直升机发动机扭矩测量系统设计.doc

直升机发动机扭矩测量系统设计
直升机/扭矩/磁阻效应/STM32F107
1  引言
对于直升机来说,在飞行过程中出现某些极限情况就会给直升机带来很大的风险,因此需要在地面上对直升机发动机扭矩、超转等参数进行测试,检查直升机发动机工作的状况,提前排除发动机故障。由于直升机地面参数与空中参数的不一致,致使其在地面上所获得的参数没有太大的意义。因此需要研制一套多功能的直升机地面模拟参数测试系统,它能在地面模拟直升机在飞行中可能遇到的情况,获得飞机的响应,并以此为依据制定飞行员应急预案,提高飞行的可靠性。
直升机地面模拟参数测试系统主要包括直升机参数综合测试装置、发动机倍频试验装置和直升机发动机扭矩测试系统。本文重点阐述和设计直升机发动机扭矩测试系统,其作用是在发动机日常维护中,可以随时对发动机扭矩系统的工作情况进行检查及校准,并可以在发动机扭矩测量系统出现问题时,对发动机扭矩监测系统进行检测,找出故障原因,并可进行参数调整。
在扭矩测试技术中,主要有接触式和非接触式测量扭矩方法,本文利用磁阻效应原理采用非接触式测量扭矩方法。
2  磁阻效应测量扭矩的原理[1][2]
金属物质的电阻值在外加磁场作用下变化的现象称为磁电阻效应。薄膜磁阻元器件是一种结构比较新颖的Ni-Fe合金薄膜磁敏的电阻元件,是一种高灵敏的磁性传感器,具有线性范围宽、灵敏度高、工作频率特性稳定、抗干扰能力强、温度性能优良、体积小和结构简单等特点。
本文应用磁阻效应设计了相位差式直升机发动机扭矩测量系统,它通过测量传动轴上两截面信号间的相位差f,进而计算轴承受的扭矩T。
由力学关系可知,在轴横截面上离圆心为r处,取一微面积dA,此横截面的扭矩T为

式中,G一材料的剪切弹性模量,r为此横截面圆心到轴截面圆心的距离,为扭转角沿轴线x的变化率。
当

从式中可以看出,只要求得扭转角即可求得扭矩。

如图1所示,在直升机发动机传动轴的两端测量点1和2处分别安装一组分布规律相同的磁钢。当传动轴空载转动时,磁带上的磁钢也随之旋转,磁阻传感器的信号频率随轴转速而改变,测点1和2的信号之间的相位关系是一定的,并且此相位只与磁钢和磁阻传感器安装的相对位置有关,即初始相位角为一定值。当传动轴传递扭矩时,由于传动轴的扭转受力变形,测量点1和2处布置规律相同的磁钢产生了相对扭转角,使得两路信号的相位关系发生变化,此时求得的相位角为,则相对扭转角,而转矩T与由式(2)确定。

3  系统硬件电路设计
ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的RISC微处理器结构,以其低成本、低功耗、高性能等优点占据嵌入式系统应用领域的领先地位。2007年6月意法半导体(ST)公司发布了基于ARM Cortex-M3的STM32系列产品,这些产品结合了高性能、实时、低功耗、低电压、高集成度和易于开发等特性, STM32系列产品按性能分成不同的系列,其中,STM32F107面向互联应用领域的,工作在72MHz,带有片内RAM和丰富的外设。
整个系统以STM32F107为核心处理器,通过磁阻传感器的信号经过信号调理电路进入STM32F107的AD转换单元,经过运算处理得到的扭矩结果通过以太网送至上位机监测分析系统,同时将信号送至直升机,进行信号交联,实现直升机仪表的校准、测试。

1) 磁阻传感器的选择
本文中的磁阻传感器选择薄膜磁敏电阻KMZ10。KMZ10系列薄膜磁阻元器是一种结构新颖的Ni-Fe合金薄膜磁敏电阻元件,同时也是一种高灵敏度的磁性传感器。它采用Barber结构的桥式电路,内含偏置磁场结构的Ni-Fe合金薄膜磁阻元件。KMZ10系列薄膜磁敏电阻元件具有的主要特性如下:
(1) 在弱磁场下,具有较高的灵敏度;
(2) 方向性强,当外加磁场平行于薄膜平面时,器件的灵敏度大;而当外加磁场垂直于薄膜平面时,器件的灵敏度最小且不敏感;利用这一特性可检测外加磁场的大小和方向;
(3) 具有饱和特性,磁阻元件的阻值随外加磁场强度的增大而增加,当外加磁场达到一定的值时,KMZ210薄膜磁敏电阻元件的阻值不再增加而达到饱和;
(4) 内置偏置磁场极大地提高了磁阻元件的抗干扰能力和磁阻特性的稳定性,扩大了磁阻元件线性检测范围;
(5) KMZ210系列磁阻元器具有较高的工作频率特性和倍频特性;
(6) 具有较宽的工作温度范围和稳定的工作温度性能。
2) 信号调理电路设计[3]
传感器的输出信号一般都很微弱,并带有较大的噪声,需要设计放大滤波电路。
考虑到信号特征及硬件上的易实现性,系统在硬件滤波器上采用了巴特沃思有源低通滤波器。在强噪声的背景中检测微弱信号需要在抑制环境噪声的同时也要尽可能的降低系统自身的对信号的干扰,而通带内的微小波动也有可能对微弱的信号变化产生大的干扰,所以这里选用四阶巴特沃斯滤波器。该滤波器由两级二阶无限增益多端反馈低通滤波器级联组成四阶低通滤波器,查询巴特沃斯滤波器数据表可得到第一级滤波器中B1和C1值。在计算电路中各电容、电阻值时,首先选定电容C2,它近似等于的标称值,在满足下列关系的前提下选定的C1最大标称值,即

各电阻值的单位为л,各电容值的单位为F。各电阻值要尽量按上述各式中计算的值来选取。如果计算出来的电阻值不容易实现,可以按照下述方法解决,即将电路中的所有电阻值乘以同一常数,同时把电容值除以这个常数,并不会改变滤波器特性。
如图2所示为为本文设计的截止频率为1kHz四阶巴特沃斯低通滤波电路。该电路利用OPA2111双运放的高阻抗、低偏置电流的特点组成四阶有源滤波器。按图示元件参数,电路的截止频率为1kHz,增益为2.6,斜率为-24dB／倍频程。为降低热噪声,一般选用比较低的电阻值,但相应电容容量增大了。
4  系统软件设计[4]
在软件设计方面,为了提高系统性能,采用以太网方式与上位机通信。嵌入式TCP/IP协议栈采用流行的LwIP,嵌入式操作系统采用实时性高的mC/OS-II。LwIP是一个经过裁减的TCP/1P协议栈实现,源代码完全开放,占有内存少,它能很好的运行在mC/OS-II实时操作系统上。软件开发的主要工作一是LwIP协议栈和mC/OS-II实时操作系统在硬件平台上的移植;一是信号处理算法的实现。这个系统软件框架如图3所示。

5  结束语
本文利用磁阻效应原理采用非接触式测量扭矩方法设计了直升机扭矩测试系统,采用巴特沃斯滤波器对传感器信号进行了滤波,在STM32F107中实现了数据解算算法,对处理结果与直升机仪表系统进行了交联,可以方便有效的对直升机仪表进行校准,对直升机发动机扭矩进行了测量。

孙凯明 刘彤军 吴 涛

更多请访问：中国自动化网()