朱鵬程,李亞南

(江蘇科技大學 機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

航空活塞發(fā)動機是大多數(shù)小型飛行器的心臟,由于其結構復雜、工作條件惡劣,因而發(fā)動機的操控性能直接影響著飛行器的綜合性能[1].發(fā)動機操控性能優(yōu)劣的判斷主要是由操控測試系統(tǒng)來完成的,因此航空發(fā)動機操控測試技術水平的高低是衡量一個國家航空工業(yè)發(fā)展程度高低的一個重要標志.目前，我國擁有的發(fā)動機操控試驗平臺絕大多數(shù)都是傳統(tǒng)意義上的發(fā)動機操控測試平臺,需要手工調整發(fā)動機的各種工況、目測讀數(shù)，手寫記錄發(fā)動機操控測試過程狀態(tài),這些測試方式已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)代航空發(fā)動機測試的基本要求[1].針對傳統(tǒng)操控測試系統(tǒng)所存在的缺陷,文中依靠虛擬儀器技術、先進的數(shù)據(jù)采集設備以及交流伺服電機和矢量控制算法為某特種飛行器研究所設計了一套基于PXI總線的航空活塞發(fā)動機計算機輔助操控測試系統(tǒng).

1 總體方案

根據(jù)系統(tǒng)的初步研究，確定系統(tǒng)總體方案如圖1所示,主要由操作臺、工控機、顯示器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)組成.

圖1 操控測試系統(tǒng)Fig.1 Block diagram of the test system

根據(jù)測試需求和發(fā)動機運行狀態(tài),發(fā)動機操縱控制系統(tǒng)的交流伺服電機可實現(xiàn)發(fā)動機的精確控制,同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精確采集發(fā)動機的各種參數(shù)并通過PXI總線技術傳送給工控機.文中采用Lab VIEW[2]編寫上位機軟件對數(shù)據(jù)進行分析、計算、判斷,并實時顯示發(fā)動機的狀態(tài)數(shù)據(jù)和曲線,最終將實時參數(shù)以及曲線打印出來供測試人員研究分析.

2 硬件系統(tǒng)設計

文中設計的發(fā)動機操控測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由兩大部分組成：①發(fā)動機測試臺數(shù)據(jù)采集模塊(包括信號調理模塊),該模塊主要完成發(fā)動機試車數(shù)據(jù)的實時采集處理;②操縱控制模塊,該模塊主要完成對節(jié)氣門、阻風門和螺旋槳變節(jié)距機構的精確控制.

操縱控制模塊由Advantech公司的PCI系列多軸運動控制卡及交流伺服系統(tǒng)實現(xiàn).數(shù)據(jù)采集模塊采用NI公司的PXI總線產(chǎn)品搭建,操控測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 硬件系統(tǒng)Fig.2 Hardware of the test system

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

操控測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊在硬件設備選用時充分考慮了以后系統(tǒng)的升級、擴展,因此選擇了具有可擴充的接口,為后期升級留下余地.同時也選用模塊化的設備,為系統(tǒng)的維護、更新零部件、升級等提供便利.數(shù)據(jù)采集模塊硬件主要由被測發(fā)動機、傳感器模塊、信號調理模塊、PXI總線儀器模塊和Advantech工控機組成,主要實現(xiàn)對滑油壓力、滑油溫度、氣缸頭溫度等近40種信號的采集.

2.2 信號調理模塊

對于變化緩慢的模擬信號,低通濾波和信號隔離是主要的處理手段.經(jīng)過低通濾波后的模擬信號再經(jīng)過隔離裝置送入數(shù)據(jù)采集卡,這樣可以大大減弱夾雜在信號中的噪聲和干擾,從而實現(xiàn)對信號的精確采集,文中采用二階無限增益反饋低通濾波器[3](圖3).

圖3 二階無限增益反饋低通濾波器Fig.3 Low-pass filter of two order infinite gain feedback

利用節(jié)點A和N列寫KCL方程,同時考慮到運放的開環(huán)電壓增益AVO→∞,可以導出其傳遞函數(shù)為：

(1)

進行歸一化處理,可以寫成標準形式,有

(2)

式中:AO,a1,b1為參數(shù)，AO=-R2/R1;a1=(R2R3+

R2R1+R1R3)C2/R1;b1=C1C2R2R3.

根據(jù)公式1，2可得

(3)

R2的值為實數(shù),必須滿足

(4)

本次測試對象為Lycoming TIO-540-A2C發(fā)動機,其輸出信號中有一些信號具有較高的電壓或者電流幅值,如轉速傳感器輸出電壓幅值可達110 V,必須利用電壓衰減器進行信號衰減后才能進行后繼處理,否則會造成采集設備的損壞.

2.3 操縱控制模塊

一般來說,從安全角度考慮發(fā)動機控制監(jiān)測室與發(fā)動機工作現(xiàn)場應處于隔斷狀態(tài),因為發(fā)動機的運行噪聲很大程度上會影響測試人員的測試效率和效果,同時發(fā)動機測試過程中可能會出現(xiàn)意外情況.

本系統(tǒng)的操控系統(tǒng)框圖如圖4所示,推動操控手柄,操控手柄就會輸出相應的模擬電壓量并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送給工控機,在控制軟件Lab VIEW的作用下根據(jù)給定的電壓量以及各傳感器反饋的發(fā)動機工作狀態(tài),工控機會給出精確地控制角度量值輸出到伺服運動控制卡中,這樣就實現(xiàn)了發(fā)動節(jié)氣門以及螺旋槳變節(jié)距機構的精確控制.

圖4 操控系統(tǒng)Fig.4 Block diagram of the control system

3 軟件系統(tǒng)

3.1 發(fā)動機操控模塊

該模塊的主要功能是利用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序、控制算法和運動控制卡的驅動等相互配合,最終生成交流伺服系統(tǒng)的驅動.由于發(fā)動機是一種復雜的機電綜合體,其運動工況具有非線性和時變性.為了能夠實現(xiàn)對發(fā)動機的性能以及故障判定,本系統(tǒng)的操控模塊控制算法是利用基于多傳感器融合控制算法,即是充分利用本發(fā)動機操控測試系統(tǒng)的多種傳感器信息資源,將本系統(tǒng)近二十種不同類型的傳感器在時間和空間上的互補性按照特定的算法進行綜合[4],增加了發(fā)動機節(jié)氣門和變節(jié)距機構控制精確性和可靠性的同時也能對航空活塞發(fā)動機的性能及故障做出判定.

3.2 矢量控制算法

本系統(tǒng)的操控模塊選用的是交流伺服系統(tǒng),其具有價格低廉控制精度高而且可選等優(yōu)點,如圖5所示為本文選用的永磁式同步交流伺服電機(PMSM)結構簡圖,圖中已經(jīng)假定了電流的正方向[5].

如圖q軸超前d軸90°電角度(順著ωr方向),而永磁體基波磁場的方向即為d軸.轉子參考坐標的空間坐標以q軸與固定軸線間的電角度θr來決定.通過推導,q，d的軸電壓方程可以寫為

(5)

式中：p為微分因子；ωr為轉子角速度；uq為q軸承電壓；ud為d軸電壓；Lq，Ld為q，d軸電感；iq，id為q，d軸電流；Lmd為d軸勵磁電感；if為計算到定子一側的等效勵磁電流.

as-A相繞組軸線；bs-B相繞組軸線；cs-C相繞組軸線；io，F(xiàn)f-空間矢量；AX-A相線圈；BX-B相線圈；CX-C相線圈

同理可以推導出轉矩方程為：

(6)

式中：Tem為電磁轉矩;ψf為永磁體基波磁鏈;pn為極對數(shù);β為電流空間向量is在d,q坐標中的空間相位角.

上述方程構成了PMSM的基本數(shù)學模型,由于三相永磁同步伺服電機含有電角速度ωr以及電流id或iq的乘積項,因此,它是一個典型的非線性模型.可以將上述方程寫成狀態(tài)方程形式,如下所示.

pid=(ud-Rsid+ωrLdid)/Ld

piq=(uq-Rsiq-ωrLdid-ωrLmdis)/Lq

pωr=(pnTem-pnTl-Bωr)/J

(7)

式中：B為粘滯摩擦系數(shù)；J為轉動量.

若實現(xiàn)對β角的控制就實現(xiàn)了角度控制,is在d，q軸上的分量id和iq決定了β角的大小.

對于本文選用的凸裝式轉子電機,它的電磁轉矩為：

Tem=pnLmdifissinβ=pnLmdifiq

(8)

式中:is為調節(jié)電子電流

因為if是固定的無法調整,則電磁轉矩Tem就與iq成正比,兩者之間是線性關系.當給定了Tem指令,那么if同時也就確定了.定子電流在d軸的分量id對永磁體具有增、消磁作用,因此它的數(shù)值需要根據(jù)運行要求來確定[5].

(9)

但是僅僅上述的條件是不夠的,還需要知道θr(dq相對定子A相繞組軸線as的空間坐標).一般來說,是在電機的輸出軸一側安裝編碼器來檢測轉子的磁極相對于as軸的位置.

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

利用Easy I/O for DAQ函數(shù)實現(xiàn)對輸入模擬信號的采集[8],對于低頻信號顯示實時采集值并存儲,高頻信號則在試車結束后通過合理手段有選擇地顯示用戶感興趣的點.在LabVIEW中利用Database Connective Tool工具包[6]將從PXI總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上獲得試驗數(shù)據(jù)按照各種不同的分類以報表的形式,并按照時間的順序存儲到數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL中,當用戶需要校驗所測試的發(fā)動機性能時可以將所采集到的數(shù)據(jù)分類抽取出來并打印.為了實現(xiàn)操控測試系統(tǒng)對多種型號發(fā)動機測試,本數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設計采用了分離式,即把用戶前端數(shù)據(jù)顯示和處理與數(shù)據(jù)采集進行分離,當發(fā)動機型號變更而改變人機界面時,不會影響大數(shù)據(jù)的流通.

4 試驗

4.1 操控系統(tǒng)試驗

對于發(fā)動機操控系統(tǒng),要求具有較好的穩(wěn)定性及精度.文中利用幅值為300°、周期為4s的正弦位置信號對操控系統(tǒng)進行試驗,檢測了試驗系統(tǒng)的響應速度、穩(wěn)態(tài)輸出值及超調量等重要指標.表1給出了一組試驗數(shù)據(jù),與試驗數(shù)據(jù)相對應的操控系統(tǒng)角度θ控制響應曲線如圖6所示.

表1 角度控制測試參數(shù)Table 1 Test parameters of angle control

圖6 正弦響應Fig.6 Sine response

4.2 操控性能試驗

本次檢測對象Lycoming TIO-540-A2C其主要的性能參數(shù)[7],如表2所示.為了能夠準確檢測該操控測試系統(tǒng)的性能,本次試驗采用正常飛行工況下使用的兩臺發(fā)動機作為被測對象,主要檢測發(fā)動機節(jié)氣門位置與發(fā)動機轉速之間的關系,具體的測試數(shù)據(jù)如表3所示.

表2 Lycoming TIO-540-A2C性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of Lycoming TIO-540-A2C

表3 操控性能測試參數(shù)Table 3 Test parameters of operation performance

5 結論

從操縱控制系統(tǒng)的正弦位置信號響應圖可以看出：該操控系統(tǒng)具有無超調、響應快的特點,達到了預期效果.操控性能測試給定的節(jié)氣門轉角最大值為60°,根據(jù)表3可看出該操控測試系統(tǒng)具有較高的采樣頻率和操控精度,滿足設計要求.該操控測試系統(tǒng)具有檢測精度高、自動化程度高、可靠性和實用性強等特點,具有很好的應用前景.

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