[6]。

LVDT(位移傳感器)作為發(fā)動機控制回路的核心測量元件，必須滿足電子控制器特有的電氣接口信號要求。為此，本文針對實際LVDT的工作原理及電氣信號接口要求，設計一種LVDT模擬裝置，模擬真實LVDT輸出電子控制器所需的電氣信號特征，為構建飛行器動力工程專業(yè)本科生教學實驗平臺提供硬件支撐。

1 LVDT傳感器的工作原理及其模擬裝置方案設計

1.1 LVDT傳感器工作原理

典型的LVDT傳感器結構如圖1所示，其工作原理類似于差動式變壓器的工作原理[7]，這種類型的傳感器主要由銜鐵芯、初級線圈和2個次級線圈組成。初級線圈和次級線圈之間的銜鐵能隨傳感器的伸縮而運動，即初級線圈和次級線圈間的互感量隨被測位移的改變而變化。航空發(fā)動機測試用的真實傳感器輸出信號頻率為3 000 Hz，有效值為0～3 V可變的差分正弦波信號。

圖1 典型的LVDT傳感器結構原理

1.2 LVDT傳感器模擬裝置設計

通過對LVDT傳感器工作原理的分析可見，LVDT模擬裝置設計原理如圖2所示，LVDT輸出的兩路差動電壓信號為位移信號和激勵信號的乘積函數(shù)。當鐵芯偏離中心位置時，兩路輸出信號的增量相位相反，因此采用乘法的方法模擬傳感器輸出兩路信號。

圖2 LVDT模擬裝置原理圖

2 LVDT傳感器模擬裝置硬件設計

根據(jù)LVDT模擬裝置基本原理，將LVDT傳感器模擬裝置劃分為通信模塊、微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、正弦激勵信號發(fā)生模塊、乘法器，硬件設計結構原理如圖3所示。

圖3 LVDT模擬裝置硬件設計

通信模塊主要功能是接收上位機數(shù)據(jù)，并將其傳送給微處理器。微處理器有兩個功能，一是設置正弦激勵信號發(fā)生模塊，另一個是處理由通信模塊傳送來的數(shù)據(jù)，并將其傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊接收數(shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為0～10 V模擬控制信號后傳送給乘法器。正弦激勵信號發(fā)生模塊經(jīng)過微處理器進行設置后產(chǎn)生一個頻率為3 000 Hz、有效值為3 V的雙極性正弦波激勵信號并傳送給乘法器。模擬控制信號和激勵信號經(jīng)乘法器相乘后得到所需的LVDT模擬信號。

3 LVDT傳感器模擬裝置軟件設計

L V D T模擬裝置的程序開發(fā)是基于STM32F103C8T6芯片開發(fā)的。軟件是在Windows XP系統(tǒng)下，采用MDK3.80A軟件開發(fā)。程序結構如圖4所示。

圖4 LVDT模擬裝置程序結構

LVDT模擬裝置程序設計中，STM32F103C8T6芯片調(diào)用庫函數(shù)系統(tǒng)初始化后形成程序框架，在此框架中構建串口通訊及數(shù)據(jù)解碼，信號源AD9850設置，D/A芯片MAX536數(shù)據(jù)傳送3個程序塊。程序設計流程如圖5所示。

圖5 LVDT模擬裝置程序設計流程

通過分別設計LVDT模擬裝置的通信模塊、微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、正弦激勵信號發(fā)生模塊、乘法器等5個子模塊的硬件電路，最后封裝形成的LVDT模擬裝置如圖6所示。

圖6 LVDT模擬裝置

4 LVDT模擬裝置應用實例

為了驗證LVDT模擬裝置設計的有效性，基于發(fā)動機快速原型設計實驗平臺，模擬輸出電子控制器所需的電氣信號。得出的發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)計量位移的LVDT正向和反向最大位移如圖7和圖8所示。

圖7 LVDT模擬裝置正向輸出

圖8 LVDT模擬裝置反向輸出

由圖7可以看出，所設計LVDT模擬裝置在正向最大位移的a路輸出為2.4 V，b路輸出0.6 V，有效值為3 V，頻率為3 005 Hz，有效值為3 V。從圖8可以看出，反向最大位移時的a路輸出為0.6 V，b路輸出為2.4 V，有效值同樣為3 V，輸出頻率為2 998 Hz，文中所設計的實驗平臺LVDT模擬裝置不僅實現(xiàn)了真實LVDT輸出正弦波的信號模擬功能，并且輸出的電壓有效值完全吻合，輸出頻率精度優(yōu)于±1‰，所設計的LVDT模擬裝置具有極高的模擬精度。

5 結語

本文以航空發(fā)動機控制實驗教學為改革依托，以航空發(fā)動機“預測設計”思想為指導，針對實際LVDT的工作原理及電氣信號接口要求設計了一種LVDT傳感器模擬裝置，模擬真實LVDT輸出電子控制器所需的LVDT信號。所設計的實驗平臺LVDT模擬裝置實現(xiàn)了真實LVDT輸出正弦波的信號模擬功能，并且輸出的電壓有效值完全吻合，輸出頻率精度優(yōu)于±1‰，能夠為發(fā)動機控制課程的實踐教學環(huán)節(jié)提供硬件支撐。