CN105424966A - 一种发动机转速测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种发动机转速测量电路及方法，由两个独立转速传感器同时对发动机转速进行采集，每一路转速传感器输出信号又分别通过高、低阈值两种非相似余度调理电路进行调理输出方波信号，以供频率测量装置采集，通过表决得出最终的发动机转速。本发明具备精度高、抗干扰能力强和可靠性高的特点，可应用于飞行包线宽、使用环境复杂的航空发动机转速检测系统中。

Description

一种发动机转速测量电路及方法

技术领域：

本发明属于旋转机械转速监控领域，具体涉及一种旋转机械转速测量电路及方法。

背景技术：

转速是评价发动机性能、试车过程监控、数据系统设计的一个极其重要的参数,也是发动机常用被控量。在发动机控制系统中，经常要涉及到对发动机转速的测量，并且控制系统对转速测量的精确性要求很高，转速的精确、实时测量对保障发动机的正常运行和安全具有重要意义。

实际上，发动机转速传感器输出的信号比较复杂，甚至出现奇异波形。这样的波形不能满足转速检测系统高可靠、高精度的测量要求，因此必须对转速传感器输出信号进行预先调理，将其转换为频率与原信号相同，且电压范围满足一定要求的方波信号。

发明内容：

本发明提供一种精确、高可靠性的发动机转速测量电路电路及其实现方法。

本发明的技术方案如下：

一种发动机转速测量电路，采用两个独立转速传感器同时采集发动机转速，每一路转速传感器输出信号分别进入两路滞回阈值不同的调理电路，输出与发动机转子频率相同的方波信号，送入频率检测及表决系统，得出最终发动机转速；

其中，调理电路包括差分放大电路和滞回比较电路；每一路转速传感器输出的信号经差分对称结构分别接至差分放大电路的正输入端和负输入端，正输入端还加入直流电压U°偏置；所述滞回比较电路包括电压比较器、正反馈电阻和正输入端的限流电阻，电压比较器负输入端也接直流电压U°，滞回比较电路的滞回阈值由所述正反馈电阻和限流电阻确定。

对应于上述两路转速传感器的两组滞回比较电路，设置相同的高滞回阈值和低滞回阈值。

可通过配置正反馈电阻和正输入端的限流电阻的不同比例值来设置调理电路的阈值。当转速传感器输出信号为可检测出的标准正弦波且滞回比较电路输出高电平电压为2U°时，滞回比较电路输出占空比为50％的方波信号。

上述调理电路中在差分放大电路之前，最好再设置有具有差分对称结构的带通滤波电路以及相应的限幅电路。

上述限幅电路可采用双二极管反向并联的结构。

应用上述发动机转速测量电路进行转速测量方法，工作过程如下：

步骤1：转速传感器输出正弦波信号，经过隔直和滤除高频噪声以及限幅处理，接入差分放大电路；

步骤2：差分放大电路输出以直流电压偏置U°为基准、幅值经过放大的非标准正弦波信号；

步骤3：差分放大电路输出信号接入滞回比较电路，滞回阈值通过正输入端的限流电阻和正反馈电阻调节；

当差分放大电路输出信号变大导致电压比较器正输入端电压大于负输入端电压时，滞回比较电路输出高电平；当差分放大电路输出信号变小导致电压比较器正输入端电压小于负输入端电压时，滞回比较电路输出低电平；

步骤4：将两组共计四路滞回比较电路的输出信号送入频率检测及表决系统，对这四路频率值进行表决，选择其中最大值作为其最终转速。

其中，在表决前，应根据频率值之间的相互关系进行这四路转速信号的有效性判断。

上述有效性判断是根据四路频率值的相互关系来确定调理电路是否发生了故障，设第一转速传感器对应的高阈值、低阈值调理电路的输出信号分别为SPEED11、SPEED12，第二转速传感器对应的高阈值、低阈值调理电路的输出信号分别为SPEED21、SPEED22；则具体判断方式如下：

(7)若|SPEED11-SPEED12|≥N₀且|SPEED11-SPEED21|≥N₀，则置SPEED11调理电路故障标志，并令SPEED11＝0；

(8)若|SPEED12-SPEED11|≥N₀且|SPEED12-SPEED22|≥N₀，则置SPEED12调理电路故障标志，并令SPEED12＝0；

(9)若|SPEED21-SPEED22|≥N₀且|SPEED21-SPEED11|≥N₀，则置SPEED21调理电路故障标志，并令SPEED21＝0；

(10)若|SPEED22-SPEED21|≥N₀且|SPEED22-SPEED12|≥N₀，则置SPEED22调理电路故障标志，并令SPEED22＝0；

(11)若SPEED11和SPEED12调理调理电路均故障，则系统报第一转速传感器故障；

(12)若SPEED21和SPEED22调理调理电路均故障，则系统报第二转速传感器故障；

其中，N₀是根据发动机正常工作状态下的转速变化率设定的常数。

本发明具有以下技术效果：

由两个独立转速传感器同时对旋转机械转速进行检测，实现了双相似余度设计，同时采用了高、低阈值两种非相似余度调理电路对转速传感器输出信号进行调理。采用了相似余度和非相似余度相结合的方案，增加了发动机转速监控的精确性和可靠性，且通过对比四路频率信号的采集结果可判断调理电路或者传感器是否有故障，实现故障隔离。只有当四路调理电路或两路转速传感器同时故障才会导致转速采集结果错误，与采用单余度设计的测速系统相比，可大大提高转速测量的可靠性。

本发明可用于航空发动机控制系统中，系统运行稳定可靠，能够实现转速的快速准确控制，并能够实现调理电路和转速传感器的故障隔离。

附图说明

图1是本发明一种发动机转速测量电路及方法的功能原理框图；

图2是本发明一种可调节阈值的转速传感器调理电路原理框图；

图3是本发明一种可调节阈值转速传感器调理电路硬件原理图；图3中，电容C1_1和C1_2的容值相等，电阻R1_1和R1_2的阻值相等，电阻R2_1和R2_2的阻值相等。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，对某型发动机转速进行采集，要求采集的频率范围为(89Hz～10000Hz)：

该测量系统功能原理图如图1所示，该系统主要包括两个转速传感器、四路转速传感器信号调理电路(其中包含高阈值调理电路和低阈值调理电路)和频率测量及表决方法。

所述转速传感器信号调理电路功能原理图如图2所示，硬件原理图如图3所示，该电路主要包括带通滤波电路、限幅电路、差分放大电路以及滞回比较电路，其中C1_1和C2_2的电容值均为C1，R1_1和R1_2电阻值均为R1，R2_1和R2_2的电阻值均为R2。。

所述带通滤波电路两输入端与转速传感器连接，输出端与限幅电路连接，带通滤波电路采用了对称差分形式，通过理论推导可得到带通频率范围，可通过选取不同电阻R1、R2、C1和C2的值来设置带通滤波频率范围。本例中高阈值调理电路中R1＝25KΩ,R2＝10KΩ,C1＝470nF,C2＝1nF,此时可得带通滤波频率范围为9.67Hz～11.1KHz；低阈值调理电路中R1＝5KΩ,R2＝10KΩ,C1＝470nF,C2＝2.2nF,此时可得带通滤波频率范围为22.5Hz～10.8KHz；由此可见，高阈值调理电路和低阈值调理电路均可实现隔直和高频滤波的功能。

所示限幅电路与带通滤波电路的输出端连接，限幅电路采用了两硅二极管反向并联的结构，当转速传感器信号幅值过高时，限幅电路会将幅值限制在0.7V。

所述差分比例放大电路正输入端与电压基准U°相连，本例中选择U°＝2.5V，通过选择比例电阻R2阻值为10KΩ、R3阻值为30KΩ，可得到差分放大比例值为3。此时，差分放大电路输出以2.5V为基准，频率与输入信号相同，幅值是输入信号3倍的非标准正弦波信号。

所述滞回比较电路包括一个电压比较器、一个正反馈电阻和正输入端的限流电阻，其中电压比较器负输入端需接入恒定直流电压基准源2.5V，当转速传感器输出信号为可检测出的标准正弦波且滞回比较电路输出高电平的电压为2U°,即+5V时，滞回比较电路输出占空比为50％的方波信号。可通过理论计算得调理电路的阈值为本例中高阈值调理电路中R5＝7.5K，R6＝30K，此时阈值电压为低阈值调理电路中R5＝5K，R6＝30K，此时阈值电压为 $\frac{5}{30}*2.5V=0.417V;$

本发明基于高低阈值转速传感器调理电路的发动机转速表决方法具体过程如下：

步骤1：系统对采集到的四路转速信号进行有效性判断，首先根据四路频率值的相互关系来确定调理电路是否发生了故障。具体如下：

(1)若|SPEED11-SPEED12|≥300Hz且|SPEED11-SPEED21|≥300Hz，则置SPEED11调理电路故障状态标志，并令SPEED11＝0Hz；

(2)若|SPEED12-SPEED11|≥300Hz且|SPEED12-SPEED22|≥300Hz，则置SPEED12调理电路故障状态标志，并令SPEED12＝0Hz；

(3)若|SPEED21-SPEED22|≥300Hz且|SPEED21-SPEED11|≥300Hz，则置SPEED21调理电路故障状态标志，并令SPEED21＝0Hz；

(4)若|SPEED22-SPEED21|≥300Hz且|SPEED22-SPEED12|≥300Hz，则置SPEED22调理电路故障状态标志，并令SPEED22＝0Hz；

(5)若SPEED11和SPEED12调理电路均故障，则系统报转速传感器1故障；

(6)若SPEED21和SPEED22调理电路均故障，则系统报转速传感器2故障；

步骤2：SPEED11和SPEED21均是经高阈值调理电路形成的方波信号，而SPEED12和SPEED22是由低阈值调理电路形成的方波信号，由于转速较低时传感器来的脉冲幅值小，容易被漏检，则当转速小于3000Hz时，进行转速表决要考虑低阈值调理电路的输出SPEED12与SPEED22，即选择SPEED11、SPEED12、SPEED21和SPEED22的最大值作为其最终转速；而当转速大于3000Hz时，进行转速表决只需考虑高阈值电路的结果即可，即SPEED11、SPEED21的最大值作为其最终转速。

本发明已试用于某型发动机的控制系统中，经过各种系统试验验证和装机验证，系统运行稳定可靠，能够实现转速的快速准确监控，并能够实现调理电路和转速传感器的故障隔离。

Claims (7)

1.一种发动机转速测量电路，其特征在于：采用两个独立转速传感器同时采集发动机转速，每一路转速传感器输出信号分别进入两路滞回阈值不同的调理电路，输出与发动机转子频率相同的方波信号，送入频率检测及表决系统，得出最终发动机转速；

其中，调理电路包括差分放大电路和滞回比较电路；每一路转速传感器输出的信号经差分对称结构分别接至差分放大电路的正输入端和负输入端，正输入端还加入直流电压U°偏置；所述滞回比较电路包括电压比较器、正反馈电阻和正输入端的限流电阻，电压比较器负输入端也接直流电压U°，滞回比较电路的滞回阈值由所述正反馈电阻和限流电阻确定。

2.根据权利要求1所述的发动机转速测量电路，其特征在于：对应于两路转速传感器的两组滞回比较电路，设置相同的高滞回阈值和低滞回阈值。

3.根据权利要求1所述的发动机转速测量电路，其特征在于：所述调理电路中在差分放大电路之前，还设置有具有差分对称结构的带通滤波电路以及相应的限幅电路。

4.根据权利要求3所述的发动机转速测量电路，其特征在于：所述限幅电路采用双二极管反向并联的结构。

5.一种发动机转速测量方法，其特征在于：基于权利要求1所述发动机转速测量电路，工作过程如下：

步骤1：转速传感器输出正弦波信号，经过隔直和滤除高频噪声以及限幅处理，接入差分放大电路；

步骤2：差分放大电路输出以直流电压偏置U°为基准、幅值经过放大的非标准正弦波信号；

步骤3：差分放大电路输出信号接入滞回比较电路，滞回阈值通过正输入端的限流电阻和正反馈电阻调节；

当差分放大电路输出信号变大导致电压比较器正输入端电压大于负输入端电压时，滞回比较电路输出高电平；当差分放大电路输出信号变小导致电压比较器正输入端电压小于负输入端电压时，滞回比较电路输出低电平；

步骤4：将两组共计四路滞回比较电路的输出信号送入频率检测及表决系统，对这四路频率值进行表决，选择其中最大值作为其最终转速。

6.根据权利要求5所述的发动机转速测量方法，其特征在于：在表决前，应根据频率值之间的相互关系进行这四路转速信号的有效性判断。

7.根据权利要求6所述的发动机转速测量方法，其特征在于：所述有效性判断是根据四路频率值的相互关系来确定调理电路是否发生了故障，设第一转速传感器对应的高阈值、低阈值调理电路的输出信号分别为SPEED11、SPEED12，第二转速传感器对应的高阈值、低阈值调理电路的输出信号分别为SPEED21、SPEED22；则具体判断方式如下：

(1)若|SPEED11-SPEED12|≥N₀且|SPEED11-SPEED21|≥N₀，则置SPEED11调理电路故障标志，并令SPEED11＝0；

(2)若|SPEED12-SPEED11|≥N₀且|SPEED12-SPEED22|≥N₀，则置SPEED12调理电路故障标志，并令SPEED12＝0；

(3)若|SPEED21-SPEED22|≥N₀且|SPEED21-SPEED11|≥N₀，则置SPEED21调理电路故障标志，并令SPEED21＝0；

(4)若|SPEED22-SPEED21|≥N₀且|SPEED22-SPEED12|≥N₀，则置SPEED22调理电路故障标志，并令SPEED22＝0；

(5)若SPEED11和SPEED12调理调理电路均故障，则系统报第一转速传感器故障；

(6)若SPEED21和SPEED22调理调理电路均故障，则系统报第二转速传感器故障；

其中，N₀是根据发动机正常工作状态下的转速变化率设定的常数。