燃气涡轮发动机传感器模拟方法研究

高广华　李拓彬

摘要：磁电式转速传感器具有结构简单、可靠性高、环境适应性好等优点，广泛应用于现代燃气涡轮发动机。本文设计了一种磁电式传感器信号模拟装置，可精确地生成指定频率和幅值的交流正弦信号，并提供与真实传感器一致的电气接口特性。文章对信号模拟装置的工作原理和电路设计进行了阐述，对设计符合性进行了分析，并对模拟装置进行了测试。分析和实测结果表明信号模拟装置符合设计要求。

关键词：磁电式转速传感器  信号模拟装置

转子转速是表征燃气涡轮发动机运行状态的关键参数，发动机控制系统大都以转子转速作为控制目标，通过调节燃油供油量、进气导叶角度等变量保证转子转速为常数或按一定规律变化。磁电式转速传感器具有结构简单、可靠性高、环境适应性好等优点，广泛应用于现代燃气涡轮发动机。

1 信号模拟装置设计要求

1.1 传感器工作原理与信号特征

图1磁电式转速传感器基于电磁感应原理，通过感受探头与测速音轮之间的磁间隙实现对转速的测量。发动机测速音轮转动使得磁间隙产生交替变化，周期性地改变磁路中的磁阻，使得通过导磁体线圈的磁通量产生变化，从而在线圈两端感应出周期性、对称的、类正弦波的交变电压信号，信号频率与发动机转子转速呈比例关系，典型的磁电式转速传感器输出信

1.2 信号模拟装置设计要求

信号模拟装置需要生成频率、幅值范围覆盖多型磁电式转速传感器的正弦信号，并且电气接口特性保持与真实传感器一致，防止电子控制器检测不匹配而工作异常。根据传感器信号特征以及多型传感器的参数，确定信号模拟器的设计要求如下：

1）生成频率和幅值连续可调交流正弦信号;

2）输出频率范围：（10～20000）Hz;

3）转速生成精度：优于±0.1%F.S.;

4）输出信号幅值：（0.55～30）VP-P范围连续可调;

5）输出端口直流电阻：（10～1400）Ω。

2 信号模拟装置设计

2.1 原理设计

转速信号模拟装置基于直接数字频率合成器（DDS）和数字调幅电路设计，前者生成幅值固定、频率连续可调的正弦波信号，后者对前者生成的信号进行幅值调节，两者组合产生频率和幅值连续可调的正弦波。装置通过串行通讯从外部获取含有待生成信号频率、幅值信息的目标指令，内置的微处理器对目标指令进行解析、计算并输出对DDS和数字调幅器件的控制信号。数字调幅电路输出的正弦波通过信号调理、隔离输出和接口匹配电路后对外输出与真实传感器特征一致的转速信号。

2.2 电路架构设计

转速信号模拟装置的电路框图。电路包含MCU系统、正弦信号生成电路以及电源子系统。

MCU系统中RS-422通讯模块接收外部指令，微处理器解析通讯指令，通过分析计算后转化为控制指令，控制指令通过SPI总线隔离输出至正弦信号生成电路。

正弦信号生成电路中含有正弦波信号生成电路和数字乘法器电路，正弦波信号生成电路和数字乘法器具有SPI接口，通过SPI接口接收MCU系统的控制指令。正弦波信号生成电路生成弱正弦信号，弱正弦信号经数字乘法器调幅放大后由变频器隔离输出。

电源子系统中设置有EMI滤波器，EMI滤波器屏蔽外部电源传导干扰，为电源子系统中DC/DC提供较为干净的电源。电源子系统分为两部分，一部分为MCU系统提供电源，另一部分为正弦信号生成电路提供电源。

2.3 MCU系统电路

信号模拟装置采用意法半导体公司的STM32F429型高性能32位微控制器（MCU），内置ARM Cortex-M4内核，主頻168MHz。MCU内置UART控制器用于接收串行通讯数据，并通过SPI总线控制DDS和数字调幅器件。MCU系统电路还包含随机存储器（SRAM）、看门狗、电擦写数据存储器等器件，实现存储器拓展、运行异常自动复位、电路特性参数存储等功能。

2.4 正弦信号生成电路

正弦信号的核心部分为AD9833型DDS和AD5543型乘法器数模转换器（MDAC）。MCU通过SPI总线将待生成频率对应的码值传输至DDS，控制DDS输出指定频率的正弦波信号，信号幅值高电平620mV，低电平40mV，为不过零的正弦信号.

DDS输出信号经过有源高通滤波器调理为过零正弦信号，并进行第一级放大后接入MDAC的电压参考端。MDAC根据MCU传输的码值精确控制正弦信号衰减增益，实现数字调幅功能。调幅后的信号经过低通滤波器进行平滑处理和第二级放大，通过设计两级放大增益保证达到最高30VP-P的幅值范围需求。

3 设计符合性分析

3.1 功能符合性分析

模拟装置选用的AD9833型DDS器件能够输出（10～20000）Hz范围内频率连续可调的正弦波。

电路基于OPA604型高电压运算放大器设计两级放大电路，增益分别为4.9和11，将DDS输出的0.58VP-P信号放大至30VP-P以上。模拟电路的电源电压设计为±18VDC，保证输出信号幅值不受限于电源轨。电路中的MDAC实现对幅值的连续可调。

模拟器信号输出端口的直流电阻阻值通过在音频变压器的输出端线圈串联电位计保证。

3.2 信号频率精度符合性分析

模拟装置选用EPSON SG5032型晶振，频率为1MHz，频率稳定度为50PPM。在该晶振频率下，DDS输出信号的频率分辨率为0.004Hz。由于DDS的频率生成分辨率为固定值，所以转速生成最大误差出现在最低信号频率时，对于10Hz频率信号的相对误差为±0.04%。DDS分辨率和晶振频率稳定度叠加误差不超过±0.045%，设计保证满足±0.1%F.S的频率精度要求。

参考文献：

[1]莫福广，梁源飞.磁电式转速传感器在发动机上的应用 [J].装备制造技术，2008，8（1）：186-188.

[2]张国雄，李醒飞.测控电路：第4版[M].北京，机械工业出版社，2011.

作者简介：高广华，男，汉族，1977.10出生，硕士，高级工程师。