CN105005208B - 一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，其利用安装在工控机上的PCI板卡在步骤A的特定转速时的发动机叶片一个旋转周期的时间内发出高‑低‑高‑低‑高‑低‑高‑低八个电平数据来模拟所述航空发动机的扭矩传感器信号；按照公式所述低电平的持续时间的变化量＝K*(所述空心轴的偏转角度/90)*(发动机叶片旋转周期/4)获得所述低电平的持续时间的变化量，调整所述低电平的持续时间从而获得所需的所述航空发动机的扭矩传感器信号。本发明所提供的一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，不需额外的模块电路，节省了资源，信号模拟简洁高效，控制精度高，从而有效的提高了模拟信号的实时性和精度。

Description

一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法

技术领域

本发明涉及航空发动机电子控制器测试与仿真领域，尤其涉及一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法。

背景技术

在航空发动机，例如涡桨发动机上，通常使用高速磁电式传感器作为扭矩传感器，图1为一种扭矩传感器空载时的原理示意图，图2为图1所示的扭矩传感器有负载时的原理示意图，参见图1-2所示，在涡桨发动机上通常包括一个设置有两个励磁齿的空心轴1和一个设置有两个励磁齿的基准轴2，扭矩传感器3在发动机中的任务是将所述空心轴1和所述基准轴2的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产生感生电势。每一个励磁齿对应一个近似正弦波信号周期，由于所述空心轴1和所述基准轴2各有两个励磁齿，因此发动机叶片旋转一周便有四个近似正弦波信号周期，图3为图1所示的扭矩传感器的信号示意图，图4为图2所示的扭矩传感器的信号示意图，参见图3-4所示，测量仪器通常会将传感器采集的近似正弦波信号转换为固定脉宽的脉冲信号(在航空发动机领域，该脉冲信号的脉宽是一指定值)，测量仪器通过检测传感器在发动机叶片一个旋转周期t内的四个信号的时间间隔，通过运算便可确定所述空心轴1的偏转角θ，也即是可确定所述空心轴1和所述基准轴2间的角度，进而确定发动机的扭矩或功率。

航空发动机扭矩传感器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信号，然而扭矩传感器信号是用传统的信号发生器无法模拟的信号。目前，工程上为了模拟航空发动机的扭矩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，缩比物理模拟法使用扭矩缩比的转速/扭矩传感器，通过电机驱动其旋转产生扭矩信号，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两路频率信号发生器通过一个加法器合成得到扭矩信号，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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，所述扭矩传感器为高速磁电式传感器，所述航空发动机包括一个设置有两个励磁齿的空心轴和一个设置有两个励磁齿的基准轴，其包括如下步骤：

步骤A，根据所述航空发动机参数计算在特定转速的空载情况下发动机叶片一个旋转周期内的所述空心轴和所述基准轴的励磁齿所产生的四个信号的时间间隔，同时计算在有负载时，发动机叶片一个旋转周期内的所述空心轴和所述基准轴的励磁齿所产生的四个所述信号的时间间隔的变化与所述空心轴的偏转角的关系，进一步获得四个所述信号的时间间隔的变化与所述航空发动机的扭矩的关系；

步骤B，用高电平的固定持续时间表示步骤A中所述信号的时间长短，用低电平的持续时间表示步骤A中所述信号的时间间隔，利用安装在工控机上的PCI板卡在步骤A的特定转速时的发动机叶片一个旋转周期的时间内发出高-低-高-低-高-低-高-低八个电平数据来模拟所述航空发动机的扭矩传感器信号；

步骤C，根据步骤A的计算结果，按照所需模拟的所述航空发动机的扭矩数据确定所述空心轴的偏转角，按照公式

所述低电平的持续时间的变化量＝K*(所述空心轴的偏转角度/90)*(发动机叶片旋转周期/4)

上式中，0.86<K<1.12，

获得所述低电平的持续时间的变化量，并调整步骤B的所述低电平的持续时间从而获得所需的所述航空发动机的扭矩传感器信号。

优选地，步骤B中的所述低电平为-0.1～-1.0V。

优选地，步骤B中的所述工控机为发动机仿真模型计算机，所述PCI板卡为PCI-783xR多功能板卡。

本发明提供了一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，采用工控机和PCI-783xR多功能板卡实现了扭矩传感器信号的模拟，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，控制精度高，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。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为一种扭矩传感器空载时的原理示意图；

图2为图1所示的扭矩传感器有负载时的原理示意图；

图3为图1所示的扭矩传感器的信号示意图；

图4为图2所示的扭矩传感器的信号示意图；

图5为根据本发明的一个具体实施例的一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法的电平信号的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

图1为一种扭矩传感器空载时的原理示意图；图2为图1所示的扭矩传感器有负载时的原理示意图；参见图1、2所示，下面以背景技术中所提及的扭矩传感器为例说明本发明所提供的一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法。

图3为图1所示的扭矩传感器的信号示意图；图4为图2所示的扭矩传感器的信号示意图；图5为根据本发明的一个具体实施例的一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法的电平信号的示意图。图5中，横轴表示时间，纵轴表示电压，参见图1-5所示，本发明提出了一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，所述扭矩传感器3为高速磁电式传感器，所述航空发动机包括一个设置有两个励磁齿的空心轴1和一个设置有两个励磁齿的基准轴2，其包括如下步骤：

步骤A，根据所述航空发动机参数计算在特定转速的空载情况下发动机叶片一个旋转周期t内的所述空心轴1和所述基准轴2的励磁齿所产生的四个信号的时间间隔，同时计算在有负载时，发动机叶片一个旋转周期内的所述空心轴1和所述基准轴2的励磁齿所产生的四个所述信号的时间间隔的变化与所述空心轴1的偏转角θ的关系，进一步获得四个所述信号的时间间隔的变化与所述航空发动机的扭矩的关系；

本步骤中的数据可利用发动机仿真软件计算获得，所述发动机仿真软件可安装在工控机上，也就是说，可设置一台发动机仿真模型计算机用于计算获得本步骤中的数据。

步骤B，用高电平的固定持续时间表示步骤A中所述信号的时间长短，用低电平的持续时间表示步骤A中所述信号的时间间隔，利用安装在工控机上的PCI板卡在步骤A的特定转速时的发动机叶片一个旋转周期t的时间内发出高-低-高-低-高-低-高-低八个电平数据来模拟所述航空发动机的扭矩传感器信号；

参见图3-5所示，本发明的技术核心之一就是用高电平的固定持续时间来表示所述空心轴1和所述基准轴2的励磁齿所产生的脉冲信号，参见背景技术所述，在航空发动机领域，传感器的近似正弦波信号会被转换为固定脉宽的脉冲信号，因此，在不同的特定转速下，高电平的固定持续时间也都是一致不变的。用低电平来表示上述脉冲信号之间的时间间隔，这样就很容易做到对信号时间的精确控制，而通过安装在工控机上的PCI板卡直接发送电平信号由能够不需额外的模块电路，从而节省了资源，信号模拟简洁高效。所述PCT板卡可以是采用美国国家仪器有限公司(NI)的系列PCI板卡。

步骤C，根据步骤A的计算结果，按照所需模拟的所述航空发动机的扭矩数据确定所述空心轴1的偏转角θ，按照公式

所述低电平的持续时间的变化量Δt＝K*(所述空心轴的偏转角度θ/90)*(发动机叶片旋转周期t/4)

上式中，0.86<K<1.12，

获得所述低电平的持续时间的变化量，并调整步骤B的所述低电平的持续时间从而获得所需的所述航空发动机的扭矩传感器信号。

0.86<K<1.12，这样可调整抵消转速对脉冲宽度的影响。例如：

可将发动机转速为0时，K取0.86，发动机转速为14000rpm时，K取1.12，这样就可以再发动机转速在0-14000rpm的区间获得K取值的线性曲线，从而可获知当步骤A的特定速度在0-14000之间时，其对应的K值。

下面用一个具体实例来说明本发明所提供的方法，

所述工控机为发动机仿真模型计算机，所述PCI板卡为美国国家仪器有限公司(NI)的PCI-783xR多功能板卡，将PCI-783xR多功能板卡安装在发动机模型计算机的PCI卡槽上，将发动机电子控制器分别与PCI-783xR多功能板卡和发动机模型计算机连接。

首先，在发动机模型计算机上，根据发动机的设计参数计算在特定转速的空载情况下发动机叶片一个旋转周期t内的所述空心轴1和所述基准轴2的励磁齿所产生的四个信号的时间间隔，同时计算在有负载时，发动机叶片一个旋转周期内的所述空心轴1和所述基准轴2的励磁齿所产生的四个所述信号的时间间隔的变化与所述空心轴1的偏转角θ的关系，进一步获得四个所述信号的时间间隔的变化与所述航空发动机的扭矩的关系。

然后发动机模型计算机调用PCI-783xR多功能板卡的驱动程序控制PCI-783xR多功能板卡向发动机电子控制器发送每个发动机叶片一个旋转周期t的时间内高-低-高-低-高-低-高-低八个电平数据实现扭矩模拟信号的输出。

当需要更改扭矩模拟信号时，发动机电子控制器向发动机模型计算机发出指令，发动机模型计算机按照所需模拟的所述航空发动机的扭矩数据确定所述空心轴1的偏转角θ，然后根据公式

所述低电平的持续时间的变化量Δt＝K*(所述空心轴的偏转角度θ/90)*(发动机叶片旋转周期t/4)，其中0.86<K<1.12，

来调用PCI-783xR多功能板卡的驱动程序控制PCI-783xR多功能板卡来发送调整了所述低电平的持续时间的每个发动机叶片一个旋转周期t的时间内高-低-高-低-高-低-高-低八个电平数据实现扭矩模拟信号的输出。

为了消除发动机模型计算机和PCI-783xR多功能板卡自身电路可能带来的干扰，所述低电平取值为-0.1～-1.0V。

本发明提供了一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，采用工控机和PCI-783xR多功能板卡实现了扭矩传感器信号的模拟，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，控制精度高，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。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种航空发动机扭矩传感器信号模拟方法，所述扭矩传感器为高速磁电式传感器，所述航空发动机包括一个设置有两个励磁齿的空心轴和一个设置有两个励磁齿的基准轴，其包括如下步骤：

步骤A，根据所述航空发动机参数计算在特定转速的空载情况下发动机叶片一个旋转周期内的所述空心轴和所述基准轴的励磁齿所产生的四个信号的时间间隔，同时计算在有负载时，发动机叶片一个旋转周期内的所述空心轴和所述基准轴的励磁齿所产生的四个所述信号的时间间隔的变化与所述空心轴的偏转角的关系，进一步获得四个所述信号的时间间隔的变化与所述航空发动机的扭矩的关系；

步骤B，用高电平的固定持续时间表示步骤A中所述信号的时间长短，用低电平的持续时间表示步骤A中所述信号的时间间隔，利用安装在工控机上的PCI板卡在步骤A的特定转速时的发动机叶片一个旋转周期的时间内发出高-低-高-低-高-低-高-低八个电平数据来模拟所述航空发动机的扭矩传感器信号；

步骤C，根据步骤A的计算结果，按照所需模拟的所述航空发动机的扭矩数据确定所述空心轴的偏转角，按照公式

所述低电平的持续时间的变化量=K*(所述空心轴的偏转角度/90)*(发动机叶片旋转周期/4)

上式中，0.86<K<1.12，发动机转速为0时，K取0.86，发动机转速为14000rpm时，K取1.12；

获得所述低电平的持续时间的变化量，并调整步骤B的所述低电平的持续时间从而获得所需的所述航空发动机的扭矩传感器信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中的所述低电平取值为-0.1~-1.0V。

3.如权利要求1、2之一所述的方法，其特征在于，步骤B中的所述工控机为发动机仿真模型计算机，所述PCI板卡为PCI-783xR多功能板卡。