某型航空發動機轉速測量異常跳變故障分析與解決

段曉帥 鄧天雨

中國航發控制系統研究所，江蘇無錫 214063

0 前言

轉速是航空發動機運行過程中的一個重要狀態參數。對轉速的準確測量是保證航空發動機安全可靠運行的基本要求[1-3]。航空發動機在試車或工作時，有時會在起動和停車過程中出現發動機轉速采集結果異常跳變問題。沈陽發動機設計研究所的賈淑芝等人[4]針對該問題進行了研究，識別出影響該問題的幾個關鍵部件對象，但未進一步對問題表現的機理開展研究。

某型航空發動機在地面臺架試車時出現動力渦輪轉速采集異常問題。問題每次都只發生在特定的一個通道，究其原因為磁電式轉速傳感器輸出波形經過電纜傳輸后發生畸變。本文重點對問題的表現特征進行識別，通過建立數學模型，對問題發生的機理進行研究，給出問題表現特征的理論解釋，并給出同類問題的解決措施。

1 航空發動機控制系統轉速測量子系統介紹

該型航空發動機采用雙通道冗余備份結構對動力渦輪轉速進行采集，雙通道測量結構相同。單通道轉速測量子系統結構框圖如圖1 所示。發動機內部音輪轉動時，音輪上的齒頂和齒槽交替經過磁電式轉速傳感器的探頭，導致磁阻周期性變化，轉速傳感器輸出交變的電壓波形信號。波形信號通過電纜傳輸到發動機電子控制器（EEC）。EEC 內部的轉速處理電路中的遲滯比較器將交變波形信號轉換為方波，通過處理器對方波進行計數，最終獲取轉速值。

2 問題描述

該型航空發動機在地面臺架試驗臺進行試車時，在起動或停車過程中發生數次EEC B 通道采集的轉速向上異常跳變問題，影響發動機試車，A 通道始終無異常，問題發生時的轉速測量曲線如圖2 所示。

3 問題發生機理研究

該型航空發動機的轉速測量為雙通道冗余設計，采用單支雙通道輸出型轉速傳感器對轉速信號采集。傳感器雙通道輸出波形分別進入EEC 內部雙通道采集。傳感器雙通道以及EEC 雙通道設計相同，在飛機上工作時，使用的傳輸電纜雙通道設計也相同，而在地面臺架試車時，為便于臺架操作人員對轉速進行監控，在傳輸電纜的B 通道分出一路，由試車間引入到操作間臺架監控儀器，臺架試驗臺電纜連接示意圖如圖3 所示。

因轉速傳感器雙通道信號鏈路僅傳輸電纜存在差異，下面對電纜的差異影響進行研究。對轉速傳感器輸出端的原始波形進行測試，波形無異常，如圖4 所示。對圖3 中的電纜傳輸末端（EEC 采集前端）的波形進行測量，A 通道波形經過電纜傳輸后無異常，B 通道波形經過電纜傳輸后發生畸變。圖5 為經過電纜傳輸后的B 通道波形在低轉速、中轉速和高轉速時的畸變情況。可見，隨著轉速升高，經過電纜傳輸后的B 通道波形上逐漸畸變出一個“鼓包”，且“鼓包”幅值相對于正常波形逐漸變大，“鼓包”位置逐漸向正常波形的下方移動。

轉速傳感器輸出波形經電纜傳輸后進入EEC 進行采集。圖6 為EEC 內部轉速采集電路的原理圖。EEC通過一個遲滯比較器將接收到的轉速波形轉換為方波，通過FPGA 對單位時間內的方波進行計數，得到當前的發動機轉速值。

經過上述分析和測試可知，該型航空發動機在臺架試驗臺起動或停車過程中轉速采集結果異常跳變問題的機理如下：轉速傳感器輸出的原始波形經過電纜傳輸后發生畸變，且隨著轉速增大，畸變出的“鼓包”幅值逐漸增大、位置逐漸移動。當在某個轉速范圍內，“鼓包”移動到遲滯比較器的窗口位置，且幅值超過遲滯比較器轉換閾值，“鼓包”被當做一個正常波形額外轉換為一個方波，導致FPGA 單位時間內采集到的方波數量增加，EEC 轉速采集結果變大。隨著轉速繼續增加，“鼓包”離開遲滯比較器窗口位置，EEC轉速采集結果恢復正常。整個過程表現為EEC 采集的轉速曲線出現一個向上的跳變又恢復的現象。

4 電纜分布電容的影響建模分析

以上完成了經過電纜傳輸后的波形畸變導致轉速采集結果異常向上跳變的理論解釋，而轉速傳感器輸出的原始波形經過電纜傳輸后發生畸變的原因，畸變“鼓包”隨著轉速幅值和位置發生變化的原因，以及為什么只有B 通道波形才發生畸變等問題是本章研究的目標。

圖7 為該型航空發動機轉速傳感器結構示意圖。當音輪轉動時，音輪齒頂和齒槽不斷經過轉速傳感器探頭，導致轉速傳感器內部線圈產生交變的感應電動勢[5]。建立轉速傳感器線圈與電纜分布電容的LCR 模型，如圖8 所示，其中，R和L分別為傳感器線圈的電阻和電感，C為電纜中普遍存在的分布電容[6]。

對圖8 中的LCR 模型進行傳遞函數分析，其傳遞函數見公式（1）：

其中，G(jw)為傳遞函數；Uout為模型輸出電壓；Uin為模型輸入電壓；R為傳感器內部線圈電阻；L為傳感器內部線圈電感；C為電纜分布電容。

LCR 模型的幅頻特性函數見公式（2）：

其中，A(w)為幅頻特性函數。

LCR 模型的相頻特性函數見公式（3）：

其中，φ(w)為相頻特性函數。

對問題發生時的轉速傳感器線圈和電纜電氣參數進行測量，測得傳感器內部線圈電阻R=151 Ω，內部線圈電感為L=45.3 mH，電纜分布電容為C=7.5 nF。將上述參數值代入公式（2）和公式（3），可以通過MATLAB 軟件繪制出該型航空發動機轉速傳感器波形經電纜傳輸后的幅頻響應曲線和相頻響應曲線，如圖9 所示。

發動機在臺架試車時，固定發動機轉速使轉速傳感器輸出波形穩定。此時對轉速傳感器原始波形進行頻域測量，獲取其頻域圖像，結果如圖10 所示。由圖可見，原始輸出波形除了包含一個反映發動機轉速的基波外，還包含分量較大的二次諧波、三次諧波等高次諧波，且高次諧波頻率始終是基波頻率的固定倍數。

可見，原始波形中的高次諧波分量才是導致經電纜傳輸后波形畸變的原因。包含有高次諧波的波形經過電纜傳輸后，基波和高次諧波位于圖9 中幅頻響應曲線和相頻響應曲線橫坐標上不同位置，LCR 模型對各諧波分量的作用結果不同，波形成分發生變化，導致波形發生畸變。

該型航空發動機轉速傳感器輸出頻率范圍為0～4 kHz，故轉速傳感器輸出原始波形中基波頻率范圍為0～4 kHz，二次諧波頻率始終為基波頻率的2 倍，其他高次諧波頻率以此類推。在圖9 的幅頻響應曲線和相頻響應曲線上，隨著發動機轉速升高，基波和高次諧波頻率逐漸向右移動，且高次諧波頻率始終位于基波的右側，基波頻率范圍為0～4 kHz，始終位于響應曲線的平緩區域，而二次諧波頻率范圍為0～8 kHz，會進入響應曲線的陡峭區域。在幅頻響應曲線上，高次諧波隨著轉速升高，逐漸到達幅頻響應曲線的陡峭區域，高次諧波的幅值被大幅放大，反映在時域上，表現為波形畸變情況逐漸嚴重，這也是在試驗現場對轉速傳感器通過電纜傳輸后的波形進行檢測時，隨著轉速升高，波形逐漸畸變出“鼓包”，且“鼓包”逐漸增大的原因；在相頻響應曲線上，高次諧波隨著轉速升高，逐漸到達相頻響應曲線的陡峭區域，反映在時域上，表現為高次諧波導致的畸變部分的位置變化，這也是試驗現場對轉速傳感器通過電纜傳輸后的波形進行測試時，“鼓包”隨著轉速變化而不斷移動的原因。

以上是針對起動階段進行的分析，停車階段發動機轉速逐漸下降，問題機理與此相同。

對雙通道電纜的分布電容進行測試，電纜A 通道分布電容為1.3 nF，B 通道分布電容為7.5 nF，可見，B 通道電纜分布電容異常偏大，這也是轉速采集結果異常跳變問題每次只在B 通道出現的原因。進一步排查電纜B 通道分布電容相對較大的原因，發現，為便于操作間人員對轉速信號同時進行監測，從臺架電纜的B 通道分出一路電纜連接到操作間，導致電纜B 通道整體分布電容增大。經過對電纜A 通道傳輸后的波形進行測量，波形無畸變，如圖11 所示，故A 通道轉速采集無異常，進一步證實了分布電容是造成B 通道波形畸變的原因。

5 解決措施

電纜分布電容與電纜長度等參數有關。經現場測量，試驗臺架電纜B 通道引出的電纜長度為十余米，遠超所需要的最小長度，經過對臺架電纜走向進行優化，大幅減少了電纜長度，將電纜分布電容由7.5 nF減少到1.3 nF，重新試車后，未再發生轉速采集結果異常跳變問題。

6 結束語

通過對某型航空發動機轉速采集結果異常跳變問題的研究，識別出問題原因為轉速信號經電纜傳輸后發生了畸變。進一步對傳感器和電纜進行數學建模研究，根據實測參數對模型進行具體量化，獲取該具體模型的特征曲線，通過該模型特征曲線能夠解釋問題表現，進而證明了模型的正確性。

本文研究過程中的問題排查方法、建立的模型理論、獲取的問題機理絕不僅限于該單一問題。本研究成果可為航空發動機地面臺架或裝機工作時發生的同類問題的分析和優化提供一定的參考意義。