CN104360097A - 一种转速信号调理隔离模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机转速测量技术领域，公开了一种转速信号调理隔离模块。其包括供电电源以及顺次连接的抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路，抗雷击电路的输入端用于连接外部传感器信号，隔离电路的输出端用于连接发动机控制系统，供电电源为抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路供电。本发明包括了抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路，将本发明应用于航空发动机的转速传感器和发动机控制系统之间，起到传感器信号调理、隔离和雷击保护的作用。

Description

一种转速信号调理隔离模块

技术领域

本发明涉及航空发动机转速测量技术领域，更具体地，涉及一种转速信号调理隔离模块。

背景技术

在航空发动机控制中，发动机的工作状态通过发动机转子转速来体现，转速测量的准确与否直接关系到发动机的性能发挥，甚至影响飞行安全。因此，发动机转速的准确测量显得至关重要。

航空发动机转速测量主要采用磁电式转速传感器。磁电式传感器输出信号为频率特征信号，信号的频率与转速一致，信号幅值随频率的增加单调增加。发动机的控制系统是复杂的电气系统，电磁环境恶劣。转速传感器输出信号在这种复杂电磁环境中容易受到干扰，如果信号不能被正确处理，容易造成发动机控制系统对转速的错误测量，引起发动机控制系统控制错误而导致飞行事故。

现有转速测量技术一般采用简单比较器来实现信号的整形，带有简单的输入滤波技术，输入输出信号未隔离，且不带有抗雷击设计。现有广泛使用的技术存在抗干扰能力差、抗雷击能力差、无输入输出信号隔离的缺点。主要表现在：

目前现有的航空发动机转速处理电路对噪声的抑制一般采用低通或带通滤波的方法。采用滤波处理的电路对噪声干扰能起到一定的过滤作用，但是，由于转速信号频率范围宽，信号频率和噪声频率区间重叠，简单的滤波技术不能很好地区分信号和噪声，导致其滤波效果差。

当转速传感器或传感器电缆遭受雷击，或传感器与飞机上其他高电压电路短路时，高电压突变信号窜入传感器信号线路，如果电路未采用抗雷击设计，高电压信号会损坏转速处理电路，甚至造成控制系统失效，影响飞行安全。

现有的航空发动机转速测量电路一般未采用隔离技术，存在着安全隐患，如果调理电路发生故障，可能导致控制系统失效，造成无法预估的后果。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种能够对航空发动机上的转速传感器信号进行调理隔离和抗雷击保护的转速信号调理模块。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

提供一种转速信号调理隔离模块，包括供电电源以及顺次连接的抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路，抗雷击电路的输入端用于连接外部传感器信号，隔离电路的输出端用于连接发动机控制系统，供电电源为抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路供电。

本发明包括了抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路，将本发明应用于航空发动机的转速传感器和发动机控制系统之间，起到传感器信号调理、隔离和雷击保护的作用。

上述方案中，所述抗雷击电路包括电阻R7、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D1和二极管D2；R7一端连接R11一端，R7另一端和R11另一端作为抗雷击电路的信号输入端分别用于连接外部传感器信号的两个输出端口，R11的另一端还连接公共地，R10一端接公共地，另一端与R7作为抗雷击电路的信号输入端的一端连接；D1、D2均与R11并联连接，其中D1的正极和D2的负极与R11接公共地的一端相连接，D2的负极还连接R12的一端， R12的另一端以及D2的正极连接至滞环比较电路。

本发明的抗雷击电路可以限制进入模块的电压和电流，在传感器信号或电缆遭受雷击的情况下，保护模块不被损坏。 

上述方案中，所述抗雷击电路还包括与R7组成低通滤波器的电容C3，C3一端与R7一端连接，R7的另一端和C3的另一端分别用于连接外部传感器信号的两个输出端口。本发明利用电阻R7和电容C3构成低通滤波器，可滤除传感器信号上的部分高频噪声，降低噪声对模块信号转换功能的干扰。

上述方案中，所述滞环比较电路包括比较器芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R13，U1的GND引脚接公共地，U1的两个Input输入引脚分别连接R12的一端和D2的正极，U1的负电源引脚连接供电电源以及通过电容C5接公共地，U1的输出引脚作为滞环比较电路的输出端外接至隔离电路，U1的正电源引脚连接供电电源以及通过电容C1接公共地；R13、R2和R4的一端连接U1的第2引脚，R13另一端接公共地，R2的另一端接电源，R4另一端连接至U1的输出引脚；U1的输出引脚还通过R3连接供电电源。

在本发明中的滞环比较电路中，可以利用R13对电路的阈值电压进行调节，阈值电压根据控制系统对转速的要求和传感器的信号特征进行设置。滞环比较电路对信号上的干扰噪声有较强的抑制作用，对各类交流信号具有很好的整形效果。在滞环比较电路能抑制噪声的同时，解决了发动机控制系统中转速传感信号采集不准的问题。

上述方案中，所述隔离电路包括光耦芯片U2和三极管Q1，Q1的基极通过电阻R8连接滞环比较电路的输出端以及通过电阻R5连接供电电源，Q1的发射极连接供电电源，Q1的集电极通过电阻R9连接U2的输入信号正端引脚，U2的输入信号负端引脚接公共地，U2的GND引脚接地，U2的输出引脚作为隔离电路的输出地外接发动机控制系统，U2的输出引脚还通过电阻R6接供电电源，U2的Vcc和Ve引脚连接供电电源。

本发明的隔离信号可以将模块中输入的传感器信号和模块隔离后的输出信号完全隔离，即便电路受损，也不会将故障传递给发动机控制系统，对整个控制系统起到了隔离保护的作用。模块隔离后的输出为方波信号，可供发动机控制系统直接采集。

上述方案中，所述供电电源包括电源VCC-A以及第一开关式电源隔离转换模块POWER1和第二开关式电源隔离转换模块POWER2，电源VCC-A输入POWER1后产生工作电源+VCC_B、-VCC_B，电源VCC-A输入POWER2后产生工作电源+VCC_C，+VCC_B分别与Q1的发射极以及R5的一端连接，-VCC_B分别与R2、R3以及U1的负电源引脚连接，+VCC_C与R6以及U2的Vcc、Ve引脚连接。

本发明在供电电源中设置POWER1和POWER2，可以将供电电源和模块的工作电源进行物理隔离，实现电源的隔离作用。

上述方案中，所述U2的输出引脚连接有作为对外接口的第一接头，第一接头用于外接发动机控制系统。为了方便本发明的模块对外进行连接，本发明通过第一接头作为对外的输出端，方便模块的对外连接。

上述方案中，抗雷击电路的信号输入端连接有作为对外接口的第二接头，第二接头用于外接外部传感器信号。为了方便本发明的模块对外进行连接，本发明通过第二接头作为对外的输入端，方便模块的对外连接。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

（1）本发明的转速信号调理模块作为航空发动机转速传感器信号和控制系统的中转电路，提供了抗雷击、除噪声干扰、隔离等作用，大大提高了发动机控制系统的安全性。

（2）本发明在滞环比较电路中通过设置合理的滞环阈值，对噪声干扰有很好的抑制作用。而且在滞环电路能抑制噪声的同时，解决了发动机控制系统中转速传感信号采集不准的问题。再者，本发明的电路还采用了抗雷击设计，对上千伏的雷击信号可起到保护作用，使过压的传感器信号不会损坏电路。并且，电路的输入输出采用了隔离技术，即便电路受损，也不会传递给发动机控制器，对整个控制系统起到了隔离保护的作用。

附图说明

图1为本发明一种转速信号调理隔离模块具体实施例的架构图。

图2为本发明一种转速信号调理隔离模块具体实施例中供电电源的具体实现电路图。

图3为本发明一种转速信号调理隔离模块具体实施例的具体实现电路图。

图4为本发明一种转速信号调理隔离模块具体实施例中第一接头和第二接头的具体实现电路图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，为本发明一种转速信号调理隔离模块具体实施例的架构图。参见图1本发明一种转速信号调理隔离模块，包括供电电源1以及顺次连接的抗雷击电路2、滞环比较电路3和隔离电路4，抗雷击电路2的输入端用于连接外部传感器信号，隔离电路4的输出端用于连接发动机控制系统，供电电源1为抗雷击电路2、滞环比较电路3和隔离电路4供电。

其中，供电电源1通过电源VCC_A供电，具体的电路图如图2所示：

供电电源包括电源VCC-A以及第一开关式电源隔离转换模块POWER1和第二开关式电源隔离转换模块POWER2，电源VCC-A输入第一开关式电源隔离转换模块POWER1后产生工作电源+VCC_B、-VCC_B，电源VCC-A输入开关式电源隔离转换模块POWER2后产生工作电源+VCC_C，GNDA是供电电源地，GND_B是+VCC_B和-VCC_B的公共地，GND_C是+VCC_C的地。POWER1和POWER2是隔离电源，用于供电电源和模块工作电源的物理隔离，POWER1可以采用金升阳出品的B2405LS-1WR2电源模块，其输入为+24VDC，输出+5VDC；POWER1可以采用金升阳出品的A2409S-1WR2电源模块，其输入为+24VDC，输出为正负9VDC。三个工作电源应用到本发明的转速信号调理隔离模块中为各个电路提供工作电源。

在具体实施过程中，抗雷击电路可以采用如图3所示的具体电路实现：

抗雷击电路包括电阻R7、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D1和二极管D2；R7一端连接R11一端，R7另一端和R11另一端作为抗雷击电路的信号输入端分别用于连接外部传感器信号的两个输出端口，如图3所示，来自外部转速传感器的信号由FN+和FN-处引入转速信号调理隔离模块，其中FN+连接转速传感器信号正端，FN-连接转速传感器的信号负端；R11的另一端还连接公共地GNDB，R10一端接公共地GNDB，另一端与R7作为抗雷击电路的信号输入端的一端连接；D1、D2均与R11并联连接，其中D1的正极和D2的负极与R11接公共地GNDB的一端相连接，D2的负极还连接R12的一端， R12的另一端以及D2的正极连接至滞环比较电路。R10作为抗雷击电路的一部分，其可以为转速信号调理模块设置一个合理的输入阻抗。其中，抗雷击电路中还包括与R7组成低通滤波器的电容C3，C3一端与R7一端连接，R7的另一端和C3的另一端分别用于连接外部传感器信号的两个输出端口。

在抗雷击电路中，R10、R7、R11、R12、C3、D1和D2构成模块的抗雷击电路，对输入信号进行分压、滤波和限幅处理。模块电路的输入阻抗由电阻R10决定；R7和R11对输入信号分压，降低信号的幅值；R7和C3构成低通滤波器，滤除输入信号中的高频噪声和干扰成分；R7和D1、D2构成限幅电路，将输入信号钳位于正负0.7V电压范围内，保证后级电路的安全。整个抗雷击电路可以限制进入模块的电压和电流，在传感器信号或电缆遭受雷击的情况下，保护模块不被损坏。而且利用电阻R7和电容C3构成低通滤波器，可滤除传感器信号上的部分高频噪声，降低噪声对模块信号转换功能的干扰。

在具体实施过程中，滞环比较电路可以采用如图3所示的具体电路实现：

滞环比较电路包括比较器芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R13，U1的GND引脚（第1引脚）接公共地GNDB，U1的两个Input输入引脚（第2引脚和第3引脚）分别连接R12的一端和D2的正极，U1的负电源引脚（第4引脚）连接电源-VCC_B以及通过电容C5接公共地， U1的输出引脚（第7引脚）作为滞环比较电路的输出端外接至隔离电路，U1的正电源引脚（第8引脚）连接电源+VCC_B以及通过电容C1接公共地GNDB；R13、R2和R4的一端连接U1的一个输入引脚（第2引脚），R13另一端接公共地GNDB，R2的另一端接电源-VCC_B，R4另一端连接至U1的输出引脚；U1的输出引脚还通过R3连接-VCC_B。其中，在滞环比较电路中，阈值电源可以根据传感器信号特征和发动机控制系统对转速的要求调节不同的阈值。在具体应用中，U2可以采用LM211D比较器芯片实现，具体连接时LM211D比较器芯片的BALANCE和BAL/STRB两个引脚（第5和6引脚）通过并联后通过电容C4接地。

LM211D(U1)和R2、R3、R4和R13构成滞环比较电路，将任意波形的输入信号调理整形为方波信号。LM211D芯片通过比较其3脚和2脚两个输入端的电压差来决定其输出状态，由于芯片的输出为集电极开路结构，所以存在“芯片7脚(输出引脚)与GNDB饱和导通”和“芯片7脚(输出引脚)与GNDB截止”两种输出状态，不同输出状态下的7脚电位通过R2、R3、R4和R13组成的电阻网络反馈回LM211D的输入比较端2脚来设置其电位，从而对“电压差由低到高”和“电压差由高到低”两种情况下的输入信号设置不同的比较阈值，实现了滞环比较功能，通过改变R13的阻值可以改变电路滞环量。电路中电容C4为LM211D芯片正常工作所需要的器件，电容C1和C5是LM211D芯片的供电退耦电容。

在具体实施过程中，隔离电路可以采用如图3所示的具体电路实现：

隔离电路包括光耦芯片U2和三极管Q1，Q1的基极通过电阻R8连接滞环比较电路的输出端以及通过电阻R5连接+VCC_B，Q1的发射极连接+VCC_B，Q1的集电极通过电阻R9连接U2的信号输入正端（第2引脚）， U2的信号输入负端（第3引脚）接公共地，U2的GND引脚（第5引脚）接地，U2的输出引脚（第6引脚）作为隔离电路的输出外接发动机控制系统，U2的输出引脚还通过电阻R6接+VCC_C，U2的Vcc和Ve引脚（第7、8引脚）连接供电电源。（U2是HCPL0600高速光耦芯片）

具体应用中，光耦芯片U2可以采用HCPL0600高速光耦芯片实现，具体连接时HCPL0600的两个N/C引脚（第1和4引脚）悬空。

隔离电路由高速光耦芯片HCPL0600（U2）、PNP型三极管Q1以及电阻R8、R5、R9和R6构成，该电路使得传感器信号输出端与发动机控制器信号输入端隔离，有效地保护发动机控制器。三极管Q1和电阻R5、R8构成共射极放大电路，当滞回比较器输出低电平时，三极管Q1饱和导通，使得光耦输入端加载电压，光耦内部发光二极管发光，进而使得光耦输出端的光电三极管饱和导通，模块输出低电平；当滞回比较器输出高电平时，三极管Q1截止，光耦输入端没有电流流入，光耦输出端截止，电阻R6的上拉作用使得模块输出高电平。由于传感器信号负端接入光耦输入端的地，光耦输出端的地连接发动机控制器的地，又由于光耦输入端和输出端的地隔离，从而在电气上隔离了传感器和发动机控制器，保证控制器的安全。

在隔离电路中，U2起信号隔离作用，传感器信号经过抗雷击电路和滞环比较电路后转换成开关信号，开关信号控制Q1的通断，Q1的通断控制U2产生方波信号输出，方波信号可供发动机控制系统直接采集。U2在模块中对输入输出信号起隔离作用外，还可以隔离模块电路故障，在模块电路损坏的情况下，故障电路不会破坏发动机控制系统，起到故障隔离的作用。

在具体实施过程中，为了便于本发明的模块连接外部电路，本具体实施例设置了第一接头和第二接头来作为对外接口。如图4所示， U2的输出引脚连接至第一接头Header4的第4引脚，Header4的第2、3引脚分别连接GNDA和GDNC，Header4的第4引脚用于外接发动机控制系统, Header4的第1引脚通过二极管D3连接电源VCC-A；第二接头Header2连接抗雷击电路的信号输入端，其两个引脚用于外接外部传感器信号FN+和FN-。

本发明的转速信号调理隔离模块的输入信号可为正弦、三角、锯齿等各种类型的交流信号，不仅可以用于转速信号的调理，而且可以用于所有交流信号的调理，如涡轮流量计输出信号等。模块采用了输入信号抗过压设计，输入信号范围宽，信号峰峰值范围（0.1－1300）伏；并且采用阈值电压可调节的滞环比较电路，可以根据传感器信号特征和发动机数控系统对转速的要求调节不同的阈值；利用隔离电路使模块中输入的传感器信号和模块隔离后的输出信号完全隔离，模块隔离后输出为方波信号，隔离后的方波信号可供发动机控制系统直接采集。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种转速信号调理隔离模块，其特征在于，包括供电电源以及顺次连接的抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路，抗雷击电路的输入端用于连接外部传感器信号，隔离电路的输出端用于连接发动机控制系统，供电电源为抗雷击电路、滞环比较电路和隔离电路供电。

2.根据权利要求1所述的转速信号调理模块，其特征在于，所述抗雷击电路包括电阻R7、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D1和二极管D2；R7一端连接R11一端，R7另一端和R11另一端作为抗雷击电路的信号输入端分别用于连接外部传感器信号的两个输出端口，R11的另一端还连接公共地，R10一端接公共地，另一端与R7作为抗雷击电路的信号输入端的一端连接；D1、D2均与R11并联连接，其中D1的正极和D2的负极与R11接公共地的一端相连接，D2的负极还连接R12的一端， R12的另一端以及D2的正极连接至滞环比较电路。

3.根据权利要求2所述的转速信号调理模块，其特征在于，所述抗雷击电路还包括与R7组成低通滤波器的电容C3，C3一端与R7一端连接，R7的另一端和C3的另一端分别用于连接外部传感器信号的两个输出端口。

4.根据权利要求2所述的转速信号调理模块，其特征在于，所述滞环比较电路包括比较器芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R13，U1的GND引脚接公共地，U1的两个Input输入引脚分别连接R12的一端和D2的正极，U1的负电源引脚连接供电电源以及通过电容C5接公共地，U1的输出引脚作为滞环比较电路的输出端外接至隔离电路，U1的正电源引脚连接供电电源以及通过电容C1接公共地；R13、R2和R4的一端连接U1的一个输入引脚，R13另一端接公共地，R2的另一端接电源，R4另一端连接至U1的输出引脚；U1的输出引脚还通过R3连接供电电源。

5.根据权利要求4所述的转速信号调理模块，其特征在于，所述隔离电路包括光耦芯片U2和三极管Q1，Q1的基极通过电阻R8连接滞环比较电路的输出端以及通过电阻R5连接供电电源，Q1的发射极连接供电电源，Q1的集电极通过电阻R9连接U2的信号输入正端，U2的信号输入负端接公共地，U2的GND引脚接地，U2的输出引脚作为隔离电路的输出地外接发动机控制系统，U2的输出引脚还通过电阻R6接供电电源，U2的Vcc和Ve引脚连接供电电源。

6.根据权利要求5所的转速信号调理模块，其特征在于，所述供电电源包括电源VCC-A以及第一开关式电源隔离转换模块POWER1和第二开关式电源隔离转换模块POWER2，电源VCC-A输入POWER1后产生工作电源+VCC_B、-VCC_B，电源VCC-A输入POWER2后产生工作电源+VCC_C，+VCC_B分别与Q1的发射极以及R5的一端连接，-VCC_B分别与R2、R3以及U1的负电源引脚连接，+VCC_C与R6以及U2的Vcc、Ve引脚连接。

7.根据权利要求5所的转速信号调理模块，其特征在于，所述U2的输出引脚连接有作为对外接口的第一接头，第一接头用于外接发动机控制系统。

8.根据权利要求1至6任一项所的转速信号调理模块，其特征在于，抗雷击电路的信号输入端连接有作为对外接口的第二接头，第二接头用于外接外部传感器信号。