CN116087551A - 一种航空发动机转速自适应动态测量方法 - Google Patents

一种航空发动机转速自适应动态测量方法 Download PDF

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潘慕绚
吴明
张凌峰
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    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
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Abstract

本发明公开一种航空发动机转速自适应动态测量方法，包括：转速信号经过信号处理后，送至可编程逻辑器件；可编程逻辑器件在被测转速信号的前半个周期时间窗口内，对系统时钟的完整脉冲计数并保存计数值N0；依据计数值N0，采用自适应动态寻优方法，确定门控时间与被测转速信号周期之间的倍数m；可编程逻辑器件在m个被测转速信号周期的时间窗口内，对系统时钟的完整脉冲计数并保存计数值N1；CPU通过总线访问可编程逻辑器件并读取计数值N1，根据系统时钟频率，确定门控时间Tw的大小；根据门控时间、音轮齿数计算发动机转速。本发明可实现转速的自适应动态测量，因此转速适用范围广，且利用可编程逻辑器件采集转速、CPU计算转速，系统响应快，测量精度高，可靠性好。

Description

一种航空发动机转速自适应动态测量方法
技术领域
本发明涉及一种航空发动机转速自适应动态测量方法，其属于航空发动机控制领域。
背景技术
转速是航空发动机中极为重要的物理量，表征了发动机的推力及工作稳定性等信息，对其进行精确及可靠地采集是保证发动机安全可靠工作的基本要求。目前常用的转速测量方法包括周期测量法和频率测量法两种，但由于周期测量法不适用于高转速情况，频率测量法不适用于低转速情况，同时航空发动机转速范围广、变化快，因此上述两种方法不能满足航空发动机分布式控制系统对转速高精度、快速测量的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种航空发动机转速自适应动态测量方法，相比较于传统的转速测量方法，本发明方法在高、低转速下均具备采集精度高、响应速度快、灵活性高等优点。
本发明采用如下技术方案：
一种航空发动机转速自适应动态测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤A、转速信号经过信号处理电路调理后，送给可编程逻辑器件；
步骤A所述的转速信号经过信号处理电路调理后，由正弦信号变为频率相同的标准方波信号，再送给可编程逻辑器件。
步骤B、可编程逻辑器件在被测转速信号的前半个周期时间窗口内，对系统时钟的完整脉冲计数并保存计数值，记为N0；
进一步的，步骤B包括：
a.利用系统时钟和复位寄存器产生系统复位信号，复位期间可编程逻辑端内所有数据寄存器清零，并保持可读不可写状态；
b.利用系统时钟和置数寄存器产生系统置数信号，系统跳出复位状态，可编程逻辑端内所有数据寄存器变为可读可写状态；
c.在被测转速信号的前半个周期时间窗口内，用计数器对可编程逻辑内系统时钟的完整脉冲计数，并将计数器的结果保存到时钟计数寄存器0中，记为N0。
步骤c所述的被测转速信号的前半个周期指每一次转速测量时间段内的第一个被测信号的上升沿和下降沿的时间段。
步骤C、可编程逻辑器件在被测转速信号的后半个周期时间窗内，利用一个整数除以N0，保留商的整数部分，记为m0；
步骤C所述在的可编程逻辑器件被测转速信号的后半个周期时间窗内，在第一个系统时钟的上升沿触发可编程逻辑器件运行计算下式
Figure BDA0003974917140000021
其中，[·]表示向下取整，K表示一个整数，其值由下式确定
Figure BDA0003974917140000022
其中，fc为系统时钟频率。
步骤C中所述的被测转速信号的后半个周期指每一次转速测量时间段内的第一个被测信号的下降沿和第二个被测信号的上升沿所处的时间段。
步骤D、可编程逻辑器件在被测转速信号的后半个周期时间窗内，判断m0的大小后，确定m的值；
步骤D所述的可编程逻辑器件在被测转速信号的后半个周期时间窗内，在第二个系统时钟的上升沿触发可编程逻辑器件判断m0的大小后，依据下式的关系，确定m的值
Figure BDA0003974917140000023
步骤E、可编程逻辑器件在m个被测转速信号周期时间窗口内，对系统时钟的完整脉冲计数并保存计数值，记为N1；
进一步的，步骤E包括：
a.可编程逻辑器件内，创建系统同步寄存器，同步被测转速信号和系统时钟信号；
b.在m个被测转速的号周期时间窗内，用计数器对系统时钟的完整脉冲计数，并将计数器的结果保存到时钟计数寄存器1中，记为N1。
F、CPU通过总线访问可编程逻辑器件并读取该计数值N1，根据系统时钟频率计算门控时间Tw的大小
进一步的，步骤F包括：
a.CPU定时每隔10毫秒访问一次可编程逻辑器件端内的时钟计数寄存器1，读取该寄存器内的计数值；
b.CPU端按照下式计算门控时间Tw
Figure BDA0003974917140000031
G.、CPU进一步的依据门控时间Tw、音轮齿数Z和门控时间与被测转速信号周期的倍数优化值m按照下式计算出发动机的转速
Figure BDA0003974917140000032
其中，Z为发动机上音轮齿数，n为发动机转速。
本发明提供了一种航空发动机转速自适应动态测量方法，与现有的转速测量方法相比较，本发明具有以下优点：
(1)本发明在高、低转速下均可适用，且转速测量精度极高。
(2)本发明以可编程逻辑器件采集转速，CPU通过总线方式访问可编程逻辑器件内的寄存器从而计算出转速值，此方法将转速采集和计算分开进行，不会占用对方的资源，系统可靠性高、响应快且计算精度高。
附图说明
图1为本发明航空发动机转速自适应动态测量方法的流程示意图；
图2是基于本发明方法的50Hz被测信号仿真时序图；
图3是基于本发明方法的180Hz被测信号仿真时序图；
图4是基于本发明方法的8000Hz被测信号仿真时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1是本发明航空发动机转速自适应动态测量方法的流程示意图，从宏观上可将整个转速测量流程分为三个步骤。步骤1为利用周期测量法确定N0的值，值得注意的是，此处进行的是半个被测信号周期时间窗口内的计算。步骤2为m值的确定，也即转速实际测量过程中的门控时间的确定。步骤3为转速实际测量过程，此过程通过求解在门控时间内的系统时钟的脉冲数，从而确定该门控时间值，进而计算得转速实际值。
图2是基于本发明的航空发动机转速自适应动态测量方法的50Hz被测信号仿真的时序图。
clk_fs为系统时钟信号，仿真中设置为50MHz；
clk_fx为被测信号，本次仿真中设置为50Hz；
rst_n为系统复位信号；
fre为被测信号仿真结果；
cnt_fx为被测信号半个周期内的基准时钟计数器；
GATE_TIME为门控时间，
able为使能信号；
gate_fx为被测信号域下的门控信号；
gate_fs为同步到系统时钟的门控信号；
gate_fs_r为用于同步门控信号的寄存器；
gate_fs_d0为用于采集系统时钟下门控信号的下降沿；
gate_fs_d1为用于采集系统时钟下门控信号的下降沿；
gate_fx_d0为用于采集被测信号下门控信号的下降沿；
gate_fx_d1为用于采集被测信号下门控信号的下降沿；
gate_cnt为门控信号的计数器；
fs_cnt为门控时间内的基准时钟计数器；
fs_cnt_temp为用于临时保存门控时间内的基准时钟计数；
fx_cnt为门控时间内的被测信号计数器；
fx_cnt_temp为用于临时保存门控时间内的被测信号计数；
busy为CPU访问寄存器允许信号；
neg_gate_fs为系统时钟下门控信号下降沿信号；
neg_gate_fx为系统时钟下被测信号下降沿信号；
系统仿真过程中，复位寄存器rst_n设置初始值为0，此时系统内所有计数寄存器清零，并保持可读不可写状态。系统此状态保持20个系统时钟周期，此后复位寄存器rst_n设置值为1，此时系统跳出复位状态，系统内所有寄存器变为可读可写状态。
系统跳出复位状态后，当可编程逻辑端检测到被测信号的第一个信号上升沿，计数器cnt_fx进入允许计数状态，此计数器在每个系统时钟的上升沿被触发计数值加一。当可编程逻辑端检测到被测信号的第一个信号下降沿，计数器cnt_fx进入停止计数状态，此时计数器cnt_fx内的计数值即为N0，此次仿真中N0值为500000。
可编程逻辑端在检测到被测信号的第一个信号下降沿后，触发系统计算下式
Figure BDA0003974917140000051
此次仿真中，K的值为2500000，将计算后的m0值保存至GATE_TIME寄存器中，m0也即为门控时间的初值，此次仿真中m0计算值为2。
可编程逻辑端在检测到被测信号的第二个信号上升沿后，触发系统按照下式确定GATE_TIME寄存器中m值
Figure BDA0003974917140000052
m值确定为3。同时，寄存器gate_fx信号拉高变为1，这标志着可编程逻辑端进入了转速测量阶段。计数器gate_cnt和fx_cnt_temp进入允许计数状态，此计数器在每个被测信号的上升沿被触发计数值加一。
此后，在系统时钟的第一个上升沿，寄存器gate_fs_r信号拉高变为1；在系统时钟的第二个上升沿，寄存器gate_fs信号拉高变为1。此步骤采用直接锁存法，用于将被测信号域下门控信号同步到系统时钟下。同时，计数器fs_cnt_temp进入允许计数状态，此计数器在每个系统时钟的上升沿被触发计数值加一。
系统维持上述状态，计数器gate_cnt、fx_cnt_temp和fs_cnt_temp同步进行运算，直至门控时间结束，也即经过3个被测信号周期。
在被测信号第5个上升沿时，也即计数器gate_cnt由3跳变为4的节点，寄存器cnt_fx信号拉低变为0，这标志着可编程逻辑端结束了转速测量阶段，进入了转速计算阶段。此后计数器fx_cnt_temp停止计数，并在系统时钟的第一个上升沿，寄存器cnt_fs_r信号拉低变为0；在系统时钟的第二个上升沿，寄存器cnt_fs信号拉低变为0，同时计数器fs_cnt_temp停止计数，此计数值即为n1，此次仿真中该值为3000000。
寄存器gate_fs_do和gate_fs_d1用于捕捉门控时间结束后的系统时钟门控信号gate_fs的下降沿，并将其信号连接至neg_gate_fs寄存器中，系统在检测到neg_gate_fs寄存器下降沿时，计数器fs_cnt_temp中的值保存至fs_cnt寄存器中。寄存器gate_fx_do和gate_fx_d1用于捕捉门控时间结束后的被测信号门控信号gate_fx的下降沿，并将其信号连接至neg_gate_fx寄存器中，系统在检测到neg_gate_fx寄存器下降沿时，计数器fx_cnt_temp中的值保存至fx_cnt寄存器中。
系统在检测到neg_gate_fx寄存器下降沿时，按下式计算门控时间Tw
Figure BDA0003974917140000071
在下一个系统时钟的上升沿触发系统按照下式计算发动机转速
Figure BDA0003974917140000072
在本次仿真中，选取发动机上音轮为30齿，也即z等于30，再将上文所述中相关符号具体数值代入，仿真理论结果为50Hz，与仿真结果相符合。
图3和图4是基于本发明的航空发动机转速自适应动态测量方法的180Hz和3000Hz被测信号仿真的时序图，仿真具体过程与图2相同，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种航空发动机转速自适应动态测量方法，其特征在于，该方法包括：
A.转速信号经过信号处理电路调理后，送给可编程逻辑器件端；
B.可编程逻辑器件在被测转速信号的前半个周期时间窗口内，对系统时钟的完整脉冲计数并保存计数值，记为N0；
C.可编程逻辑器件在被测转速信号的后半个周期时间窗内，利用整数K除以2N0，保留商的整数部分，获得门控时间与被测转速信号周期的倍数初值，记为m0；
D.可编程逻辑器件在被测转速信号的后半个周期时间窗内，依据m0的大小，采用自适应动态寻优方法，确定门控时间与被测转速信号周期的倍数优化值，记为m；
E.可编程逻辑器件在被测转速信号m个周期时间窗口内，对系统时钟的完整脉冲计数并保存计数值，记为N1；
F.CPU通过总线访问可编程逻辑器件并读取计数值N1，根据系统时钟的频率，确定门控时间Tw的大小；
G.CPU依据门控时间Tw、音轮齿数Z和门控时间与被测转速信号周期的倍数优化值m计算出发动机的转速n。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A所述的转速信号经过信号处理电路调理后，由正弦信号变为频率相同的标准方波信号，再送给可编程逻辑器件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B包括：
a.利用系统时钟和复位寄存器产生系统复位信号，复位期间可编程逻辑端内所有数据寄存器清零，并保持可读不可写状态；
b.利用系统时钟和置数寄存器产生系统置数信号，系统跳出复位状态，可编程逻辑端内所有数据寄存器变为可读可写状态；
c.在被测转速信号的前半个周期时间窗口内，用计数器对可编程逻辑端内系统时钟的完整脉冲计数，并将计数器的结果保存到时钟计数寄存器0中，记为N0。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，被测转速信号的前半个周期指每一次转速测量时间段内的第一个被测信号的上升沿和下降沿的时间段。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述在的可编程逻辑器件被测转速信号的后半个周期时间窗口内，在第一个系统时钟的上升沿触发可编程逻辑器件计算下式
Figure FDA0003974917130000021
其中，[·]表示向下取整，K表示一个整数，其值由下式确定
Figure FDA0003974917130000022
其中，fc为系统时钟频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，被测转速信号的后半个周期指每一次转速测量时间段内的第一个被测信号的下降沿和第二个被测信号上升沿所处的时间段。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D所述的可编程逻辑器件在被测转速信号的后半个周期时间窗口内，在第二个系统时钟的上升沿触发可编程逻辑器件判断m0的大小后，依据下式确定m的值
Figure FDA0003974917130000023
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤E包括：
a.可编程逻辑器件内，创建系统同步寄存器，同步被测转速信号和系统时钟信号；
b.在m个被测转速信号周期所确定的时间窗口内，采用用计数器对系统时钟的完整脉冲进行计数，并将计数器的结果保存到时钟计数寄存器1中，记为N1。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤F包括：
a.CPU定时每隔10毫秒访问一次可编程逻辑器件内的计数寄存器1，读取该寄存器内的计数值；
b.CPU按照下式计算门控时间Tw的大小
Figure FDA0003974917130000031
其中，fc为系统时钟频率。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤G所述的CPU进一步按照下式计算出发动机的转速
Figure FDA0003974917130000032
其中，Z为发动机上音轮齿数，n为发动机转速。
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