段曉帥 鄧天雨

中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063

0 前言

轉(zhuǎn)速是航空發(fā)動機運行過程中的一個重要狀態(tài)參數(shù)。對轉(zhuǎn)速的準確測量是保證航空發(fā)動機安全可靠運行的基本要求[1-3]。航空發(fā)動機在試車或工作時，有時會在起動和停車過程中出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題。沈陽發(fā)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(guān)鍵部件對象，但未進一步對問題表現(xiàn)的機理開展研究。

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

1 航空發(fā)動機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量子系統(tǒng)介紹

該型航空發(fā)動機采用雙通道冗余備份結(jié)構(gòu)對動力渦輪轉(zhuǎn)速進行采集，雙通道測量結(jié)構(gòu)相同。單通道轉(zhuǎn)速測量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。發(fā)動機內(nèi)部音輪轉(zhuǎn)動時，音輪上的齒頂和齒槽交替經(jīng)過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的探頭，導致磁阻周期性變化，轉(zhuǎn)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?shù)桨l(fā)動機電子控制器（EEC）。EEC 內(nèi)部的轉(zhuǎn)速處理電路中的遲滯比較器將交變波形信號轉(zhuǎn)換為方波，通過處理器對方波進行計數(shù)，最終獲取轉(zhuǎn)速值。

2 問題描述

該型航空發(fā)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(fā)生數(shù)次EEC B 通道采集的轉(zhuǎn)速向上異常跳變問題，影響發(fā)動機試車，A 通道始終無異常，問題發(fā)生時的轉(zhuǎn)速測量曲線如圖2 所示。

3 問題發(fā)生機理研究

該型航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速測量為雙通道冗余設計，采用單支雙通道輸出型轉(zhuǎn)速傳感器對轉(zhuǎn)速信號采集。傳感器雙通道輸出波形分別進入EEC 內(nèi)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(zhuǎn)速進行監(jiān)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(jiān)控儀器，臺架試驗臺電纜連接示意圖如圖3 所示。

因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)過電纜傳輸后無異常，B 通道波形經(jīng)過電纜傳輸后發(fā)生畸變。圖5 為經(jīng)過電纜傳輸后的B 通道波形在低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時的畸變情況?？梢?，隨著轉(zhuǎn)速升高，經(jīng)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(zhuǎn)速傳感器輸出波形經(jīng)電纜傳輸后進入EEC 進行采集。圖6 為EEC 內(nèi)部轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速波形轉(zhuǎn)換為方波，通過FPGA 對單位時間內(nèi)的方波進行計數(shù)，得到當前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速值。

經(jīng)過上述分析和測試可知，該型航空發(fā)動機在臺架試驗臺起動或停車過程中轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題的機理如下：轉(zhuǎn)速傳感器輸出的原始波形經(jīng)過電纜傳輸后發(fā)生畸變，且隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)，“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(zhuǎn)換閾值，“鼓包”被當做一個正常波形額外轉(zhuǎn)換為一個方波，導致FPGA 單位時間內(nèi)采集到的方波數(shù)量增加，EEC 轉(zhuǎn)速采集結(jié)果變大。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，“鼓包”離開遲滯比較器窗口位置，EEC轉(zhuǎn)速采集結(jié)果恢復正常。整個過程表現(xiàn)為EEC 采集的轉(zhuǎn)速曲線出現(xiàn)一個向上的跳變又恢復的現(xiàn)象。

4 電纜分布電容的影響建模分析

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

圖7 為該型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。當音輪轉(zhuǎn)動時，音輪齒頂和齒槽不斷經(jīng)過轉(zhuǎn)速傳感器探頭，導致轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)部線圈產(chǎn)生交變的感應電動勢[5]。建立轉(zhuǎn)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(shù)分析，其傳遞函數(shù)見公式（1）：

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

LCR 模型的幅頻特性函數(shù)見公式（2）：

其中，A(w)為幅頻特性函數(shù)。

LCR 模型的相頻特性函數(shù)見公式（3）：

其中，φ(w)為相頻特性函數(shù)。

對問題發(fā)生時的轉(zhuǎn)速傳感器線圈和電纜電氣參數(shù)進行測量，測得傳感器內(nèi)部線圈電阻R=151 Ω，內(nèi)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(shù)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(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器波形經(jīng)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(fā)動機在臺架試車時，固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形穩(wěn)定。此時對轉(zhuǎn)速傳感器原始波形進行頻域測量，獲取其頻域圖像，結(jié)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(fā)動機轉(zhuǎn)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(shù)。

可見，原始波形中的高次諧波分量才是導致經(jīng)電纜傳輸后波形畸變的原因。包含有高次諧波的波形經(jīng)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(jié)果不同，波形成分發(fā)生變化，導致波形發(fā)生畸變。

該型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出頻率范圍為0～4 kHz，故轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)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(cè)，基波頻率范圍為0～4 kHz，始終位于響應曲線的平緩區(qū)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(qū)域。在幅頻響應曲線上，高次諧波隨著轉(zhuǎn)速升高，逐漸到達幅頻響應曲線的陡峭區(qū)域，高次諧波的幅值被大幅放大，反映在時域上，表現(xiàn)為波形畸變情況逐漸嚴重，這也是在試驗現(xiàn)場對轉(zhuǎn)速傳感器通過電纜傳輸后的波形進行檢測時，隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速升高，逐漸到達相頻響應曲線的陡峭區(qū)域，反映在時域上，表現(xiàn)為高次諧波導致的畸變部分的位置變化，這也是試驗現(xiàn)場對轉(zhuǎn)速傳感器通過電纜傳輸后的波形進行測試時，“鼓包”隨著轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題每次只在B 通道出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，為便于操作間人員對轉(zhuǎn)速信號同時進行監(jiān)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(jīng)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(zhuǎn)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(shù)有關(guān)。經(jīng)現(xiàn)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(jīng)過對臺架電纜走向進行優(yōu)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(fā)生轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題。

6 結(jié)束語

通過對某型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題的研究，識別出問題原因為轉(zhuǎn)速信號經(jīng)電纜傳輸后發(fā)生了畸變。進一步對傳感器和電纜進行數(shù)學建模研究，根據(jù)實測參數(shù)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(xiàn)，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(fā)動機地面臺架或裝機工作時發(fā)生的同類問題的分析和優(yōu)化提供一定的參考意義。