某型发动机转速测量的实现

　　　　　　　　　传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technology) 　　　　　　　　　2006年 第 25卷 第 1期 某型发动机转速测量的实现 安治永 , 李应红 , 徐永强 , 苏长兵 (空军工程大学 工程学院 ,陕西 西安 710038) 摘 　要 : 为了提高发动机转速测量的精度和可靠性 ,采用 AT89C51单片机制作了飞机发动机智能检测控 制系统 ,此系统通过对转速信号的采集、运算、来实现对发动机运行状态的在线监控 ,此系统采用多周 期同步测频法来实现对转速的测量。结果明 :它克服了一般测频方法对被测信号计数产生的 ±1个字 误差 ,提高了检测精度。系统具有体积小、成本低、精度高等特点 ,应用前景广阔。 关键词 : 单片机 ; 转速 ; 测量 ; 飞机发动机 中图分类号 : V2. 23　　　文献标识码 : B　　　文章编号 : 1000 - 9787 (2006) 01 - 0036 - 03 Realization of measurement in certa in type aeromotor’ retational speed AN Zhi2yong, L I Ying2hong, XU Yong2qiang, SU Chang2bing ( In st of Eng in, A ir Force Eng ineer ing Un iversity, X i’an 710038, Ch ina) Abstract: For imp roving the measuring accuracy and reliability, the intelligence checking and controlling system of aeromotor is designed with AT89C51 single chip p rocessor. Monitor of the aeromotor’s working state on line is accomp lished through collection, operation, and analysis of the rotational speed. The system uses the way of frequency measuring of many circles and synchronization to measure the rotational speed. The results show that it avoids the ±1 error com ing from the traditional method and imp roves the measuring accuracy. This system has the characteristic of small volume, low cost, high accuracy and etc. It can be used widely in future. Key words: single chip p rocessor; retational speed; measurement; aeromotor 0　引 　言 飞机发动机是飞机的心脏 ,发动机工作状态的好坏关 系到飞机和飞行员的安全 ,因此 ,对发动机状态的监测和控 制至关重要。为了获得发动机控制系统的高性能和自动化 水平 ,速度的精确测量是必要条件之一。本文介绍了采用 先进的计算机数据采集与控制技术。解决了在地面模拟飞 机发动机工作状态与数据实时采集与传送的矛盾 ,大大提 高了检测精度 ,缩短了检测时间。 1　测周期方法的选取 1. 1　直接测频法 最简单的测量频率的方法是直接测频法。直接测频法 就是在给定的闸门信号中填入脉冲 ,通过必要的计数线路 , 得到填充脉冲的个数 ,从而算出待测信号的周期 ,由于本设 计所测的频率较低 ,选用待测信号作为闸门信号 ,而标频信 号作为填充信号。设信号计数值为 N ,频率为 f0 ,周期 为 T0。则这种测量方法的频率测量值为 fx = 1 /N T0 ,由于 存在对标频信号计数的 ±1个字误差 ,所以 ,测量精度为 收稿日期 : 2005 - 08 - 29 Δfx = ±f 2 / f0 , 这种测量频率方法的主要缺点是存在误 差 [3 ]。 1. 2　多周期同步测频方法 在直接测频的基础上发展的多周期同步测量方法 ,在 目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。多周期同步测 频技术的闸门时间不是固定的值 ,而是被测信号的整周期 倍 ,即与被测信号同步 ,因此 ,消除了对被测信号计数产生 的 ±1个字误差 ,测量精度大大提高 ,而且 ,达到了在整个测 量频段的准确测量。测量原理波形如图 1所示。 图 1　多周期同步测频原理波形图 F ig 1　Pr inc iple d iagram of frequency m ea sur ing of many c ircles and synchron iza tion 63 第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　　安治永等 :某型发动机转速测量的实现 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　首先 ,有单片机给出闸门开启信号 ,此时 ,计数器并不 开始计数 ,而是等到被测信号的上升沿到来时才真正开始 计数。然后 ,两组计数器分别对被测信号和时基脉冲计数。 当单片机给出闸门关闭信号后 ,计数器并不立即停止计数 , 而是等到被测信号下降沿来到时才真正结束计数 ,完成一 次测量过程。可以看出 :实际闸门与设定的闸门并不严格 相等 ,但最大差值不超过被测信号的一个周期。 被测频率 fx =N x /N 0 f0 ,其中 ,被测信号的计数值为 N 0 , 时基信号的频率为 f0 ,闸门时间为τ,计数器的开闭与被测 信号是完全同步的 ,即在实际闸门中包含整数个被测信号 的整周期 ,因而 ,不存在对被测信号计数的 ±1个字误差 , 可以计算出测量分辨力为 dfx / fx = ±1 /τf0 ,从而得出 :测量 分辨力与被测信号频率的大小无关 ,仅与闸门时间及时基 频率有关 ,即实现了被测频带内的等精度测量。闸门时间 越长 ,时基频率越高 ,分辨力越高。 2　转速传感器及信号提取 安装在发动机附件机匣上的转速传感器是一个三相交 流测速发电机 ,它感受发动机涡轮轴的转速并输出 ,它由转 子和定子组成。转子是一个两极永久磁铁。定子内装有星 形联接的三相绕组。当磁铁转子旋转时 ,磁铁转子的磁场 也跟着旋转 ,在定子绕组所在空间形成了旋转磁场。定子 绕组切割磁力线产生感应电势 ,在 3根引出线上便有三相 交流电输出 ,其交流频率为 f = pn1 /60 , (1) 式中 　p为磁极对数 ; n1 为转子的转速 , r/m in。此交流电 的频率与磁铁转子的转速成正比。而磁铁转子由涡轮轴 带动旋转 ,所以 ,它也与发动机涡轮轴的转速成正比。这 样 ,三相交流电频率的大小就能表示发动机涡轮轴转速的 大小。 为了能平稳地传送转速 ,要求三相交流电的波形接近 于正弦波 ,因此 ,磁极转子的外缘有 2个扭转的切口 ,以改 善交流电的波形。 转子轴具有弹性 ,它的外端与发动机附件机匣的减速 齿轮相联 ,发动机涡轮轴与转子轴的转速比为 2∶1。当发 动机转速突然变化时 ,弹性轴允许扭转一定的角度而不致 扭断 ,能起到缓冲的作用 ,同时 ,也能补偿安装时的偏斜。 由于此发动机的转速范围为 1 700～5 000 r/m in, p为 2,因 此 ,可以算出转速传感器输出的每相交流电的交流频率范 围为 28～82 Hz,频率非常低 ,周期很长 ,如果采用频率 /电 压的转换方式进行测量 ,误差非常大 ,精度不高 ,因此 ,采用 测周期法来进行转速测量。 3　系统组成及工作原理 系统实现对某型飞机发动机转速的在线检测 ,其工作 原理是通过硬件设计对转速信号进行转换、采集 ,并经过 AT89C51单片机芯片进行运算处理分析 ,然后 ,根据需要进 行仪表盘显示或送入防喘控制器中和温度信号进行换算转 速计算 ,从而对发动机的喘振进行预控。系统的原理如 图 2所示。 图 2　转速测量原理框图 F ig 2　Block d iagram of m ea sur ing pr inc iple of aerom otor’ reta tiona l speed 　　系统选用 AT89C51单片机 [ 1, 2, 4 ] ,它是一种低功耗 /低 电压、高性能的 8位单片机 ,片内带有一个 4 k字节的 Flash 可编程可擦除只读存储器和 128字节 RAM ,它采用了 CMOS工艺和 ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术 , 而且 ,其输出引脚和指令系统都与 MSC - 51兼容 ,片内程序 存储器空间能满足系统存储需要 ,可省去片外 EPROM 程 序存储器和地址锁存器 ,使电路结构简单。同时 ,具有性能 高、控制方式可靠、保密性强、功耗低、应用灵活方便等特 点 ,电路如图 3所示。 图 3　AT89C51实现多周期同步测量电路 F ig 3　C ircu it of frequency m ea sur ing of many c ircles and synchron iza tion w ith AT89C51 　　AT89C51单片机实现转速测量过程为 T0和 T1分别记 录时标脉冲和待测脉冲个数 ,闸门时间由 AT89C51内部定 时器 T0产生 , P1. 0脚为闸门时间信号输入端 , D触发器的 Q脚为同步门控制信号输出端 ,单片机的 2个计数器都设 置为外部门控工作方式 , T0为定时 , T1为计数器 ,被测脉 冲信号被送入单片机的 T1脚和 D触发器的 CLR端 ,此信 号经 P1. 0脚的控制后 ,再同时送给单片机的 INT0和 INT1 脚。在 P1. 0 = 1的状态下 ,当被测信号的上升沿到来时 , D 触发器的 Q端输出正跳变 ,此跳变信号启动计数 T0, T1同 时分别对时标和待测信号计数。当预置的闸门时间τ结束 时 ,让 P1. 0 = 0,等到下一个待测信号的上升沿到来时 , Q 端输出的负跳变 ,计数器 T0, T1同时停止计数。 73 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 感 器 与 微 系 统 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 25卷 4　试验结果 因为测量转速的精度完全取决于交流频率的精度 ,而 交流频率的测量分辨力与被测信号频率的大小无关 ,仅与 闸门时间及时基频率有关 ,闸门时间越长 ,时基频率越高 , 分辨力越高 ,分别取不同的闸门时间对稳定的发动机涡轮 轴恒定低、中、高转速分别为 1 800, 3 000, 4 800 r/m in (分别 相当于测速发电机的交流频率为 30, 50, 80 Hz)进行试验测 量 ,结果如表 1所示 ,从中可以得出 :闸门时间取 1 s,转速 测量精度达到 0. 000 1,达到了系统精度要求。 表 1　不同转速时的试验数据 F ig 1　Exper im en ta l da ta of d ifferen t reta tiona l speed 闸门时间 (m s) 1 800 r/m in 被测信号 30 Hz的 测量结果 (Hz) 频率测量 误差 ( % ) 转速测试值 ( r/m in) 转速相对 误差 ( % ) 0. 5 30 ±0. 24 ±0. 8 1 786. 599 8 ±14. 400 1 30 ±0. 12 ±0. 4 1 792. 799 5 ±7. 200 0 2 30 ±0. 06 ±0. 2 1 795. 399 8 ±3. 600 0 5 30 ±0. 024 ±0. 08 1 798. 560 0 ±1. 440 0 10 30 ±0. 012 ±0. 04 1 799. 279 5 ±0. 720 0 20 30 ±0. 006 ±0. 02 1 799. 640 0 ±0. 360 0 100 30 ±0. 001 2 ±0. 004 1 799. 928 0 ±0. 072 0 1000 30 ±0. 000 12 ±0. 000 4 1 799. 992 8 ±0. 007 2 闸门时间 (m s) 3 000 r/m in 被测信号 50 Hz的 测量结果 (Hz) 频率测量 误差 ( % ) 转速测试值 ( r/m in) 转速相对 误差 ( % ) 0. 5 50 ±0. 4 ±0. 8 2 976. 000 0 ±24 1 50 ±0. 2 ±0. 4 2 987. 000 0 ±12 2 50 ±0. 1 ±0. 2 2 993. 000 0 ±6 5 50 ±0. 04 ±0. 08 2 997. 596 0 ±2. 4 10 50 ±0. 02 ±0. 04 2 998. 799 8 ±1. 2 20 50 ±0. 01 ±0. 02 2 999. 399 7 ±0. 6 100 50 ±0. 002 ±0. 00 4 2 999. 979 0 ±0. 12 1000 50 ±0. 000 2 ±0. 000 4 2 999. 988 0 ±0. 012 闸门时间 (m s) 4 800 r/m in 被测信号 80 Hz的 测量结果 (Hz) 频率测量 误差 ( % ) 转速测试值 ( r/m in) 转速相对 误差 ( % ) 0. 5 80 ±0. 64 ±0. 8 4 761. 600 0 ±38. 400 0 1 80 ±0. 32 ±0. 4 4 781. 800 0 ±19. 200 0 2 80 ±0. 16 ±0. 2 4 790. 400 0 ±9. 600 0 5 80 ±0. 064 ±0. 08 4 796. 160 0 ±3. 840 0 10 80 ±0. 032 ±0. 04 4 798. 080 0 ±1. 920 0 20 80 ±0. 016 ±0. 02 4 799. 040 0 ±0. 960 0 100 80 ±0. 003 2 ±0. 004 4 799. 908 0 ±0. 192 0 1000 80 ±0. 0003 2 ±0. 000 4 4 799. 980 8 ±0. 019 2 5　结 　论 本文介绍了用 AT89C51单片机实现发动机涡轮轴转 速测量的原理及软 /硬件设计。系统充分利用了单片机优 越的编程和控制性能 ,实现了用多周期同步测频法对发动 机转速的精确测量 ,从而克服了一般测频方法对被测信号 计数产生的 ±1个字误差。系统经过实际运行调试后 ,运 行情况良好 ,测速误差小。硬件电路设计在微小的电路板 上 ,结构简单 ,便于应用在飞机上 ,而且 ,具有检测精度高、 可靠性高、成本低、实用性强、智能化程度高等特点 ,具有广 泛的应用前景。 参考文献 : [ 1 ]　王福瑞. 单片机微机测控系统设计大全 [M ]. 北京 :北京航空 航天大学出版社 , 1998. 110 - 119. [ 2 ]　何希才. 传感器应用接口电路 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 1997. 49 - 55. [ 3 ]　王保强. 高精度测频方案设计 [ J ]. 成都信息工程学院学报 , 2002, 17 (2) : 77 - 81. [ 4 ]　徐淑华. 单片微型机原理及应用 [M ]. 哈尔滨 :哈尔滨工业 大学出版社 , 1997. 168 - 178. 作者简介 : 安治永 (1973 - ) ,男 ,河北定州人 ,博士研究生 ,研究方向为航 空宇航推进系统理论与机械电子工程。 (上接第 35页 ) 3　结 　论 通过对 RuO2 脱水温度、合成 B i2 Ru2O7 固相反应温度 和时间控制 ,并进行导电相与玻璃相粒径大小的有效搭配 以及纳米掺杂改性 ,可以将钌系电阻器的灵敏系数 S提高 到 17左右 ,这对提高厚膜压阻式传感器的输出性能 (包括 满量程输出、精度、抗过载等 )及其稳定性有重要作用。而 至于纳米掺杂改性后电阻浆料的微结构对厚膜压阻式传感 器的力敏特性影响 ,研究仍有待于深入。 参考文献 : [ 1 ]　Pike G E, Seager C H. Thick film resistors conductive mechanism [ J ]. J App l Phys, 1977, 48 (51) : 52 - 65. [ 2 ]　TamborinM, Piccinini S, PrudenziatiM, et al. Piezoresistive p rop2 erties of RuO2 2based thick2film resistors: the effect of RuO2 grain size [ J ]. Sensors and Actutors A, 1997, 58: 159 - 164. [ 3 ]　Adachi K, Kuno H. Effect of glass composition on the electrical p roperties of thick2film resistors [ J ]. J Am Ceram Soc, 2000, 83 (10) : 2441 - 2448. 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