發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統的製作方法
2023-12-09 13:48:11 3
專利名稱：發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制系統，具體涉及一種發動機系統中進口導向葉片組件的控制 系統。
背景技術：
隨著當今輔助動力裝置的日益發展，用戶需求的不斷提高，在系統中各類傳感器、 作動機構的設計越來越完備，系統結構日趨複雜的前提下，用戶對系統安全性、可靠性、可 維護性的要求更是越來越高，因此無論是在設計中還是維護中都要重視故障診斷技術的應 用，這樣才能提高產品的可靠性和可維護性。飛機發動機系統中輔助動力裝置-進口導向葉片組件的控制直接影響發動機系 統的性能，目前已知的進口導向葉片組件的控制方法無外乎是用控制電路實現，也就是說 進口導向葉片組件的控制的好與壞，根本還是其控制電路的不斷優化。
發明內容
為了解決背景技術中存在上述技術問題，本發明提供了一種可實現發動機系統中 進口導向葉片組件的精確控制的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統。本發明的技術解決方案是本發明提供了一種發動機系統中進口導向葉片組件 的控制系統，其特殊之處在於所述發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統包括期望 角度計算模塊、PI控制模塊、驅動模塊、扭矩馬達以及位移檢測模塊；所述期望角度計算模 塊、PI控制模塊、驅動模塊以及扭矩馬達依次連接；所述扭矩馬達通過位移檢測模塊和PI 控制模塊相連；所述扭矩馬達輸出IGV進口導向葉片角度。上述驅動模塊包括DA轉換器、運算放大器以及功率放大器；所述PI控制模塊通過 DA轉換器和運算放大器相連；所述運算放大器和功率放大器閉環式連接；所述功率放大器 和扭矩馬達相連。上述運算放大器是0P400型運算放大器或LF147型運算放大器。上述功率放大器是電晶體或場效應管。上述位移檢測模塊包括激勵發生器、傳感器以及相敏檢波器；所述傳感器獲取通 過扭矩馬達傳送出的IGV進口導向葉片角度；所述激勵發生器分別和傳感器和相敏檢波器 相連；所述傳感器和相敏檢波器相連；所述相敏檢波器和PI控制模塊相連。上述期望角度計算模塊包括IGV進口導向葉片期望角度計算單元，所述IGV進口 導向葉片期望角度計算單元是POwerPC、80X86系列微處理器、DSP或單片機。上述PI控制模塊是PowerPC、80X86系列微處理器、DSP或單片機。上述發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統包括故障檢測模塊，所述故障檢 測模塊分別和驅動模塊、扭矩馬達以及位移檢測模塊相連。上述故障檢測模塊包 採樣單元以及故障判斷單元；所述採樣單元和故障判斷單 元相連。
本發明的優點是本發明通過對發動機系統中進口導向葉片組件的控制電路進行了優化，實現了發 動機系統中進口導向葉片組件的精確控制，硬體電路採用高精度高可靠驅動電路，結合監 控軟體，具有過流過壓等關斷保護功能，實現高精度控制。採用實時電路監控檢測，高精度 位移檢測電路技術自動故障定位和保護，實現高精度偏差反饋，具有高可靠性。同時驅動模 塊結合期望角度計算模塊內置的監控軟體，具有過流過壓關斷保護功能，實現安全控制；所 述位移檢測電路採用實時電路監控檢測，高精度位移檢測電路實現高精度偏差反饋。
圖1為本發明所提供的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統的結構示意 圖；圖2為本發明所提供的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統中的進口導 向葉片控制原理圖；圖3為進口導向葉片力矩馬達調節處理流程圖；圖4為驅動模塊結構示意圖；圖5為驅動模塊電路示意圖；圖6為位移檢測模塊結構示意圖；圖7為位移檢測模塊較佳的結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明提供了一種發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，包括期 望角度計算模塊1、PI控制模塊2、驅動模塊3、扭矩馬達4以及位移檢測模塊6 ；期望角度 計算模塊1、PI控制模塊2、驅動模塊3以及扭矩馬達4依次連接；扭矩馬達4通過位移檢 測模塊6和PI控制模塊2相連；扭矩馬達4帶動IGV進口導向葉片並輸出IGV進口導向葉 片角度。同時，為了使用效果更好，本發明在上述模塊之外，還提供了故障檢測模塊5，故障 檢測模塊5分別和驅動模塊3、扭矩馬達4以及位移檢測模塊6相連。故障檢測模塊5包括採樣單元以及故障判斷單元；採樣單元和故障判斷單元相 連。參見圖4，驅動模塊3包括DA轉換器、運算放大器以及功率放大器；PI控制模塊通 過DA轉換器和運算放大器相連；運算放大器和功率放大器閉環式連接；功率放大器和扭矩 馬達相連。驅動模塊3結合期望角度計算模塊1內置的監控軟體，具有過流過壓關斷保護 功能，實現安全控制；位移檢測模塊6採用實時電路監控檢測，高精度位移檢測電路實現高 精度偏差反饋。運算放大器是0P400型運算放大器或LF147型運算放大器。功率放大器是電晶體或場效應管。參見圖5，驅動模塊3在運算放大器N2及外圍電路實現將CPU控制電壓IGVTMDADC 轉換為與之成正比的電流I的大小，該電流大小與扭矩馬達的轉動角度成正比，從而實現 由CPU控制扭矩馬達的目的；三極體V25、V26、V27接在運算放大器N2輸出極，由RllO反饋
4到運算放大器N2反向端，實現比例放大關係和使該電路具備較強驅動能力；R126、R127正 反饋負載_扭矩馬達線圈和R132串聯的電壓，實現電壓_電流關係轉換，具體計算是驅動電流I 等於 0. 064IGVTMDADC/R126,當 R126 選 10 Ω，IGVTMDADC 在 0-10V 之 間，故驅動電流為0-64mA ；IGVTMDCP為輸出驅動正極和扭矩馬達正極連接，IGVTMDCM為 反饋的扭矩馬達負極電壓。監控電壓IGVVWADC為IGVTMDCP的分壓，其大小等於驅動電 流I*(Rl+R132)*R125/(R124+R125)，R124、R125為分壓電阻，Rl為扭矩馬達驅動線圈工作 電阻；該電壓量表現了驅動電流和負載的大小，送往A/D轉換器，供軟體判讀；電流監控 IGVCffADC為反饋電壓IGVTMDCM經比例放大器N3放大10倍後的電壓，等於I*R132*10，表 現驅動電流的大小，同樣送往A/D轉換器，供軟體判斷；該驅動模塊3還具備硬體關斷功能， 在保持有效信號產生時，緊急關閉V25使無驅動電流輸出。參見圖6，位移檢測模塊6包括激勵發生器、傳感器以及相敏檢波器；傳感器獲取 通過扭矩馬達傳送出的IGV進口導向葉片角度；激勵發生器分別和傳感器和相敏檢波器相 連；傳感器和相敏檢波器相連；相敏檢波器和PI控制模塊相連。參見圖7，位移檢測模塊6首先將CPU分頻給出的LVDT時鐘信號LVDTCLK轉換為 有驅動能力的正弦波作為LVDT傳感器初級激勵信號IGVP0SSA ；時鐘信號LVDTCLK為方波， 3551Hz，經過比較器N3，由電晶體V10、V10組成的互補推挽供放轉化為幅值士 IOV的方波， 頻率不變；該方波經過正弦波振蕩電器N2轉化為幅值士 IOV的正弦波，作為LVDT傳感器初 級激勵信號IGVP0SSA ；LVDT傳感器的次級產生與IGV行程有關的正弦波信號，該正弦波與 初級激勵正弦波相位相同，二者比值與IGV位移量成正比，反映IGV的位置信息；次級正弦 波正極IGVP0SSC，負極IGVP0SSD ；為了精確計算IGV的位置，消除誤差和幹擾，採用相敏檢 波電路來處理LVDT初級、次級正弦波信號，將其分別轉化為與其幅值成正比的電平信號。相敏檢波器在處理LVDT初級、次級正弦波信號具體方式是相敏檢波脈衝由初 級正弦波IGVP0SSA經濾波器N4轉化為方波，再經單穩D8和電子開關V73轉化為佔空比 4%的窄脈衝方波，該方波高電平時刻正對初級次級正弦波的波峰，只在該時刻使V7、V71 導通對電容C14、C32充電，電容上電壓分別與初級次級正弦波幅值成正比，該電壓分別 經濾波器N7濾波後轉化成LVDT初級電平LVDTPRIDC和LVDT次級電平LVDTSECDC，其中 LVDTSE⑶C中包括+5V的偏移量保證為正值，二者送往A/D，轉化為數字量供軟體計算；LVDT 傳感器初級正弦波的負極通過DCM2模塊板上電阻R70反饋，經N7和二極體整流為直流電 平LVDTBITDC，放映LVDT傳感器是否正常工作。期望角度計算模塊1包括IGV進口導向葉片期望角度計算單元，IGV進口導向葉 片期望角度計算單元是POwerPC、80X86系列微處理器、DSP或單片機。PI控制模塊2是POwerPC、80X86系列微處理器、DSP或單片機。本發明的進口導向葉片(IGV)控制率設計為根據進口導向葉片位置反饋(IGV_A) 與進口導向葉片位置計算值(IGV_C)，採用PI控制率得到IGV調節輸出。根據壓氣機進口 溫度、壓氣機出口溫度、壓氣機進口壓力、APU工作模式和環控需求，計算得到進口導向葉片 位置計算值(IGV_C)。發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統結構採用閉環控制，軟硬體控制結 構。發動機系統中進口導向葉片組件閉環精確抗幹控制技術，其控制算法是
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IGV控制功能的目的是跟據飛機引氣的要求，控制IGV的位置進口導向葉片力矩馬達調節(IGVTMDADC)是根據進口導向葉片角度差(LVDT_D) 來計算，其計算步驟 一進口導向葉片角度(LVDT_A)的計算；一進口導向葉片的期望角度(LVDT_C)的計算；—計算進口導向葉片力矩馬達調節(IGVTMDADC)。參見圖2，該控制算法的控制率主要軟體流程是進口導向葉片實際角度(LVDT_A)的計算；次線性變量差分變壓器(LVDTSEOTC)與主線性變量差分變壓器(LVDTPRIDC)的比 值計算出進口導向葉片角度(LVDT_A)。LVDT_C 的計算；LVDT_C根據當前的狀態有不同的計算公式有實時電路監控檢測出系統故障(防 喘控制閥迴繞故障)LVDT_C為固定的角度A，根據需求和試驗情況確定。本發明還可以無系統故障迴繞測試故障條件1 (觸發電子控制器打開負載控制閥&&發指令啟動主引擎)&&正常供氣 LVDT_C由負載壓氣機進口溫度T2和進口壓力P2決定，採用熱力學、流體力學理論公式和折 線擬和法在軟體中計算，並有限幅公式確定範圍防止超差。條件2 (觸發電子控制器打開負載閥&&不需啟動主引擎)&&正常供氣LVDT_C 根據環控需求(客艙給定區域實際溫度與選定溫度的差值)和折線擬合來計算，並有限幅 公式確定範圍防止超差。那麼本狀態下LVDT_C是為來自環控系統(ECS)的溫度差值的函數。條件3 負載控制閥閥保持關閉狀態I I無法正常供氣LVDT_C = 0 ；進口導向葉片力矩馬達調節(IGVTMDADC)的計算1)進口導向葉片角度差，LVDT_D = LVDT_C-LVDT_A2)積分增益部分
「Xl有故障
0速度< 7% IGVTMDADC_integral n4 =
n-l
，其中Xl為固定值。 其它
+LVDT D*K
IGVTMD ADC_integral n.IGVTMDADC_integraln = IGVTMDADC_integral'3)比例增益部分IGVTMDADC_scale = LVDT_D*K K 為比例因子。4)進口導向葉片力矩馬達調節值IGVTMDADC = IGVTMDADC_integraln+IGVTMDADC_scale進口導向葉片力矩馬達調節在是控制律計算中，其處理流程見圖3。本發明所提供的進口導向葉片高精度高可靠驅動電路，可以從功能和詳細電路兩 方面描述A、功能描述
進口導向葉片扭矩馬達驅動電路完成向進口導向葉片扭矩馬達供能並且進行控 制的功能。CPU通過軟體控制該驅動電路的輸出電流。該驅動通過一個範圍在0到IOV間 的模擬輸入信號產生0到64mA (OmA表示進口導向葉片扭矩馬達IGVTM關閉)的可變輸出。 在需要緊急關斷該驅動時，保持有效信號為低(KASDCLLDS，由CPU模塊硬體產生，低有效) 關閉產生時該驅動被鉗位在關閉狀態。該驅動電路完成了對驅動輸出電壓(IGVVWADC)和扭矩馬達電流(IGVCWADC)的 BIT功能。進口導向葉片扭矩馬達驅動電路包含了運放N2，起電流放大作用的三極體V25、 V26、V27，實現了電壓到電流轉換器的功能。B、電路描述參見圖5，運放N2及外圍電路實現將CPU控制電壓IGVTMDADC轉換為與之成正比 的電流I的大小，該電流大小與扭矩馬達的轉動角度成正比，從而實現由CPU控制扭矩馬達 的目的。V25、V26、V27接在N2輸出極，由RllO反饋到N2反向端，實現比例放大關係和使 該電路具備較強驅動能力。R126、R127正反饋負載-扭矩馬達線圈和R132串聯的電壓，實 現電壓_電流關係轉換。具體計算驅動電流I = 0. 064IGVTMDADC/R126, R126選10 Ω， IGVTMDADC在0-10V之間，故驅動電流為0_64mA。IGVTMDCP為輸出驅動正極和扭矩馬達正 極連接，IGVTMDCM為反饋的扭矩馬達負極電壓。電壓監控IGVVWADC為IGVTMDCP的分壓，等於驅動電流I* (RL+R132) *R125/ (R124+R125)，R124、R125為分壓電阻，Rl為扭矩馬達驅動線圈工作電阻。該電壓量表現 了驅動電流和負載的大小，送往A/D轉換器，供軟體判讀。電流監控IGVCWADC為反饋電壓 IGVTMDCM經比例放大器N3放大10倍後的電壓，等於I*R132*10，表現驅動電流的大小，同 樣送往A/D轉換器，供軟體判斷。該電路還具備硬體關斷功能，在保持有效信號(KASDCLLDS，由CPU模塊硬體產生， 低有效)產生時，緊急關閉V25使無驅動電流輸出。本發明所提供的高精度位移檢測電路參見圖7，該電路主要調理反映IGV(進口導向葉片)位置的LVDT信號，包 括由CPU發來的LVDTCLK產生LVDT位移傳感器初級激勵正弦波，正極IGVP0SSA，負極 IGVP0SSB ；通過初級激勵正弦波產生相敏檢波脈衝；通過該檢波脈衝和相敏檢波電路實現 初級、次級正弦波轉化為與其幅值正比的電平，LVDT初級電平LVDTPRIDC和LVDT次級電平 LVDTSE⑶C，二者送往A/D，由軟體讀其大小，進行計算，得出IGV的位置信息；該電路還包括 LVDT的工作自檢，將LVDT傳感器初級負極的反饋信號檢波成為直流電平，送往A/D，由軟體 判斷LVDT傳感器的工作情況。位移檢測模塊6在工作時，首先將CPU分頻給出的LVDT時鐘信號LVDTCLK轉換為 有驅動能力的正弦波作為LVDT傳感器初級激勵信號IGVPOSSA。LVDTCLK為方波，3551Hz， 經過比較器N3，由電晶體V10、VlO組成的互補推挽供放轉化為幅值士 IOV的方波，頻率不 變。該方波經過正弦波振蕩電器N2轉化為幅值士 IOV的正弦波，作為LVDT傳感器初級激 勵信號IGVPOSSA。LVDT傳感器的次級產生與IGV行程有關的正弦波信號，該正弦波與初級激勵正
7弦波相位相同，二者比值與IGV位移量成正比，反映IGV的位置信息。次級正弦波正極 IGVP0SSC,負極 IGVP0SSD。由於要精確計算IGV的位置，消除誤差和幹擾，採用相敏檢波電路來處理LVDT初 級、次級正弦波信號，將其分別轉化為與其幅值成正比的電平信號。相敏檢波脈衝由初級正 弦波IGVP0SSA經濾波器N4轉化為方波，再經單穩D8和電子開關V73轉化為佔空比4%的 窄脈衝方波，該方波高電平時刻正對初級次級正弦波的波峰，只在該時刻使V7、V71導通對 電容C14、C32充電，電容上電壓分別與初級次級正弦波幅值成正比，該電壓分別經濾波器 N7濾波後轉化成LVDT初級電平LVDTPRIDC和LVDT次級電平LVDTSECDC，其中LVDTSECDC 中包括+5V的偏移量保證為正值，二者送往A/D，轉化為數字量供軟體計算。LVDT傳感器初級正弦波的負極通過DCM2模塊板上電阻R70反饋，經N7和二極體 整流為直流電平LVDTBITDC，放映LVDT傳感器是否正常工作。本發明是工作時，期望角度計算模塊1採集關鍵的壓力、溫度等傳感器感應到的 溫度、壓力信息，根據當前工作狀態信息，計算進口導向葉片(IGV)的期望打開角度，與由 位移檢測模塊6中高精度檢測電路傳來的IGV實際位置進行比較，偏差傳給PI控制模塊2 進行控制計算，輸出控制數位訊號給驅動模塊3，驅動模塊3中由於高精度高可靠驅動電路 的存在，驅動模塊3D/A將數位訊號轉換為驅動電壓再經運算放大器和驅動器轉換為高精 度電流，最後驅動扭矩馬達4帶動IGV轉動，實現對IGV角度的精確控制。
權利要求
一種發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於所述發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統包括期望角度計算模塊、PI控制模塊、驅動模塊、扭矩馬達以及位移檢測模塊；所述期望角度計算模塊、PI控制模塊、驅動模塊以及扭矩馬達依次連接；所述扭矩馬達通過位移檢測模塊和PI控制模塊相連；所述扭矩馬達輸出IGV進口導向葉片角度。
1.一種發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於所述發動機系統中 進口導向葉片組件的控制系統包括期望角度計算模塊、PI控制模塊、驅動模塊、扭矩馬達以 及位移檢測模塊；所述期望角度計算模塊、PI控制模塊、驅動模塊以及扭矩馬達依次連接； 所述扭矩馬達通過位移檢測模塊和PI控制模塊相連；所述扭矩馬達輸出IGV進口導向葉片 角度。
2.根據權利要求1所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於 所述驅動模塊包括DA轉換器、運算放大器以及功率放大器；所述PI控制模塊通過DA轉換 器和運算放大器相連；所述運算放大器和功率放大器閉環式連接；所述功率放大器和扭矩 馬達相連。
3.根據權利要求2所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於 所述運算放大器是0P400型運算放大器或LF147型運算放大器。
4.根據權利要求2所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於 所述功率放大器是電晶體或場效應管。
5.根據權利要求1所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於 所述位移檢測模塊包括激勵發生器、傳感器以及相敏檢波器；所述傳感器獲取通過扭矩馬 達傳送出的IGV進口導向葉片角度；所述激勵發生器分別和傳感器和相敏檢波器相連；所 述傳感器和相敏檢波器相連；所述相敏檢波器和PI控制模塊相連。
6.根據權利要求1所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於 所述期望角度計算模塊包括IGV進口導向葉片期望角度計算單元，所述IGV進口導向葉片 期望角度計算單元是POwerPC、80X86系列微處理器、DSP或單片機。
7.根據權利要求1所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於 所述PI控制模塊是PowerPC、80X86系列微處理器、DSP或單片機。
8.根據權利要求1-7任一權利要求所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系 統，其特徵在於所述發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統包括故障檢測模塊，所述 故障檢測模塊分別和驅動模塊、扭矩馬達以及位移檢測模塊相連。
9.根據權利要求8所述的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，其特徵在於 所述故障檢測模塊包括採樣單元以及故障判斷單元；所述採樣單元和故障判斷單元相連。
全文摘要
本發明涉及一種發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統，包括期望角度計算模塊、PI控制模塊、驅動模塊、扭矩馬達以及位移檢測模塊；期望角度計算模塊、PI控制模塊、驅動模塊以及扭矩馬達依次連接；扭矩馬達通過位移檢測模塊和PI控制模塊相連；扭矩馬達輸出IGV進口導向葉片角度。本發明提供了一種可實現發動機系統中進口導向葉片組件的精確控制的發動機系統中進口導向葉片組件的控制系統。
文檔編號F02C9/20GK101922357SQ20101024194
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月30日 優先權日2009年12月23日
發明者劉海堂, 喻鳴, 毛寧, 汪曉明, 王濟, 白潔 申請人:中國航空工業集團公司第六三一研究所