段晓帅 邓天雨

中国航发控制系统研究所，江苏无锡 214063

0 前言

转速是航空发动机运行过程中的一个重要状态参数。对转速的准确测量是保证航空发动机安全可靠运行的基本要求[1-3]。航空发动机在试车或工作时，有时会在起动和停车过程中出现发动机转速采集结果异常跳变问题。沈阳发动机设计研究所的贾淑芝等人[4]针对该问题进行了研究，识别出影响该问题的几个关键部件对象，但未进一步对问题表现的机理开展研究。

某型航空发动机在地面台架试车时出现动力涡轮转速采集异常问题。问题每次都只发生在特定的一个通道，究其原因为磁电式转速传感器输出波形经过电缆传输后发生畸变。本文重点对问题的表现特征进行识别，通过建立数学模型，对问题发生的机理进行研究，给出问题表现特征的理论解释，并给出同类问题的解决措施。

1 航空发动机控制系统转速测量子系统介绍

该型航空发动机采用双通道冗余备份结构对动力涡轮转速进行采集，双通道测量结构相同。单通道转速测量子系统结构框图如图1 所示。发动机内部音轮转动时，音轮上的齿顶和齿槽交替经过磁电式转速传感器的探头，导致磁阻周期性变化，转速传感器输出交变的电压波形信号。波形信号通过电缆传输到发动机电子控制器（EEC）。EEC 内部的转速处理电路中的迟滞比较器将交变波形信号转换为方波，通过处理器对方波进行计数，最终获取转速值。

2 问题描述

该型航空发动机在地面台架试验台进行试车时，在起动或停车过程中发生数次EEC B 通道采集的转速向上异常跳变问题，影响发动机试车，A 通道始终无异常，问题发生时的转速测量曲线如图2 所示。

3 问题发生机理研究

该型航空发动机的转速测量为双通道冗余设计，采用单支双通道输出型转速传感器对转速信号采集。传感器双通道输出波形分别进入EEC 内部双通道采集。传感器双通道以及EEC 双通道设计相同，在飞机上工作时，使用的传输电缆双通道设计也相同，而在地面台架试车时，为便于台架操作人员对转速进行监控，在传输电缆的B 通道分出一路，由试车间引入到操作间台架监控仪器，台架试验台电缆连接示意图如图3 所示。

因转速传感器双通道信号链路仅传输电缆存在差异，下面对电缆的差异影响进行研究。对转速传感器输出端的原始波形进行测试，波形无异常，如图4 所示。对图3 中的电缆传输末端（EEC 采集前端）的波形进行测量，A 通道波形经过电缆传输后无异常，B 通道波形经过电缆传输后发生畸变。图5 为经过电缆传输后的B 通道波形在低转速、中转速和高转速时的畸变情况。可见，随着转速升高，经过电缆传输后的B 通道波形上逐渐畸变出一个“鼓包”，且“鼓包”幅值相对于正常波形逐渐变大，“鼓包”位置逐渐向正常波形的下方移动。

转速传感器输出波形经电缆传输后进入EEC 进行采集。图6 为EEC 内部转速采集电路的原理图。EEC通过一个迟滞比较器将接收到的转速波形转换为方波，通过FPGA 对单位时间内的方波进行计数，得到当前的发动机转速值。

经过上述分析和测试可知，该型航空发动机在台架试验台起动或停车过程中转速采集结果异常跳变问题的机理如下：转速传感器输出的原始波形经过电缆传输后发生畸变，且随着转速增大，畸变出的“鼓包”幅值逐渐增大、位置逐渐移动。当在某个转速范围内，“鼓包”移动到迟滞比较器的窗口位置，且幅值超过迟滞比较器转换阈值，“鼓包”被当做一个正常波形额外转换为一个方波，导致FPGA 单位时间内采集到的方波数量增加，EEC 转速采集结果变大。随着转速继续增加，“鼓包”离开迟滞比较器窗口位置，EEC转速采集结果恢复正常。整个过程表现为EEC 采集的转速曲线出现一个向上的跳变又恢复的现象。

4 电缆分布电容的影响建模分析

以上完成了经过电缆传输后的波形畸变导致转速采集结果异常向上跳变的理论解释，而转速传感器输出的原始波形经过电缆传输后发生畸变的原因，畸变“鼓包”随着转速幅值和位置发生变化的原因，以及为什么只有B 通道波形才发生畸变等问题是本章研究的目标。

图7 为该型航空发动机转速传感器结构示意图。当音轮转动时，音轮齿顶和齿槽不断经过转速传感器探头，导致转速传感器内部线圈产生交变的感应电动势[5]。建立转速传感器线圈与电缆分布电容的LCR 模型，如图8 所示，其中，R和L分别为传感器线圈的电阻和电感，C为电缆中普遍存在的分布电容[6]。

对图8 中的LCR 模型进行传递函数分析，其传递函数见公式（1）：

其中，G(jw)为传递函数；Uout为模型输出电压；Uin为模型输入电压；R为传感器内部线圈电阻；L为传感器内部线圈电感；C为电缆分布电容。

LCR 模型的幅频特性函数见公式（2）：

其中，A(w)为幅频特性函数。

LCR 模型的相频特性函数见公式（3）：

其中，φ(w)为相频特性函数。

对问题发生时的转速传感器线圈和电缆电气参数进行测量，测得传感器内部线圈电阻R=151 Ω，内部线圈电感为L=45.3 mH，电缆分布电容为C=7.5 nF。将上述参数值代入公式（2）和公式（3），可以通过MATLAB 软件绘制出该型航空发动机转速传感器波形经电缆传输后的幅频响应曲线和相频响应曲线，如图9 所示。

发动机在台架试车时，固定发动机转速使转速传感器输出波形稳定。此时对转速传感器原始波形进行频域测量，获取其频域图像，结果如图10 所示。由图可见，原始输出波形除了包含一个反映发动机转速的基波外，还包含分量较大的二次谐波、三次谐波等高次谐波，且高次谐波频率始终是基波频率的固定倍数。

可见，原始波形中的高次谐波分量才是导致经电缆传输后波形畸变的原因。包含有高次谐波的波形经过电缆传输后，基波和高次谐波位于图9 中幅频响应曲线和相频响应曲线横坐标上不同位置，LCR 模型对各谐波分量的作用结果不同，波形成分发生变化，导致波形发生畸变。

该型航空发动机转速传感器输出频率范围为0～4 kHz，故转速传感器输出原始波形中基波频率范围为0～4 kHz，二次谐波频率始终为基波频率的2 倍，其他高次谐波频率以此类推。在图9 的幅频响应曲线和相频响应曲线上，随着发动机转速升高，基波和高次谐波频率逐渐向右移动，且高次谐波频率始终位于基波的右侧，基波频率范围为0～4 kHz，始终位于响应曲线的平缓区域，而二次谐波频率范围为0～8 kHz，会进入响应曲线的陡峭区域。在幅频响应曲线上，高次谐波随着转速升高，逐渐到达幅频响应曲线的陡峭区域，高次谐波的幅值被大幅放大，反映在时域上，表现为波形畸变情况逐渐严重，这也是在试验现场对转速传感器通过电缆传输后的波形进行检测时，随着转速升高，波形逐渐畸变出“鼓包”，且“鼓包”逐渐增大的原因；在相频响应曲线上，高次谐波随着转速升高，逐渐到达相频响应曲线的陡峭区域，反映在时域上，表现为高次谐波导致的畸变部分的位置变化，这也是试验现场对转速传感器通过电缆传输后的波形进行测试时，“鼓包”随着转速变化而不断移动的原因。

以上是针对起动阶段进行的分析，停车阶段发动机转速逐渐下降，问题机理与此相同。

对双通道电缆的分布电容进行测试，电缆A 通道分布电容为1.3 nF，B 通道分布电容为7.5 nF，可见，B 通道电缆分布电容异常偏大，这也是转速采集结果异常跳变问题每次只在B 通道出现的原因。进一步排查电缆B 通道分布电容相对较大的原因，发现，为便于操作间人员对转速信号同时进行监测，从台架电缆的B 通道分出一路电缆连接到操作间，导致电缆B 通道整体分布电容增大。经过对电缆A 通道传输后的波形进行测量，波形无畸变，如图11 所示，故A 通道转速采集无异常，进一步证实了分布电容是造成B 通道波形畸变的原因。

5 解决措施

电缆分布电容与电缆长度等参数有关。经现场测量，试验台架电缆B 通道引出的电缆长度为十余米，远超所需要的最小长度，经过对台架电缆走向进行优化，大幅减少了电缆长度，将电缆分布电容由7.5 nF减少到1.3 nF，重新试车后，未再发生转速采集结果异常跳变问题。

6 结束语

通过对某型航空发动机转速采集结果异常跳变问题的研究，识别出问题原因为转速信号经电缆传输后发生了畸变。进一步对传感器和电缆进行数学建模研究，根据实测参数对模型进行具体量化，获取该具体模型的特征曲线，通过该模型特征曲线能够解释问题表现，进而证明了模型的正确性。

本文研究过程中的问题排查方法、建立的模型理论、获取的问题机理绝不仅限于该单一问题。本研究成果可为航空发动机地面台架或装机工作时发生的同类问题的分析和优化提供一定的参考意义。