CN113884854A - 一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机健康管理技术领域，具体涉及一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法，利用高阻输出总线驱动电路，将处理器产生的方波信号增加到原有转速、高齿信号调理电路中，实现转速、高齿信号故障检测，并确保在转速、高齿信号采集电路中不影响整个系统采集精度；利用处理器控制方波信号输出频率，模拟转速特征，同时将高齿幅值特征通过频率特征和低通滤波器的结合进行模拟，高阻输出总线驱动电路增加信号驱动能力，同时确保在非故障检测工作状态保持高阻状态，不影响转速、高齿信号采集精度。本发明设计简单、易于实现，抗干扰能力强，可以有效检测转速、高齿信号调理电路故障，且不影响转速、高齿信号采集精度。

Description

一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法

技术领域

本发明属于航空发动机健康管理技术领域，具体涉及一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法。

背景技术

航空发动机健康管理系统中，转子动平衡是一个非常关键的内容，转子动平衡功能中，必须获取转子转速和转子零相位，因此对需要动平衡的转子转速传感器需要输出频率信息和转子零相位信息，本领域目前使用带高齿信息的转速模拟量来实现以上两个要求。

然而，目前尚未有一种故障检测方法，能够既满足转速频率调理故障检测，又满足高齿信号调理故障检测，同时不影响正常工作时频率和高齿相位测量精度。

发明内容

有鉴于此，为了实现背景技术中所描述的故障检测功能，提出一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法，具有高安全性、高可靠性且能够保证调理精度。

为了达到上述技术效果，本发明所采用的具体技术方案为：

一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法，应用于转速和高齿信号调理电路中，隔直模块与滤波模块之间；所述故障检测方法所使用的调理方法为:

使用高阻输出总线驱动电路，使故障检测电路不影响所述转速和高齿信号采集电路的原有转速、高齿信号采集和调理精度；

使用处理器控制所述高阻输出总线驱动电路输出方波信号，依次模拟转速传感器采集的N-1个普通齿和1个高齿的信号；其中高齿信号的峰值大于普通齿峰值的20％；

使用低通滤波器根据所述方波信号中不同频率信号的不同衰减特性，将所述高阻输出总线驱动电路所输出的同幅值不同频率的方波信号转换为真实普通齿信号和真实高齿信号。

进一步的，实现故障检测电路不影响所述转速和高齿信号采集电路的原有转速、高齿信号采集和调理精度的方法具体为：

使用所述高阻输出总线驱动电路，使禁止状态的总线驱动器阻抗大于转速和高齿调理电路的内部阻抗网络100倍以上；

所述故障检测电路的阻抗为交流信号阻抗，所述交流信号阻抗的频率为数字方波电压信号频率；

所述高阻输出总线驱动电路的总线驱动器具有使能控制功能，当进行故障检测时，使能所述总线驱动器，不需要进行故障检测时，禁止所述总线驱动器。

进一步的，模拟转速传感器采集的N-1个普通齿和1个高齿的信号的具体方法为：

当需要故障检测时，所述处理器使能所述高阻总线驱动器，所述处理器输出峰值电压为+3.3V方波信号；所述方波信号每周期依次模拟N-1个普通齿信号和1个高齿信号，频率分别为fc和fc/M。

进一步的，将所述高阻输出总线驱动电路所输出的同幅值不同频率的方波信号转换为真实普通齿信号和真实高齿信号的具体方法为：

将所述fc设置为高齿调理通道低通滤波器的截止频率；将所述M设置为能够使fc/M频率不被所述低通滤波器衰减。

进一步的，所述故障检测方法的实现电路的设置方法包括以下步骤：

步骤1：根据高齿信号调理电路，获取低通滤波器截止频率fc，并计算未衰减频率fc/M；

步骤2：根据所述转速和高齿信号调理电路，讲高阻方波发生器设置到转速调理电路隔直功能模块与滤波模块之间；

步骤3：选择具备使能/禁止功能的高阻总线驱动器，在禁止状态下避免转速传感器正常工作下的输出电压损坏其自身。

采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：

本发明提供一种转速、高齿信号调理电路故障检测方法，利用高阻输出总线驱动电路，将处理器产生的方波信号增加到原有转速、高齿信号调理电路中，实现转速、高齿信号故障检测，并确保在转速、高齿信号采集电路中不影响整个系统采集精度；利用处理器控制方波信号输出频率，模拟转速特征，同时将高齿幅值特征通过频率特征和低通滤波器的结合进行模拟，高阻输出总线驱动电路增加信号驱动能力，同时确保在非故障检测工作状态保持高阻状态，不影响转速、高齿信号采集精度。本发明设计简单、易于实现，抗干扰能力强，可以有效检测转速、高齿信号调理电路故障，且不影响转速、高齿信号采集精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明具体实施方式中，转速和高齿信号调理电路的模块化示意图；

图2为本发明具体实施方式中，一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法的实现电路原理图；

图3为本发明具体实施方式中，理想状态下凹/凸齿转速计的波形图；

图4为本发明具体实施方式中，方波信号和模拟高齿信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

在本发明的一个实施例中，提出一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法，如图1所示，应用于转速和高齿信号调理电路中，隔直模块与滤波模块之间；参阅图2，所述故障检测方法所使用的调理方法为:

使用高阻输出总线驱动电路，使故障检测电路不影响所述转速和高齿信号采集电路的原有转速、高齿信号采集和调理精度；

使用处理器控制所述高阻输出总线驱动电路输出方波信号(如图3所示)，依次模拟转速传感器采集的N-1个普通齿和1个高齿的信号(如图4所示)；其中高齿信号的峰值大于普通齿峰值的20％；

使用低通滤波器根据所述方波信号中不同频率信号的不同衰减特性，将所述高阻输出总线驱动电路所输出的同幅值不同频率的方波信号转换为真实普通齿信号和真实高齿信号。

在本实施例中，如图2所示，实现故障检测电路不影响所述转速和高齿信号采集电路的原有转速、高齿信号采集和调理精度的方法具体为：

使用所述高阻输出总线驱动电路，使禁止状态的总线驱动器阻抗大于转速和高齿调理电路的内部阻抗网络100倍以上；

所述故障检测电路的阻抗为交流信号阻抗，所述交流信号阻抗的频率为数字方波电压信号频率；

所述高阻输出总线驱动电路的总线驱动器具有使能控制功能，当进行故障检测时，使能所述总线驱动器，不需要进行故障检测时，禁止所述总线驱动器。

在本实施例中，如图2所示，模拟转速传感器采集的N-1个普通齿和1个高齿的信号的具体方法为：

当需要故障检测时，所述处理器使能所述高阻总线驱动器，所述处理器输出峰值电压为+3.3V方波信号；所述方波信号每周期依次模拟N-1个普通齿信号和1个高齿信号，频率分别为fc和fc/M。

在本实施例中，如图2所示，将所述高阻输出总线驱动电路所输出的同幅值不同频率的方波信号转换为真实普通齿信号和真实高齿信号的具体方法为：

将所述fc设置为高齿调理通道低通滤波器的截止频率；将所述M设置为能够使fc/M频率不被所述低通滤波器衰减。

在本实施例中，所述故障检测方法的实现电路的设置方法包括以下步骤：

步骤1：根据高齿信号调理电路，获取低通滤波器截止频率fc，并计算未衰减频率fc/M；

步骤2：根据所述转速和高齿信号调理电路，讲高阻方波发生器设置到转速调理电路隔直功能模块与滤波模块之间；

步骤3：选择具备使能/禁止功能的高阻总线驱动器，在禁止状态下避免转速传感器正常工作下的输出电压损坏其自身；

根据所述转速传感器的转速值，判断所述转速传感器是否正常工作，如是处理器控制总线驱动器进入禁止状态，如否处理器控制总线驱动器进入使能状态。

本实施例中，当不需要故障检测时，禁止“高阻方波发生器”，此时，转速、高齿传感器产生转速信号，由于高阻方波发生器处于禁止状态，在禁止状态下表现为高阻，因此，传感器输出信号进入后端转速信号调理和高齿信号调理，不受高阻态的方波发生器影响，并转换为对应的频率值和相位值，此频率值和相位值进入处理器进行计算、分析功能；

当产品上电且转速传感器输出无频率值时(对于发动机而言是指“发动机未启动时”，无频率值是指转速值频率低于频率获取最小值)，可进行故障检测，此时，使能“高阻方波发生器”，方波发生器产生方波信号(如图4中方波信号)，其中方波信号峰值电压为+3.3V，假设音轮1圈有N个齿，高齿调理通道低通滤波器截止频率为fc，选择方波信号中N-1个频率为fc，模拟高齿的方波频率为fc/M，M值为确保fc/M频率为低通滤波器未衰减频率，并输入到后端频率调理电路和高齿调理电路，(其中在转速调理电路中方波信号频率值不变，在高齿调理电路中，N-1个齿频率为fc，通过低通滤波器后，+3.3V峰值衰减到0.707*3.3V左右，而高齿频率为fc/M，通过低通滤波器后，+3.3V峰值不变，如图4中信号)，然后进入频率计算逻辑和高齿捕获逻辑中，计算转速频率和高齿相位，而后可以根据产生的方波信号频率、相位结合采集到的的频率和相位判定调理电路和逻辑正确性，其中音轮旋转一圈频率fso根据公式1/fso＝1/(fc/M)+(N-1)/fc计算，进而实现故障检测功能。

当转速传感器输出有较大信号时(发动机工作中，有转速信号产生)，不宜使用此方法进行故障检测功能，因为此时的转速信号为传感器输出电压与方波发生器输出电压信号的矢量叠加。

本实施例利用已有的低通滤波器对不同频率幅值的不同衰减特性，产生高齿信号。

如图1所示，本实施例中的电阻R0_1、R0_2、方波信号源、高阻总线驱动器SN74LVC1G125之间的具体连接方式为：R0_1、R0_2一端分别连接隔直电容C1_1、C1_2和R1_1、R1_2，另一端分别连接2片SN74LVC1G125的输出管脚，R0_1＝R0_2＝R1_1，CPU控制SN74LVC1G125芯片使能引脚，CPU控制方波信号频率。

具体工作原理为：当不需要故障检测时，CPU输出“高”，禁止“SN74LVC1G125”输出，此时，转速、高齿传感器产生转速信号，由于SN74LVC1G125处于禁止状态，在禁止状态下表现为高阻，因此，传感器输出信号进入后端转速信号调理和高齿信号调理，不受SN74LVC1G125影响，并转换为对应的频率值和相位值，此频率值和相位值进入处理器进行计算、分析功能。

当产品上电且转速传感器输出无频率值时(对于发动机而言是指“发动机未启动时”，无频率值是指转速值频率低于频率获取最小值)，可进行故障检测，此时，CPU输出“低”，使能“SN74LVC1G125”输出，CPU输出方波信号1和方波信号2(如图4、图1中方波信号，其中方波信号1与方波信号2相位差为180°)，方波信号峰值电压为+3.3V，本实施例中的音轮1圈有N＝30个齿，高齿调理通道低通滤波器(运放、电阻R10、电阻R11、电容C3、电容C4构成的二阶有源低通滤波器)截止频率为fc≈1000Hz，模拟普通齿的方波信号N-1＝29个频率为fc＝1000Hz，模拟高齿的方波频率为fc/M，其中M＝3，确保fc/M≈333Hz频率为低通滤波器未衰减频率，并输入到后端频率调理电路和高齿调理电路，(其中在转速调理电路中方波信号频率值不变，在高齿调理电路中，普通齿N-1＝29个频率为fc＝1000Hz，通过低通滤波器后，+3.3V峰值衰减到0.707*3.3V左右，而高齿频率为fc/M≈333Hz，通过低通滤波器后，+3.3V峰值不变，如图4中信号，这样实现了高齿信号幅值大于普通齿幅值20％以上)，然后进入频率计算逻辑和高齿捕获逻辑中，计算转速频率和高齿相位，而后可以根据产生的方波信号频率、相位结合采集到的的频率和相位判定调理电路和逻辑正确性，其中音轮旋转一圈频率fso根据公式1/fso＝1/(fc/M)+(N-1)/fc计算，进而实现故障检测功能。

当转速传感器输出有较大信号时(发动机工作中，有转速信号产生)，不宜使用此方法进行故障检测功能，因为此时的转速信号为传感器输出电压与方波发生器输出电压信号的矢量叠加。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种转速和高齿信号调理电路故障检测方法，应用于转速和高齿信号调理电路中，隔直模块与滤波模块之间；其特征在于，

所述故障检测方法所使用的调理方法为:

使用高阻输出总线驱动电路，使故障检测电路不影响所述转速和高齿信号采集电路的原有转速、高齿信号采集和调理精度；

使用处理器控制所述高阻输出总线驱动电路输出方波信号，依次模拟转速传感器采集的N-1个普通齿和1个高齿的信号；其中高齿信号的峰值大于普通齿峰值的20％；

使用低通滤波器根据所述方波信号中不同频率信号的不同衰减特性，将所述高阻输出总线驱动电路所输出的同幅值不同频率的方波信号转换为真实普通齿信号和真实高齿信号。

2.根据权利要求1所述的电路故障检测方法，其特征在于，

实现故障检测电路不影响所述转速和高齿信号采集电路的原有转速、高齿信号采集和调理精度的方法具体为：

使用所述高阻输出总线驱动电路，使禁止状态的总线驱动器阻抗大于转速和高齿调理电路的内部阻抗网络100倍以上；

所述故障检测电路的阻抗为交流信号阻抗，所述交流信号阻抗的频率为数字方波电压信号频率；

所述高阻输出总线驱动电路的总线驱动器具有使能控制功能，当进行故障检测时，使能所述总线驱动器，不需要进行故障检测时，禁止所述总线驱动器。

3.根据权利要求1所述的电路故障检测方法，其特征在于，

模拟转速传感器采集的N-1个普通齿和1个高齿的信号的具体方法为：

当需要故障检测时，所述处理器使能所述高阻总线驱动器，所述处理器输出峰值电压为+3.3V方波信号；所述方波信号每周期依次模拟N-1个普通齿信号和1个高齿信号，频率分别为fc和fc/M。

4.根据权利要求3所述的电路故障检测方法，其特征在于，

将所述高阻输出总线驱动电路所输出的同幅值不同频率的方波信号转换为真实普通齿信号和真实高齿信号的具体方法为：

将所述fc设置为高齿调理通道低通滤波器的截止频率；将所述M设置为能够使fc/M频率不被所述低通滤波器衰减。

5.根据权利要求1-4之任一项所述的故障检测方法，其特征在于，所述故障检测方法的实现电路的方法包括以下步骤：

步骤1：根据高齿信号调理电路，获取低通滤波器截止频率fc，并计算未衰减频率fc/M；

步骤2：根据所述转速和高齿信号调理电路，讲高阻方波发生器设置到转速调理电路隔直功能模块与滤波模块之间；

步骤3：选择具备使能/禁止功能的高阻总线驱动器，在禁止状态下避免转速传感器正常工作下的输出电压损坏其自身。

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