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摘 要：针对现有航空发动机扭矩 / 转速信号模拟仿真技术的不足,本文提出了一种基于 LabVIEW、PCI 总线技术的扭 矩 / 转速信号仿真的设计方法,并在某型发动机电子控制器的测试与仿真系统中得到了成功应用。应用结果表明 ：该仿真设计 简单可靠,输出的扭矩 / 转速信号精度高、实时性强。为某型发动机电子控制器的测试与仿真提供了有力的保障,具有显著的 社会效益和经济效益。
关键词：LabVIEW ；航空发动机 ；扭矩 / 转速 ；信号仿真
Research on Torque/Power Turbine Speed for Aero-engines Based on LabVIEW
XIONG Yongjun, YANG Wu, YANG Qi
(AECC South Industry Co., Ltd., Zhuzhou Hunan 412002)
【Abstract】：In order to improve the Torque/Power Turbine Speed signal simulation technology of the aero- engine, a new design method based on LabVIEW and PCI is proposed in this paper, and has been successfully applied in the test and simulation system of a new engine electronic controller. The application results show that the simulation design has high precision, strong real-time performance, simple and reliable. It provides a strong guarantee for the test and simulation of a new engine electronic controller, and has significant social and economic benefits.
【Key words】：LabVIEW;aero-engine;Torque/Power Turbine Speed(Q/NPT);signal simulation
0 引言
航空发动机扭矩 / 转速信号是发动机电子控制器性能测试、半物理仿真和硬件在环仿真中必不可少的控制信号 [1-2]。然而某型航空发动机扭矩 / 转速信号是用传统的信号发生器无法模拟产生的特殊信号。目前,工程上为了获取航空发动机的扭矩 / 转速传感器信号通常采用缩比物理模拟法、基于微控制器的电子模拟法和 DSP 中断法 [3-4],缩比物理模拟法使用扭矩缩比的扭矩 / 转速传感器,通过电机驱动其旋转产生扭矩 / 转速信号, 装置过于复杂,精度和实时性也难以保证 ；基于微控制器的电子模拟法使用 2 路频率信号发生器通过一个加法 器合成得到扭矩 / 转速信号,占用较多资源,电路复杂, 相位精度误差大,频度更新不同步会造成更新点信号周 期不完整 ；DSP 中断法使用 DSP 定时器中断、误差补偿来产生扭矩 / 转速信号,解决了实时性和精度问题, 但电路和程序设计较为复杂 [5]。
针对现有的缩比物理模拟法、基于微控制器的电子 模拟法和 DSP 中断等方法的不足之处,本文采用工控机、 PCI-7833R 多功能板卡来模拟产生扭矩 / 转速信号, 并 成功应用于某型发动机电子控制器的测试与仿真系统。首次解决某型发动机电子控制器研制与生产中的测试与 仿真中难题,可直接应于其他同类发动机电子控制器自 动测试与仿真 [6]。对推动我国三、四代机研制具有举足 轻重的作用,具有重大的社会效益和显著的经济效益。
1 工作原理
某型航空发动机动力涡轮输出轴（空心轴）一端装 有两个互成 180°的励磁齿（另一端为花键, 传递功率）, 空心轴内装有基准轴,一端也装有两个互成 180°的励磁 齿,另一端（在花键处）通过固定销将空心轴和基准轴 连成一体,形成动力涡轮组件。在固定销未锁死前,基 准轴在空心轴内是可以滑动旋转的,组合成一体后,在 无负载的情况下,空心轴和基准轴励磁齿互成 90°,受扭后（基准轴不受扭）,空心轴相对于基准轴励磁齿产生一个和扭矩大小成正比的扭转角,即 ：
Μ = κ(θi −θ0 ) （1）
图 1 扭矩 / 转速传感器原理图
Fig.1 Schematic diagram of torque/speed sensor
扭矩 / 转速传感器是一种高速磁电式传感器,在发 动机中的任务是将空心轴和基准轴励磁齿到来的时刻准 确检测出来。旋转的励磁齿经过传感器导磁体时切割磁 力线进而产生感生电势。每一个齿对应一个近似正弦波 信号周期,动力涡轮组件有 4 个齿,旋转一周便有 4 个 近似正弦波信号周期,测量仪器通过检测传感器 4 个周 期的时间间隔,通过运算便可确定空心轴和基准轴间的 角度,进而确定扭矩或功率。
时间间隔的大小,由发动机动力涡轮输出轴所带负 载来决定。在空载时,由空芯轴和基准轴交替排列的四 个齿互成 90°,空载、负载前后的变化,导致四个励磁 齿旋转一周两齿之间的时间片发生改变,设动力涡轮旋
转一周所对应的时间为 T,则有 ：
2(t1 + δt1 +t2 + δt2 ) = T （2）
图 2 扭矩 / 转速信号原理图
Fig.2 Schematic diagram of torque/speed signal
对于测量和控制来说,往往我们只关心某一时刻的 平均功率或扭矩,并不关心某一瞬间的功率和扭矩,另 外从发动机测扭原理来说,它只能测量动力涡轮旋转一 周的功率或扭矩, δt1、δt2 的平均位移时间δt ：
δt = (δt1 + δt2 )
可知 ：
δt = 1 T − 1 (t1 + t2 )
4 2
由于动力涡轮旋转一周的时间为 T,因此动力涡轮 旋转一周的平均扭角为 ：
δθ= 360 ⋅δt = 90 − 180 t1 + t2 （5）
T T
因此,扭矩 / 转速传感器信号模拟仿真时,只需将扭矩 / 转速一个周期四个脉冲信号分解为包含高 - 低 - 高 - 低 - 高 - 低 - 高 - 低八个时间段的高低电平,根据某 型发动机的特点计算出四个脉冲信号的位置与发动机转速、扭矩这间的关系,然后基于 LabVIEW,利用 PCI- 7833R 多功能板卡精确的控制高低电平信号的输出,即可获得需要的扭矩 / 转速信号。
2 软件系统设计
2.1 扭矩 / 转速信号的波形
如图 1 所示,某型航空发动机扭矩 / 转速传感器是 一种高速磁电式传感器,在发动机中的任务是将空心轴 和基准轴励磁齿到来的时刻准确检测出来。旋转的励磁 齿经过传感器导磁体时切割磁力线进而产生感生电势。 每一个齿对应一个近似正弦波信号周期,动力涡轮组件有 4 个齿,旋转一周便有 4 个近似正弦波信号周期,测量仪 器通过检测传感器 4 个周期的时间间隔,通过运算便可 确定空心轴和基准轴间的角度,进而确定扭矩或功率。
如图 2 所示,扭矩偏转角是由负载产生的,发动机 在无负载时扭矩信号一个周期内 4 个脉冲之间的间隔相等,扭矩偏转角为 0,在有负载时,扭矩偏转角会发生 变化,一个周期内第 1 个和第 3 个脉冲的位置不变、第 2 个和第 4 个脉冲的相对于第 1 个和第 3 个脉冲的位置 （t1、t2）根据扭矩偏转角的变化而变化。
要准确的模拟扭矩 / 转速信号实际上就是要模拟如 图 3 所示的波形。将扭矩 / 转速信号分解为包含高 - 低 - 高 - 低 - 高 - 低 - 高 - 低八个时间段的高低电平信号。
扭矩 / 转速信号的模拟需要 t1、t2、t 和 W（脉宽为 定值）四个参数。扭矩 / 转速信号由 PCI-783xR 多功能 板卡精确的控制 t1、t2 和 t 三个参数依次输出相应时间 间隔的高低电平,就准确模拟出一个周期的扭矩 / 转速传感器信号。
2.2 波形与扭矩 / 转速的关系
当有负载时波形如图3所示,其中,
扭矩偏转角 θ 与相应扭矩偏转角下得螺旋桨旋转周期 t 的关系为 ：
其中 ：t 是螺旋桨旋转周期,单位为 s ；
NP 是螺旋桨转速,单位为 rpm ；
Δt 是产生扭矩偏转角后与扭矩偏转角为 0 时的一 个时间差值,即偏置时间,单位为 s ；
θ 是扭矩偏转角,单位为°。
则 t1、t2 与转速、扭矩之间的关系为 ：
2.3 软件实现
利用 PCI-7833R 多功能板卡模拟扭矩 / 转速的程序 比较复杂,板卡的驱动程序需要用 LabVIEW 来编写, 如图 4 所示。而控制器的测试与仿真系统是基于 Lab- Windows/CVI 开发的, 需要在 LabWindows/CVI 程序中 调用 LabVIEW 程序成生的 NiFpga_FPGA_Main.lvbitx 和 NiFpga_FPGA_Main.h 文件。
图 4 驱动程序图
Fig.4 Driver diagram PCI-7833R 多功能板卡初始化程序如下 ：
status = NiFpga_Initialize();if (NiFpga_IsNotError(status)){NiFpga_MergeStatus(&status, NiFpga_Open("D:\\ CVI Codes\\" NiFpga_FPGA_Main_Bitfile,NiFpga_ FPGA_Main_Signature,"RIO0",0,&session));}
PCI-7833R 多功能板卡 A0、A1 通道调用程序如下 ：
/*AOchannel0*/GetCtrlVal(panel,PANEL_FREQ0_NUMERIC,&dblFreq);GetCtrlVal(panel,PANEL_AMP0_NUMERIC, &dblAmp);u32Freq = (unsigned int) (dblFreq/40000000.0*4294967296.0);ui16Amp = (short unsigned int) (dblAmp/10.0*32768.0);NiFpga_MergeStatus(&status,NiFpga_WriteU32(session,NiFpga_FPGA_Main_ControlU32_FI0,u32Freq));NiFpga_MergeStatus(&status, NiFpga_WriteI16 (session,NiFpga_FPGA_Main_ControlU16_CI0,
ui16Amp));/*AOchannel1*/GetCtrlVal(panel,PANEL_FREQ1_NUMERIC,&dblFreq);GetCtrlVal(panel,PANEL_AMP1_NUMERIC, &dblAmp);u32Freq = (unsigned int) (dblFreq/40000000.0* 4294967296.0);ui16Amp = (short unsignedint(dblAmp/10.0*32768.0);NiFpga_MergeStatus(&status,NiFpga_WriteU32(session,NiFpga_FPGA_Main_ControlU32_FI1,u32Freq));NiFpga_MergeStatus(&status,NiFpga_WriteI16(session,NiFpga_FPGA_Main_ControlU16_CI1,ui16Amp));
运行程序,根据发动机模型计算出来的扭矩需求值, 计算出 T1 ～ T8 的值并赋值给 PCI-7833R 多功能板卡 的驱动程序,输出相应的扭矩 / 转速传感器模拟信号。
3 性能分析及应用效果
采用了 PCI-7833R 多功能板卡实现了扭矩 / 转速传 感器信号的模拟,可以集成嵌入到发动机仿真模型计算 机,不需额外的模块电路,节省了资源,信号模拟简洁 高效, PCI-7833R 多功能板卡使用简单、即插即用、易 于集成模块化、控制精度高,并可根据需要可以选择该 系列精度更高的板卡,从而有效的提高了模拟信号的实 时性和精度。也不存在两路频率信号发生器频率更新不 同步的问题,避免了更新不当导致的周期信号不完整等 问题。并成功应用于某型发动机电子控制器的测试与仿 真系统。经控制器标定,如表 1 所示,仿真试验应用结 果表明,该技术精度高、实时性强、简单可靠。表 1 标定数据
Tab.1 Calibration data
序号 |
测试项目 |
产品读取值
输出值
常温 低温工作 高温工作 |
1 |
NPT（r/min） |
23700±5
14328±5
4307±5
6.8623±0.02 |
23700
14328
4307
6.8623 |
23700
14320
4307
6.8524 |
23700
14328
4307
6.8623 |
| 2 |
QDEFIN（°） |
3.0068±0.02
-0.8818±0.02 |
3.0068
-0.8779 |
3.0068
-0.8818 |
3.0068
-0.8818 |
4 结论
针对现有的缩比物理模拟法、基于微控制器的电子 模拟法和 DSP 中断等方法的不足之处,本文采用工控机、PCI-7833R 多功能板卡来模拟产生扭矩 / 转速信号, 并成功应用于某型发动机电子控制器的测试与仿真系统。该技术的成功为该数字电子控制系统的设计开发提 供了有力的保障,具有显著的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] 熊勇军,李鼎文.某新型航空发动机的建模及仿真研究[J].测 控技术,2016,35(1):141-144.
[2] 熊勇军,李鼎文,周中秋,等.一种航空发动机扭矩传感器信号 模拟方法:中国,CN105005208B[P].2017-12-01.
[3] 王振华,王亮.航空发动机试验测试技术发展探讨[J].航空发 动机,2014,40(6):47-51.
[4] 张树彦,吕晓武,殷锴,等.FADEC硬件在回路测试系统设计 [J].测控技术,2013,32(9):81-84.
[5] 孙健国.现代航空动力装置控制[M].北京:航空工业出版社, 2001.
[6] 刘君华,贾惠芹,等.虚拟仪器图形化编程语言基于LabVIEW 教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.
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