CN104019930A - 发动机功率输出转轴扭矩检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种发动机功率输出转轴扭矩检测电路，旨在提供一种响应速度快，工作稳定可靠，能够准确控制检测精确度的发动机功率输出转轴扭矩检测电路。本发明通过下述技术方案予以实现：馈电单元通过扭矩传感器连接环路检测单元,并向扭矩传感器馈送直流电压，通过隔离限幅单元限幅送入后级放大单元和比较单元，经方波整形单元整形为两路规整的方波信号，一路作为发动机转动轴和参考转动轴的扭矩转动齿脉冲信号和参考齿脉冲信号，另一路经方波锁存单元变换为频率减低一半的方波，作为扭矩转动齿和参考齿间隔脉冲信号，两路方波信号经CPU定时处理单元计时统计，计算出扭矩转动齿脉冲信号相对参考齿脉冲信号的相位差，得出扭矩值的大小。

Description

发动机功率输出转轴扭矩检测电路

技术领域

本发明涉及一种主要应用于航空发动机电子控制器对功率输出转动轴，通过扭矩传感器输入输出信号进行检测的发动机功率输出转轴扭矩检测电路。

背景技术

航空发动机结构复杂，工作条件很不稳定，经常处于转速与负荷变化的条件下运转，还处于高温及高压等恶劣条件下工作，因而故障率较高，往往成为检测与诊断的重点对象。因此发动机输出功率及功率特性的检测是发动机一项综合性指标，通过检测，可掌握发动机的技术状况，确定发动机是否需要大修或鉴定发动机的维修质量。但发动机输出轴的扭矩测量一直是一个难解决的问题。发动机功率的检测可分为稳态测功和动态测功。稳态测功是指在发动机试验台上由测功器测试功率的方法。动态测功是指发动机在低速运转时，突然全开节气门或置油门齿杆位置为最大，使发动机加速运转，用加速性能直接反映最大功率。这种方法不加负荷，可在实验台上进行，但测量精度比稳态测功要差。目前对航空发动机功率输出转动轴扭矩进行测试的扭矩传感器有多种。扭矩传感器又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。在测量的时候，扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号，不需要每一次调零，可以连续地测量正反扭矩。其中典型的是采用电磁式扭矩传感器。磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量，如振动、位移、转速等转换成电信号的一种传感器。一般航空发动机电子控制器外接磁电式扭矩传感器，转动轴配套有4个左右转动齿，参考轴有同样数量的4左右参考齿，输出阻抗不大于300Ω，扭矩测量范围最大为几千N.m。转动轴和参考轴转速和转向相同，磁电式扭矩传感器发送给电子控制器的信号为单周期脉冲正弦波，如果转动轴没有负载，传感器输出转动齿信号脉冲相对参考齿信号脉冲间隔相等。如果转动轴带一定负荷，转动齿信号脉冲相对参考齿信号脉冲的间隔有差异，磁电式扭矩传感器检测电路检测到该脉冲间隔差值就可以计算出扭矩值大小。

在对航空发动机功率输出转动轴扭矩进行测试时，磁电式扭矩传感器分别感应转动轴和参考轴的转动齿，输出脉动正弦波信号给电子控制器检测。由于发动机转动轴、参考轴加工存在公差，转动轴和参考轴上面的转动齿同样存在加工公差，这样就会造成在相同力矩作用下扭矩传感器输出有差异，发动机电子控制器很难精确解析出发动机输出扭矩大小。同时发动机电子控制器对扭矩信号的不同处理方式也会造成一定误差，这些都会严重影响控制器对发动机的准确控制。

由于扭矩传感器配套的外部转动轴、参考轴及其转动齿的加工存在个性差异，这些差异就会导致不同发动机扭矩传感器输入信号有个性差异。为了弥补发动机及其扭矩传感器的个性差异，每台发动机需配套接一个扭矩匹配盒，将这些个性差异用匹配盒内的斜率和偏差电阻表达。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种响应速度快，工作稳定可靠、检测功能完善，能够准确控制检测精确度的发动机功率输出转轴扭矩检测电路。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种发动机功率输出转轴扭矩检测电路，包括馈电单元、环路检测单元、隔离限幅单元、放大单元、比较单元、方波整形单元、方波锁存单元和定时处理单元,其特征在于：馈电单元通过扭矩传感器连接环路检测单元,并向扭矩传感器馈送直流电压，经隔离电容把变化的直流信号中的直流分量阻断后,把去掉直流部分信号的扭矩信号输入隔离限幅单元进行限幅，依次送入后级放大单元和比较单元，放大单元将不同幅值输入脉冲放大，经比较单元比较后，将单周期脉动正弦波转换为单个方波脉冲信号，通过方波整形单元整形为两路规整的方波信号，一路直接送到定时处理单元，作为发动机转动轴和参考转动轴的扭矩转动齿脉冲信号和参考齿脉冲信号，另一路经方波锁存单元锁存后变换为频率减低一半的方波，作为扭矩转动齿和参考齿间隔脉冲信号，并将两路方波信号输出到发动机电子控制器CPU的定时处理单元进行计时统计，计算出扭矩转动齿脉冲信号相对参考齿脉冲信号的相位差，从而得出扭矩值的大小。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

具有外部扭矩传感器环路通断检测功能。本发明馈电单元向外接扭矩传感器馈送电压值和电流值均在安全范围的直流电压，即使外部扭矩传感器发生短路、断路等情况，也不会造成检测电路损坏。环路检测单元的检测环路电压可以识别扭矩传感器接通、断开、短路和阻抗不匹配等故障。当发生外接扭矩传感器断路、短路、阻抗不匹配时，发动机电子控制器可以判定传感器故障。隔离限幅单元的扭矩信号限幅电路将输入扭矩信号进行限幅，可避免过高幅度信号损坏后级电路和后级放大电路饱和。

隔离电容将传感器环路检测馈送的直流电隔离，直流电压不会进入后级放大电路，限幅电路将过高的电压信号限定在安全幅值范围，经过限幅电路的信号由放大电路进行放大，然后扭矩信号经过比较器比较将单周期脉动正弦波转换为单个方波脉冲信号，该方波脉冲信号又经过整形电路变换为标准5V方波信号，5V方波信号直接送到定时处理单元作为扭矩转动齿和参考齿合成信号，同时又经过一个锁存器后变换为频率减低一半的方波作为参考齿间隔信号，经CPU的定时处理单元计算出扭矩转动齿脉冲信号相对参考齿脉冲信号的相位差，得出扭矩值的大小，从而能够准确控制检测精确度。

能够准确控制检测精确度。本发明发动机电子控制器将转动齿和参考齿合成信号与参考齿间隔信号脉冲分别进行定时处理，然后进行计算就可以得到转动齿信号相对参考齿信号发生的相移，根据该相移大小就可以精确地定时处理得出扭矩毛值大小。

检测功能完善。扭矩信号经过自适应放大单元将不同幅值输入脉冲放大到合适幅值范围便于后级比较电路正常工作，提高检测电路能既能检测低频率、低幅度信号，又能检测高频率、高幅度信号。

本发明经过大量实际测试，普遍误差小于0.5N.m，最大误差不超过2N.m。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1本发明发动机功率输出转轴扭矩检测电路的原理框图。

图2是图1的电路原理示意图。

图3扭矩检测电路输入输出信号波形图。

具体实施方式

参阅图1所示。在以下描述的一个最佳实施例中，发动机功率输出转轴扭矩检测电路包括馈电单元、环路检测单元、隔离限幅单元、放大单元、比较单元、方波整形单元、方波锁存单元和定时处理单元。动机电子控制器外接扭矩传感器，配套有同样数量左右感应齿的转动轴和参考转动轴和参考轴转速相同，磁电式扭矩传感器发送给电子控制器的信号为单周期脉冲正弦波。隔离限幅单元可以是扭矩信号限幅电路。比较单元可以是比较器，方波整形单元可以是整形电路。

馈电单元通过扭矩传感器连接环路检测单元，并向扭矩传感器馈送直流电压，扭矩传感器输入信号经过隔离电容去掉直流部分信号，只允许扭矩信号通过隔离电容到后级放大和比较电路。隔离限幅单元的扭矩信号限幅电路将输入的扭矩信号进行限幅，扭矩信号经过放大单元将不同幅值输入脉冲放大，经比较单元比较后，将单周期脉动正弦波转换为单个方波脉冲信号，通过方波整形单元整形为规整的方波信号，该规整方波信号直接送到定时处理单元，作为发动机转动轴和参考转动轴的扭矩转动齿脉冲信号和参考齿信号，同时经过方波锁存单元锁存后变换为频率减低一半的方波，作为转动齿和参考齿间隔脉冲信号。锁存前的扭矩信号脉冲反映的是转动齿和参考齿共计8个齿检测脉冲，锁存后的脉冲频率降低一半，反映的是参考齿间隔脉冲。两路方波输出到发动机电子控制器CPU的定时处理单元进行计时统计，可以计算出转动齿脉冲信号相对参考齿脉冲信号的相位差，从而得出扭矩值的大小。

参阅图2。在发动机功率输出转轴扭矩检测电路中，馈电单元包括：扭矩传感器负端并联电阻R1、R2和扭矩传感器正端并联线路上的电阻R4和接地电阻R5。+9V电压通过电阻R4给扭矩传感器正端馈电并经接地电阻R5接地，并联电阻R1、R2将扭矩传感器负端接地。这样就由电阻R4、R5、R1、R2和外接扭矩传感器构成一个电流回路，当外接扭矩传感器短路、短路或阻抗不匹配时，电阻R5上的分压值就会相应发生改变。环路检测单元通过检测R5上的电压值就可以判断传感器工作状态是否正常。电阻R5的电压经过连接在电阻R4和接地电阻R5接点与放大器U1B正向输入端之间的电阻R8、R9限流和阻抗匹配，经电连接在电阻R9两端的接地电容C7、滤波电容C8滤波后，送至U1B反向输入端射随放大后，通过U1B输出端，将电压送至AD转换器，获取电阻R5上的直流电压值。

由于扭矩信号输入信号在频率较高时幅度较大，容易超过电路工作电压上限，必须由限幅单元将幅度过高信号进行削峰限幅，才能确保后级电路工作正常。

隔离限幅单元包括：串联在扭矩传感器负端与运算放大器U1A正向输入端之间的隔离电容C1、电阻R6、R10和电阻R6、R10接点上电连接的双二极管Q1、以及扭矩传感器正端输入线路上串联的隔离电容C2、电阻R7、R12，电阻R7、R12接点电连接的双二极管Q2；其中，隔离电容C1、C2分别完成扭矩传感器正端和负端输入信号隔离直流功能，只让脉动单周期正弦波通过；扭矩传感器正端电阻R7和双二极管Q2完成正端限流限幅功能；扭矩传感器负端电阻R6和双二极管Q1完成正端限流限幅功能。扭矩信号频率低时幅度也较低，频率高时幅度较大，因而要求放大电路对低频信号增益较高，高频信号增益较小，这样才能适应较宽频率信号输入。

放大单元包括并联在运算放大器U1A正向输入端与输出端之间的电阻R11、电容C3和串联电阻R18、R16，以及通过电阻R16跨接在U1A反向输入端与输出端之间电容C6组成的放大电路，其中，电阻R10、R18为输入电阻；电阻R11、电容C3为输入负载和滤波器件；电阻R16、电容C6为放大器反馈器件，该放大电路在300～10000HZ频率范围能良好地工作，其输出单脉冲正弦波无毛刺。

比较单元包括并联在扭矩传感器正端与运算放大器U2A反向输入端之间，通过电阻R12输出端并联电阻R13、接地电容C4构成的比较器，通过运算放大器U1A输出端经限流电阻R15并联电阻R17、R19和电容C5并联回路，以及并联回路串联的电阻R20和U2A输出端电连接的限流电阻R21组成的比较电路。运算放大器U2A负端由电阻R12限流输入，电阻R13和电容C4为输入负载和滤波器件，U1A输出经过限流电阻R15到运算放大器U2A正端，电阻R17、R19和电容C5为运算放大器U2A的负反馈器件，电阻R21为比较器输出限流电阻，比较器输出端由电阻R20为上拉器件，电阻R13为输出负载器件。当无输入信号或输入信号幅度较低时，该比较器正端电压高于负端电压，比较器输出高电平；当输入信号电压高于一定值时，比较器输出低电平。

方波整形单元包括：通过接地电阻R3与U2A输出端串联电阻R21并联接点上的限流电阻R22，以及串联在反相器U3A与锁存器U4A输入端之间的反相器U3B，且反相器U3A、U3B带有施密特触发器，其中，比较器输出信号经限流电阻R22输入U3A，U3A输出信为扭矩传感器输出方波信号1，输出图3所示脉冲间隔为△T1、△T2、△T3的参考齿输入信号的波形，其中，△T2、△T3的时间差值反映了扭矩值大小。U3A输出信号经过U3B继续反相后到方波锁存单元，送入发动机电子控制器的CPU电路定时处理。

反相器U3B通过上拉电阻R14连接锁存器U4A的复位端、置位端和时钟端，通过锁存器U4A输出扭矩传感器方波输出信号2，当反相器U3B输出信号由低电平变为高电平时，U4A锁存器将输出信号翻转后，相比U3A，通过锁存器U4A将输出频率减半，输出图3所示反映参考齿和转动齿时间间隔为△T4和△T5的波形，△T4和△T5的时间差值同样反映了扭矩值大小。锁存器输U4A出信号提供给发动机电子控制器的CPU进行定时处理。

Claims (10)

1.一种发动机功率输出转轴扭矩检测电路，包括馈电单元、环路检测单元、隔离限幅单元、放大单元、比较单元、方波整形单元、方波锁存单元和定时处理单元,其特征在于：馈电单元通过扭矩传感器连接环路检测单元,并向扭矩传感器馈送直流电压，经隔离电容把变化的直流信号中的直流分量阻断后,把去掉直流部分信号的扭矩信号输入隔离限幅单元进行限幅，依次送入后级放大单元和比较单元，放大单元将不同幅值输入脉冲放大，经比较单元比较后，将单周期脉动正弦波转换为单个方波脉冲信号，通过方波整形单元整形为两路规整的方波信号，一路直接送到定时处理单元，作为发动机转动轴和参考转动轴的扭矩转动齿脉冲信号和参考齿脉冲信号，另一路经方波锁存单元锁存后变换为频率减低一半的方波，作为扭矩转动齿和参考齿间隔脉冲信号，并将两路方波信号输出到发动机电子控制器CPU的定时处理单元进行计时统计，计算出扭矩转动齿脉冲信号相对参考齿脉冲信号的相位差，从而得出扭矩值的大小。

2.如权利要求1所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:馈电单元包括：扭矩传感器负端并联电阻R1、R2和扭矩传感器正端并联线路上的电阻R4和接地电阻R5；+9V电压通过电阻R4给扭矩传感器正端馈电并经接地电阻R5接地，并联电阻R1、R2将扭矩传感器负端接地,这样就由电阻R4、R5、R1、R2和外接扭矩传感器构成一个电流回路，当外接扭矩传感器短路或阻抗不匹配时，电阻R5上的分压值就会相应发生改变。

3.如权利要求2所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:电阻R5的电压经过连接在电阻R4和接地电阻R5接点与放大器U1B正向输入端之间的电阻R8、R9限流和阻抗匹配，经电连接在电阻R9两端的接地电容C7、滤波电容C8滤波后，送至U1B反向输入端射随放大后，通过U1B输出端，将电压送至AD转换器，获取电阻R5上的直流电压值。

4.如权利要求1所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:隔离限幅单元包括：串联在扭矩传感器负端与运算放大器U1A正向输入端之间的隔离电容C1、电阻R6、R10和电阻R6、R10接点上电连接的双二极管Q1、以及扭矩传感器正端输入线路上串联的隔离电容C2、电阻R7、R12，电阻R7、R12接点电连接的双二极管Q2；其中，隔离电容C1、C2分别完成扭矩传感器正端和负端输入信号隔离直流功能，只让脉动单周期正弦波通过；扭矩传感器正端电阻R7和双二极管Q2完成正端限流限幅功能；扭矩传感器负端电阻R6和双二极管Q1完成正端限流限幅功能。

5.如权利要求1所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:放大单元包括并联在运算放大器U1A正向输入端与输出端之间的电阻R11、电容C3和串联电阻R18、R16，以及通过电阻R16跨接在U1A反向输入端与输出端之间电容C6组成的放大电路，其中电阻R10、R18为输入电阻；电阻R11、电容C3为输入负载和滤波器件；电阻R16、电容C6为放大器反馈器件。

6.如权利要求1所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:比较单元包括并联在扭矩传感器正端与运算放大器U2A反向输入端之间，通过电阻R12输出端并联电阻R13、接地电容C4构成比较器。

7.如权利要求6所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:当无输入信号或输入信号幅度较低时，比较器正端电压高于负端电压，比较器输出高电平；当输入信号电压高于一定值时，比较器输出低电平。

8.如权利要求1所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:方波整形单元包括：通过接地电阻R3与U2A输出端串联电阻R21并联接点上的限流电阻R22，以及串联在反相器U3A与锁存器U4A输入端之间的反相器U3B，且反相器U3A、U3B带有施密特触发器。

9.如权利要求8所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:比较器输出信号经限流电阻R22输入U3A，U3A输出信为扭矩传感器输出方波信号1，输出脉冲间隔为△T1、△T2、△T3的参考齿输入信号的波形，其中，△T2、△T3的时间差值反映了扭矩值大小。

10.如权利要求8所述的发动机功率输出转轴扭矩检测电路，其特征在于:反相器U3B通过上拉电阻R14连接锁存器U4A的复位端、置位端和时钟端，通过锁存器U4A输出扭矩传感器方波输出信号2，当反相器U3B输出信号由低电平变为高电平时，锁存器U4A将输出信号翻转后，相比U3A，通过锁存器U4A将输出频率减半，输出反映参考齿和转动齿时间间隔为△T4和△T5的波形，△T4和△T5的时间差值同样反映了扭矩值大小。