基于FPGA的航空發動機可調導葉角度測量系統設計

趙晶 吳吉昌

摘 要：為了獲得發動機的最佳性能和可靠性，并保證壓氣機工作的穩定。開展了可調導葉角度的測量研究。針對小型航空發動機空間狹小等問題，選用增量式旋轉編碼器解決空間安裝問題，通過FPGA延時斷電設計，解決了高精度同步測量以及無記憶等問題。

關鍵詞：FPGA；航空發動機；角度測量；設計

中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0080-02

0 引言

在航空發動機設計中，可調導葉是航空發動機一種非常重要的主動控制手段，可以有效避免壓氣機在非設計工況下發生失速和喘振，以提高發動機的穩定工作范圍并有效改善壓氣機的非設計工況性能，以提高發動機在飛行設計狀態的性能。航空發動機可調導葉的角度測量，要求測量精度高，傳感器體積小。為了解導葉之間，導葉與油門桿之間角度關系，需要進行多點測量，保證測量的高精度。為了解決小體積高精度這一問題，設計了雙通道導葉角度測量系統，提高測量精度，滿足航空發動機多通道測量的要求。

1 系統總體設計

1.1 傳感器的選擇

根據某型發動機測試精度為0.1度的實際需要，傳感器選用了TURCK公司生產的2400型-2000增量式旋轉編碼器。其特點是：價格適宜、體積小、重量輕、信號傳輸距離遠、抗干擾能力強、分辨率高，為2000脈沖/圈。有A、B、Z三相輸出，其角度分辨率為360÷2000=0.18度/脈沖。盡管直接測量不能滿足0.1度的測試要求，但是可以根據傳感器的輸出特性在二次儀表上采取措施，達到提高系統測試精度的目的。

1.2 傳感器工作原理

可調導葉角度傳感器電路圖如圖1所示。其中Z相每轉一圈輸出一個脈沖，輸出脈沖反映了角度的零位置，其頻率反映了速度。轉盤上黑白相間的條紋越多，則分辨率越高，體積也就越大。A、B相的幾何位置使得A、B相的電信號輸出在相位上相差1/4周期（2π/4），其輸出特性如圖2所示。

從輸出特性上可以看到，在一個周期內（相當機械角度0.18度），A、B相共有四個上下沿，而每個沿之間相差90度的電氣角。如果利用數字電路在編碼器一個周期內記憶這四個上下沿，在效果上相當于將0.18度的機械角細分4倍，即對傳感器輸出信號進行四倍頻。

按以上所述：如果我們選用TURCK 2400型-2000編碼器，經上述數字電路處理后可獲得：360÷2000÷4=0.045度/脈沖，也就是說，經二次儀表的細分電路，可以使系統的測量精度提高四倍。

2 硬件電路設計

系統設計時，采用模塊化設計的思想，按照技術指標設計各個功能模塊，通過各模塊之間的協調配合完成系統的測試任務。雙通道角位移測量系統由濾波整形、電平變換、FPGA和配置電路、CPU以及顯示屏等組成。其原理框圖如圖3所示。

2.1 濾波整形

在發動機導葉角度測試時，傳感器與二次儀表之間的距離一般都有數米遠。為防止干擾的混入，必須采取可靠的抗干擾措施，以保證測量的準確性。濾波器的作用主要是消除耦合，輻射干擾，濾波后的信號隨之進行整形，為后來的信號處理作準備。

2.2 電平變換電路

細分電路都是利用脈沖沿來實現的。如果有外來干擾混入都將給系統帶來很大的誤差。本測量儀準確與否，在很大的程度上取決于系統的抗干擾能力。因為一個干擾脈沖信號就可能導致0.045度的誤差，這是測試儀器所不允許的。除上述在前置端加濾波電路外在器件的選擇上，我們采用了CMOS器件，工作電壓+12V，以提高噪聲容限，達到抗干擾的目的。這樣一來，本系統就有+12V和單片機系統用的+5V二組電源，它們之間要協調的工作必須經過電平變換。

2.3 FPGA實現細分判向和可逆計數功能

細分判向電路直接影響測試精度和動態響應速度。傳統的方法不是抗干擾能力差就是結構復雜，可靠性差?？删幊唐骷某霈F，使得復雜的邏輯組合電路設計變得簡單、明朗，使我們的調試修改變得十分輕松，不需要變動任何硬件，只須變動相應的邏輯表達式就可實現相應的邏輯功能。我們采用FPGA就可完成上述邏輯關系，從而使計數器正確計數。

角位移的方位由傳感器的A、B相來決定。當A相超前B相時，將旋轉方位定義為正，當B相超前A相時，旋轉方位定義為負。之所以這樣是根據可逆計數的特點，我們可以用Veirlog語言編程，以描述細分判向電路時序圖和可逆計數的邏輯關系。邏輯關系編輯完成后，生成目標文件JED，直接寫入FPGA，完成專用細分判向電路設計。

2.4 通訊接口

CPU的串口外接MAX232芯片，形成標準的RS232接口，以便于其進行通訊。從某種意義上來講，雙通道角位移測量儀是一臺下位機，通過RS232接口與CPU通訊。

2.5 數據的自動保存

傳感器器有一個致命的弱點，每次開機或斷電時，傳感器的測量總是從零點開始。例如，發動機的可調葉片角度每次試車都根據不同的狀況進行調節，不可能每次都從零開始調節角度，我們在設計中增加了電擦除串行E2PROM，24LCO1B以自動保存數據。當儀器掉電時，利用電容的貯能作用，CPU立即接受中斷申請，將當前顯示值作為下一次測量的初始值存入24LC01B。儀器下次通電后，CPU從24LC01B讀出數據作為初始值和當前測量值進行相應運算，這樣就保證了發動機葉片實際角度與儀器顯示始終同步。從根本上解決了增量式旋轉編碼器不帶記憶的缺點。

2.6 電源

本測量儀采用+5V，+12V供電，為消除電源的干擾在穩壓源的前后均設計了瞬變干擾抑制電路，以保證整機的可靠性。

3 系統軟件設計

系統軟件設計是以硬件電路為核心，根據測量系統具體的測試需要編程。在本測量系統中，通過FPGA實現雙通道導葉角度的數據采集、處理以及和CPU之間的通訊，采用自頂向下的設計方法，把系統分為輸入、輸出和信號控制等功能模塊，其中軟件設計CPU設計我們采用微處理器AT89C51來完成，程序流程圖如圖4所示。

4 測量系統校準

為了對測量系統進行校準，需準備校準裝置，校準裝置由光學分度頭、高度尺和讀數表組成，靜態校準裝置實物如圖5所示，校準實測數據如表1所示。

5 結語

本文設計了基于FPGA的雙通道角位移測量系統是根據某發動機提出的要求而完成的。該系統利用FPGA快速性、可并行性等特點，在某型發動機的現場測試中，它很好地展示了發動機在各狀態下0級，1級、2級可調葉片的角度，同時也清楚地表明了它們之間的相互關系。

參考文獻

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