燃氣渦輪發動機傳感器模擬方法研究

高廣華　李拓彬

摘要：磁電式轉速傳感器具有結構簡單、可靠性高、環境適應性好等優點，廣泛應用于現代燃氣渦輪發動機。本文設計了一種磁電式傳感器信號模擬裝置，可精確地生成指定頻率和幅值的交流正弦信號，并提供與真實傳感器一致的電氣接口特性。文章對信號模擬裝置的工作原理和電路設計進行了闡述，對設計符合性進行了分析，并對模擬裝置進行了測試。分析和實測結果表明信號模擬裝置符合設計要求。

關鍵詞：磁電式轉速傳感器? 信號模擬裝置

轉子轉速是表征燃氣渦輪發動機運行狀態的關鍵參數，發動機控制系統大都以轉子轉速作為控制目標，通過調節燃油供油量、進氣導葉角度等變量保證轉子轉速為常數或按一定規律變化。磁電式轉速傳感器具有結構簡單、可靠性高、環境適應性好等優點，廣泛應用于現代燃氣渦輪發動機。

1 信號模擬裝置設計要求

1.1 傳感器工作原理與信號特征

圖1磁電式轉速傳感器基于電磁感應原理，通過感受探頭與測速音輪之間的磁間隙實現對轉速的測量。發動機測速音輪轉動使得磁間隙產生交替變化，周期性地改變磁路中的磁阻，使得通過導磁體線圈的磁通量產生變化，從而在線圈兩端感應出周期性、對稱的、類正弦波的交變電壓信號，信號頻率與發動機轉子轉速呈比例關系，典型的磁電式轉速傳感器輸出信

1.2 信號模擬裝置設計要求

信號模擬裝置需要生成頻率、幅值范圍覆蓋多型磁電式轉速傳感器的正弦信號，并且電氣接口特性保持與真實傳感器一致，防止電子控制器檢測不匹配而工作異常。根據傳感器信號特征以及多型傳感器的參數，確定信號模擬器的設計要求如下：

1）生成頻率和幅值連續可調交流正弦信號;

2）輸出頻率范圍：（10～20000）Hz;

3）轉速生成精度：優于±0.1%F.S.;

4）輸出信號幅值：（0.55～30）VP-P范圍連續可調;

5）輸出端口直流電阻：（10～1400）Ω。

2 信號模擬裝置設計

2.1 原理設計

轉速信號模擬裝置基于直接數字頻率合成器（DDS）和數字調幅電路設計，前者生成幅值固定、頻率連續可調的正弦波信號，后者對前者生成的信號進行幅值調節，兩者組合產生頻率和幅值連續可調的正弦波。裝置通過串行通訊從外部獲取含有待生成信號頻率、幅值信息的目標指令，內置的微處理器對目標指令進行解析、計算并輸出對DDS和數字調幅器件的控制信號。數字調幅電路輸出的正弦波通過信號調理、隔離輸出和接口匹配電路后對外輸出與真實傳感器特征一致的轉速信號。

2.2 電路架構設計

轉速信號模擬裝置的電路框圖。電路包含MCU系統、正弦信號生成電路以及電源子系統。

MCU系統中RS-422通訊模塊接收外部指令，微處理器解析通訊指令，通過分析計算后轉化為控制指令，控制指令通過SPI總線隔離輸出至正弦信號生成電路。

正弦信號生成電路中含有正弦波信號生成電路和數字乘法器電路，正弦波信號生成電路和數字乘法器具有SPI接口，通過SPI接口接收MCU系統的控制指令。正弦波信號生成電路生成弱正弦信號，弱正弦信號經數字乘法器調幅放大后由變頻器隔離輸出。

電源子系統中設置有EMI濾波器，EMI濾波器屏蔽外部電源傳導干擾，為電源子系統中DC/DC提供較為干凈的電源。電源子系統分為兩部分，一部分為MCU系統提供電源，另一部分為正弦信號生成電路提供電源。

2.3 MCU系統電路

信號模擬裝置采用意法半導體公司的STM32F429型高性能32位微控制器（MCU），內置ARM Cortex-M4內核，主頻168MHz。MCU內置UART控制器用于接收串行通訊數據，并通過SPI總線控制DDS和數字調幅器件。MCU系統電路還包含隨機存儲器（SRAM）、看門狗、電擦寫數據存儲器等器件，實現存儲器拓展、運行異常自動復位、電路特性參數存儲等功能。

2.4 正弦信號生成電路

正弦信號的核心部分為AD9833型DDS和AD5543型乘法器數模轉換器（MDAC）。MCU通過SPI總線將待生成頻率對應的碼值傳輸至DDS，控制DDS輸出指定頻率的正弦波信號，信號幅值高電平620mV，低電平40mV，為不過零的正弦信號.

DDS輸出信號經過有源高通濾波器調理為過零正弦信號，并進行第一級放大后接入MDAC的電壓參考端。MDAC根據MCU傳輸的碼值精確控制正弦信號衰減增益，實現數字調幅功能。調幅后的信號經過低通濾波器進行平滑處理和第二級放大，通過設計兩級放大增益保證達到最高30VP-P的幅值范圍需求。

3 設計符合性分析

3.1 功能符合性分析

模擬裝置選用的AD9833型DDS器件能夠輸出（10～20000）Hz范圍內頻率連續可調的正弦波。

電路基于OPA604型高電壓運算放大器設計兩級放大電路，增益分別為4.9和11，將DDS輸出的0.58VP-P信號放大至30VP-P以上。模擬電路的電源電壓設計為±18VDC，保證輸出信號幅值不受限于電源軌。電路中的MDAC實現對幅值的連續可調。

模擬器信號輸出端口的直流電阻阻值通過在音頻變壓器的輸出端線圈串聯電位計保證。

3.2 信號頻率精度符合性分析

模擬裝置選用EPSON SG5032型晶振，頻率為1MHz，頻率穩定度為50PPM。在該晶振頻率下，DDS輸出信號的頻率分辨率為0.004Hz。由于DDS的頻率生成分辨率為固定值，所以轉速生成最大誤差出現在最低信號頻率時，對于10Hz頻率信號的相對誤差為±0.04%。DDS分辨率和晶振頻率穩定度疊加誤差不超過±0.045%，設計保證滿足±0.1%F.S的頻率精度要求。

參考文獻：

[1]莫福廣，梁源飛.磁電式轉速傳感器在發動機上的應用 [J].裝備制造技術，2008，8（1）：186-188.

[2]張國雄，李醒飛.測控電路：第4版[M].北京，機械工業出版社，2011.

作者簡介：高廣華，男，漢族，1977.10出生，碩士，高級工程師。