一种数字油门装置及试车台油门信号模拟仿真系统的制作方法

1.本技术涉及航空发动机试验技术领域，尤其涉及一种数字油门装置及试车台油门信号模拟仿真系统。


背景技术：

2.目前，航空发动机控制系统已经完成了从机械液压控制到fadec(全权限数字电子控制器)的转变。与此同时，航空发动机试车台的油门操纵杆也从最初的机械连杆式以及随后改进的伺服电机方式，逐步发展到如今的油门角位移传感器控制方式。
3.现阶段国内航空发动机试车台普遍采用油门杆角位移传感器方式实现发动机状态控制，其油门角位移多采用电位器、旋转差动变压器、正余弦旋转变压器等形式的传感器。其基本原理即在机械油门手柄上配装角位移传感器，由机械传动接口带动角位移传感器的角度变化，然后由数字电子控制器对角位移电气信号进行解算进而控制发动机的燃油供给量。这种方式相对机械连杆式，电气化程度高、控制方式简单、控制精度高、故障率少，因此得到广泛应用。
4.但是随着角位移传感器控制方式在航空发动机试车台的长期使用发现，这种控制方式仍然存在一些缺陷：
5.1)发动机状态改变时，油门的推杆速度、精度、微调全凭操作人员经验，难以准确控制，可能导致失误。
6.2)其次，试车过程中特别是长期试车时，试车操纵员的工作强度极大。国内许多科研院所都在开展航空发动机自动试车技术研究，迫切需要一个可接收外部指令进行自动执行的、能够与试车台数据采集及工业控制设备能交互的油门杆系统。
7.3)科研试车台面向各类型发动机，所需配置的油门杆传感器类型不一，传感器换装时需反复调整安装初始位置，重新进行角度标定。并且专用油门杆传感器采购周期极长，价格昂贵，闲置和保养难的现象严重。
8.4)另外，角位移传感器在较长时间使用后，存在机械卡滞、性能衰减等现象，而且传感器线路较长，处理不当时极易受到电磁干扰。
9.5)此外，旋转变压器类型传感器的输出信号特征通常为数千赫兹的正/余弦波形的交流信号，试车台的工业控制模块无法生成及识别。随着航空发动机试车台自动化、智能化以及故障信息综合诊断需求的提出，油门杆控制信号作为试车流程与发动机状态判断的关键决策信号，仅可由发动机数字电子控制器采集解算，已经无法满足新的航空发动机试车台自动化试车需求。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本技术实施例提供一种数字油门装置及试车台油门信号模拟仿真系统，用于代替各类型油门杆角位移传感器，高精度模拟/仿真发动机数字电子控制器所需的油门杆角度特征信号，具备阻抗匹配、角度标定及在线校正、以及手自动控制等自动化功
能，大幅提高航空发动机试车台试验自动化、智能化水平。
11.第一方面，本技术实施例提供一种数字油门装置，用于代替航空发动机试车台的油门杆角位移传感器，所述数字油门装置包括：电源模块、通讯协议转换模块、dds模块、电压放大模块、频压转换模块和逻辑适配/转换电路，所述频压转换模块用于采集发动机数字电子控制器输出的油门角位移传感器激励信号频率值，所述通讯协议转换模块用于接收所需的油门角度特征值并将其转换为为sp i串行通讯信号，所述逻辑适配/转换电路用于将所述sp i串行通讯信号逻辑适配转换后向所述dds模块发送串行操作数据，所述dds模块根据所述串行操作数据模拟油门角度解算信号，所述电压放大模块用于将所述模拟结果进行放大输出。
12.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述数字油门装置与外部控制计算机/plc通信连接，所述油门角度特征值是通过所述外部控制计算机/plc根据所需的油门角度进行解算获得的所需模拟信号的频率、幅值、相位；所述dds模块为采用dds芯片的数字硬件电路，用于接收由串口发送的所述模拟信号的频率、幅值、相位并进行直接数字频率合成，模拟油门角度解算信号。
13.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述逻辑适配/转换电路内部设有逻辑转换电路，所述逻辑转换电路用于将所述通讯协议转换模块输出的控制信号转换为所述dds模块所需的控制信号，所述通讯协议转换模块输出的控制信号包括时钟信号、数据主输出/辅输入信号、数据主输入/辅输出信号、片选信号，dds模块所需的控制信号包括时钟信号、控制寄存器接受/发送数据信号、输出更新信号。
14.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述逻辑/转换电路内部还设置有模拟油门角度解算信号的阻抗匹配单元，用于匹配发动机数字电子控制器激励端及采集端的回路阻抗，以及用于匹配所述电压放大模块输出端的阻抗。
15.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述模拟油门角度解算信号的阻抗匹配单元采用信号隔离变压器进行阻抗的匹配。
16.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述逻辑适配/转换电路内部还设有相位检测及同步单元，所述相位检测及同步单元用于使dds模块输出信号相位与发动机数字电子控制器激励信号相位保持同步。
17.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述逻辑适配/转换电路内部还设有信号解算单元，所述信号解算单元用于对所述电压放大模块输出的模拟油门角度解算信号进行实时监测和与外部控制计算机/plc配合来实现自动校正功能。
18.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述逻辑适配/转换电路内还设有复位单元，用于对所述数字油门装置上电后或复位开关按下时将dds模块内的控制寄存器和数据寄存器进行复位。
19.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述数字油门装置的模拟油门角度解算信号可分别模拟旋转差动变压器信号、正余弦旋转变压器信号或电位器信号。
20.第二方面，本技术实施例还提供一种试车台油门信号模拟仿真系统，其特征在于，所述系统包括外部控制计算机/plc、发动机数字电子控制器和上述第一方面任一实施例所述的数字油门装置，所述数字油门装置接收所述外部控制计算机/plc输出的油门角度特征值来模拟油门角度解算信号，并将所述油门角度解算信号输出至所述发动机数字电子控制
器。
21.有益效果
22.本技术实施例中的数字油门装置及试车台油门信号模拟仿真系统，具有手/自动控制功能，节省人力成本，数字油门装置具有手动和自动控制两种模式，自动模式可根据试验任务需求，事先设定角度、时间等参数，规划油门角度信号曲线，使用方便快捷，一键式自动执行，解放了不必要的劳动力，提高了试车效率和自动化程度，杜绝了人为原因所导致的误操作。同时具有手动控制模式，两种模式可自由选择切换，保障特殊操作需求和应急操作等安全需求。
23.性能稳定，控制精度高,能够近似模拟角位移传感器的理想输出特性。本发明所述的油门装置采用dds芯片为核心的电子电路模拟油门信号，相较于角位移传感器信号具有输出信号幅值更稳定的性能、分辨率可达到输出线性度高、进回程重复性更好。可以缩短模拟信号传输线路，不易受到外部干扰等优点，通过上位机软件可实现对输出角度和变化曲线的精确控制。
24.功能齐全，操作简单，成本低廉。本装置具有阻抗匹配、多种类型的油门角位移传感器信号模拟、位置标定、自动校正等功能。避免了来回更换传感器甚至机械手柄的麻烦，节约了采购周期、安装接口加工以及安装校对程序，提高了航空发动机试车台试验准备效率。
25.控制信号关联台架电气控制系统与发动机电气控制系统，有利于发动机与台架设备的一体化控制与故障信息综合诊断，为自动化试车技术打下关键性基础。
26.这种基于dds芯片的串口程控数字油门装置设计了多种类型模拟油门角度解算信号的输出，结合航空发动机数字电子控制器的核心信号需求，有效模拟各型号航空发动机油门信号特征值。能够通过上位机软件实现航空发动机试车台上的油门杆角度手/自动操作，并能保证良好控制精度、信号的稳定性和抗干扰能力，在航空发动机试验中应用效果良好。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，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技术的一些实施例，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。
28.图1为根据本发明一实施例的试车台油门信号模拟/仿真系统组成图；
29.图2为根据本发明一实施例的数字油门装置的电气原理图；
30.图3为根据本发明一实施例的逻辑/转换电路的内部结构原理图；
31.图4为根据本发明一实施例的数字油门装置的操纵软件控制逻辑图；
32.图5为根据本发明一实施例的旋转差动变压器式角位移传感器模拟结果；
33.图6为根据本发明一实施例的正余弦旋转变压器式角位移传感器模拟结果。
具体实施方式
34.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
35.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，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技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术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，在没有背离本技术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。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
36.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。基于本技术，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。
37.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技术的基本构想，图式中仅显示与本技术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。
38.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。
39.研究发现国外航空发动机的自动试车功能都是深度集成在数据采集系统中，因此广泛采用数据采集集成板卡进行模拟油门角度解算信号的产生。例如赛峰集团与mds为上海商用发动机有限公司建设的核心机试车台即采用了基于ni公司pxi板卡的该类信号发生装置，可依据试验任务需求可实现油门角度的自动控制。但国外厂商的数据采集系统价格昂贵，购买周期长，而且技术不能自主可控，后续升级和维护响应不及时等，并且与国内车台其他工业控制设备搭接较为繁琐。
40.针对上述问题，急需具备一套数字式、可编程、接口简易通用、信号特征覆盖多种类型fadec数控系统的模拟油门角度解算信号的装置，能够灵活控制油门角位移量的高精度角位移传感器仿真设备(即模拟角位移传感器的输出)，代替油门手柄及角位移传感器向发动机数字电子控制器发送油门角度信号，以满足航空发动机自动试车相关技术研究及整个试车台控制系统对油门解算信号的使用需求。
41.本技术实施例提供了一种数字油门装置，数字油门装置为发动机试车台油门信号模拟/仿真系统的核心组件，其分为角位移信号模拟硬件、油门信号模拟控制软件两部分。本技术中的试车台油门信号模拟/仿真系统组成见图1所示，硬件包含工业控制计算机、plc控制器、数字油门装置、发动机数字电子控制器、交换机、显示器、试车台飞/发附状态模拟设备等组成，模拟油门角度解算信号的控制软件安装在工业控制计算机及plc内。
42.具体使用时，操作人员经人机界面选择手动/自动工作模式，将发动机状态/油门杆角度值传输至plc下位机进行解析计算，获得需求的模拟油门角度解算信号的特征值(频率、幅值、相位)，经由rs232通讯接口发送指令数据至数字油门装置，控制dds模块模拟输出发动机数字电子控制器所能识别的油门特征信号。同时，试车台控制系统plc能够根据当前
油门状态以及试验任务需求，控制试车台飞/发附状态模拟设备完成发动机的试验任务。
43.下面结合附图，对数字油门装置进行详细描述，本技术的数字油门装置用于代替航空发动机试车台的油门杆角位移传感器，装置采用了模块化设计，能够灵活搭配或扩展，方便损坏件的更换。具体的，参照图2，所述数字油门装置包括：电源模块、通讯协议转换模块、dds模块、电压放大模块、频压转换模块和逻辑/转换电路，所述频压转换模块用于采集发动机数字电子控制器输出的油门角度传感器激励信号频率值，所述通讯协议转换模块用于接收所需的油门角度特征值并将其转换为为spi串行通讯信号，所述逻辑/转换电路用于将所述spi串行通讯信号逻辑适配转换后向所述dds模块发送串行操作数据，所述dds模块根据所述串行操作数据模拟油门角度解算信号，所述电压放大模块用于将所述模拟结果进行放大输出，具体的电气连接结构参照图2所示，外部采用电连接器预留出电源接口、传感器信号接口、复位信号接口和串行通讯接口。
44.具体的，数字油门装置采用发动机控制系统28v直流电源供电，以保证整个装置电路与发动机数控系统共地，确保公共参考点及避免两者gnd存在电压差引入数字控制器损坏输入检测电路。电源模块分别为电压放大模块、dds模块、频压转换模块、逻辑/转换电路、通讯协议转换模块提供所需的工作电源。
45.系统上电复位后，试车台plc控制器经频压转换模块采集发动机数字电子控制器输出的油门角度传感器激励信号频率值，然后将需求的油门角度特征值通过串行通讯接口发送控制指令到数字油门装置，rs232/spi通讯转换模块将接收的串口数据转换为spi串行通讯信号，再经逻辑/转换电路逻辑适配转换后向dds模块发送串行操作数据，dds芯片根据操作数据模拟油门角度解算信号的频率、幅值、相位，经后级电压放大模块输出。
46.具体的，dds模块为所述数字油门装置的核心部件，主要进行直接数字频率信号合成，dds芯片具有频率、相位、幅度控制字，能够高速输出频率、幅值、相位均可独立控制的正弦信号。旋变类型角位移传感器输出信号一般为频率、相位一定，幅值随角度变化的正弦型号，因此dds芯片设置工作于single-tone模式。dds芯片输出信号的幅值线性度及稳定度都较高，但信号幅值范围较小，输出级匹配了精密电压放大器模块，输出信号幅值可到
±
5v
pp
，其信号特征能够完全覆盖现主流发动机控制器所需油门角位移信号幅值范围，并且其模块化的设计可以根据使用需求搭配不同类型的输出放大模块。经采用六位半数字仪表检测，当dds芯片幅值控制字一定时，精密电压放大器模块输出波动变化仅为1mv之内。
47.具体的，本技术的逻辑/转换电路内部设有逻辑转换电路，即图2中的逻辑适配/转换电路，所述逻辑转换电路用于将所述通讯协议转换模块输出的控制信号转换为所述dds模块所需的控制信号，以及将输出的油门角度正弦信号解算为直流信号，便于控制系统回采。
48.逻辑适配/转换电路具体包括逻辑适配单元，相位同步触发单元，信号解算单元，激励信号相位检测单元，复位单元，阻抗匹配单元，参照图3。
49.在一个实施例中，逻辑适配电路的逻辑门电路将通讯协议转换模块的的时钟信号clk_i、数据输出信号mosi、数据输入信号miso、片选信号cs0、cs1等经逻辑运算转换为dds模块所需的时钟信号clk_o、寄存器写数据信号sdio0、寄存器读数据信号sdio2、dds芯片更新信号ioup。
50.所述逻辑/转换电路内部的阻抗匹配单元，采用信号隔离变压器进行阻抗的匹配，
用于匹配发动机数字电子控制器激励端、采集端以及所述电压放大模块输出端的阻抗。具体的，本数字油门装置模拟传感器信号接口采用6线制，其中两线作为激励检测、两线作为输出通道1、两线作为输出通道2。电压放大模块输出阻抗较高，带载能力较弱，而发动机数字电子控制器一般具备上电自检功能，为避免数控系统报油门传感器断线故障，需保证发动机数字电子控制器激励端及采集端的回路直流电阻。综合考虑，信号接口阻抗需同时满足电压放大模块输出及数控系统自检要求，本电路激励输入及模拟输出均采用了信号隔离变压器进行阻抗的匹配，其具备直流阻抗低，交流阻抗高的特性，并同时具备信号的电隔离功能。
51.具体的，所述逻辑/转换电路内部的相位检测单元(激励信号相位检测单元)，用于使dds模块输出信号相位与发动机数字电子控制器激励信号相位保持同步。具体的，相位检测单元中电压比较器将发动机数字电子控制器输出的油门传感器激励正弦信号经过零检测得到同频率、同相位的方波信号,经与门输出作为图中相位同步单元中的触发脉冲，触发器的数据信号来自试车台plc串口发送的dds输出更新指令(持续时间大于激励信号周期)，在方波上升沿产生dds芯片的ioup信号，ioup信号上升沿即刻刷新dds芯片的数据寄存器并输出相应的正弦波信号，确保了输出信号与激励的同步。
52.具体的，所述逻辑/转换电路内部的信号解算单元，用于对所述电压放大模块输出的模拟油门角度解算信号进行解算、回采来实时监测和校正。具体的，在系统上电或需要时控制计算机/plc的控制软件自动进行油门角度位置的标定，将标定的基准值数据记录在内存中。模拟油门角度解算信号经电压模块放大后，输出至发动机数字电气控制器，并且信号并联回采至解算电路的va、vb端，解算电路将该正弦信号解算转换为一线性变化的直流电压信号vo 。试验过程中控制计算机/plc采集解算电路的反馈电压vo 及读取dds芯片数据寄存器，进行状态实时监测、装置故障诊断判别、角度偏差示警及在线自动微调校正。
53.具体的，所述逻辑/转换电路内的复位单元，用于对所述数字油门装置上电后或复位开关按下时将dds模块内的控制寄存器和数据寄存器进行复位。复位电路经外引线由外部控制计算机/plc控制，当系统上电后或复位开关按下时rst电平进入dds模块复位针脚，将dds芯片控制寄存器、数据寄存器复位。
54.在一个实施例中，所述数字油门装置的模拟油门角度解算信号可根据需求分别模拟旋转差动变压器信号、正余弦旋转变压器信号或电位器信号。
55.第二方面，本技术实施例还提供一种试车台油门信号模拟仿真系统，其特征在于，所述系统包括控制计算机/plc、发动机数字电子控制器和第一方面任一实施例所述的数字油门装置，所述数字油门装置接收所述控制计算机/plc发出的油门角度特征值模拟出油门角度解算信号，并将所述油门角度解算信号输出至所述发动机数字电子控制器。
56.下面对油门控制软件部分做详细介绍。
57.根据数字油门装置的功能特点，结合其在试车台架和发动机上的应用需求，设计了一套适用于航空发动机试车的油门角位移信号控制软件。该软件基于试车台控制系统plc的上/下位机软件设计开发，下面结合控制流程对软件进行功能介绍。
58.数字油门装置操纵软件控制逻辑如图4所示，数字油门装置操纵软件按照执行功能分为紧急模式、手动模式和自动模式三种模式。
59.操作优先级顺序依次为：紧急停车、紧急慢车、微增/微减调整、手动油门方式的状
态按钮、试验卡片自动执行。
60.其中紧急模式优先级最高，紧急停车优先级又大于紧急慢车优先级。在任何工作状态下，当按下紧慢按钮时，下位机软件油门角位移输出需求值置为慢车域，经过通讯传输至数字油门装置的运算电路，模拟输出该油门角度下所当对应的特征信号；当按下紧停按钮时，下位机软件油门角位移输出需求值置为停车域，经过通讯传输至数字油门装置的运算电路，模拟输出该油门角度下所当对应的特征信号。
61.在非紧急状态，选择油门方式时进入手动操作模式，首先输入推杆时间设定值，然后可依据试验任务需求，在操纵界面的n2方式或直接以pla方式进行操纵。选择n2方式时，即可手动输入任意n2设定值，也可采用快捷按钮选择常用n2状态值(停车、73％、80％、90％中间、小加力、最大)，通过计算n2状态下对应的油门角位移值后，经过通讯传输至数字油门装置的运算电路，模拟输出该油门角度下所当对应的特征信号。选择pla方式时，则直接在上位机手动输入油门角位移设定值，并通讯给下位机进行运算输出油门角度特征信号。
62.在非紧急状态，选择卡片方式时进入自动控制模式，操作人员只需在试验前将试验卡片按照标准格式将试验发动机状态、推杆时间、状态保持时间等参数写入access表格，然后读入控制软件进行识别即可按照试验需求流程自动输出油门角度特征信号。同时，车台plc控制系统根据试验任务需求可完成对各发动机状态下的联动控制，自动执行如燃油油路匹配控制，电机加载、液压加载、辅助空气系统调节等一系列电气化控制，同时完成数据自动采集记录，实现试车台飞/发附状态模拟的一体化管理，使自动化、智能化试车成为可能。
63.数字油门装置可模拟旋转差动变压器、正余弦旋转变压器、电位器等形式的角位移传感器。
64.a)旋转差动变压器式角位移传感器特性：
65.激磁电压：3vrms，3000hz，正弦波
66.输出特性：(va-vb)/(va vb)
67.测量范围：
±
65
°
(实际使用范围120
°
)
68.b)正余弦旋转变压器式角位移传感器特性：
69.激励信号：(7.07
±
0.16)vrms，(3000
±
50)hz，正弦波
70.解算器角度范围：-33.2
°
～85.5
°
(实际使用范围90
°
)
71.反馈信号：正弦反馈vs＝vr*tr*sinθ；余弦反馈vc＝vr*tr*cosθ；其中，vr为激励电压；tr＝0.492
±
0.025为转换率，θ值为解算器角度。
72.c)数字油门装置模拟结果：
73.结果参照图5和图6。另，经角位移传感器解算芯片来解算旋转差动变压器输出的0～10v直流信号也可作为电位器式的角位移传感器模拟信号。
74.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。