CC BY
102
УДК 621.317
А. В. Ляшенко
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ТУРБОАГРЕГАТА СТАРТОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
A. V. Lyashenko
INFORMATION-MEASURING SYSTEM FOR ROTOR SPEED OF ROTATION CONTROL OF TURBO GENERATOR BOOSTER ENGINE
Аннотация. Актуальность и цели. Одной из важнейших задач, решаемых информационно-измерительными (ИИС) и управляющими системами аварийной защиты при пуске ракет-носителей, является измерение частоты вращения ротора турбоагрегата стартового двигателя с последующей выдачей управляющего сигнала в органы управления. Целью данной работы является теоретическое обоснование и экспериментальные исследования помехоустойчивой ИИС контроля частоты вращения, обладающей высокой надежностью и точностью измерений. Материалы и методы. Информационно-измерительная система, обеспечивающая работу с одним датчиком, состоит из двух независимых каналов обработки сигналов, дублирующих друг друга обмоток индукционного датчика частоты вращения, построенных на базе двух микроконтроллеров типа 1887ВЕ1У. В каждом канале обработки выполняется измерение частоты выходного сигнала датчика, контроль целостности соответствующей обмотки датчика и формирование выходного аналогового сигнала пропорционально значению частоты вращения. Цифровой интерфейс RS485 реализован на первом микропроцессоре, добавление информации о втором канале в интерфейс RS485 производится первым микроконтроллером после считывания данной информации из микроконтроллера второго канала по последовательному интерфейсу SPI, соединяющему их между собой. Результаты. Рассмотрены особенности построения информационно-измерительной системы контроля частоты вращения ротора турбоагрегата стартового двигателя с индуктивными датчиками. Приведено описание функциональной схемы одного из дублированных каналов системы, выполненной на базе отечественных микроконтроллеров и ее основные технические характеристики. Особое внимание уделено методам обработки сигналов, обеспечивающим повышение помехоустойчивости системы и ее надежности. Показано влияние периодических и импульсных помех на результат измерения. Оценены достоинства и недостатки известных способов повышения помехоустойчивости. Предложено использовать для повышения помехоустойчивости сочетание методов амплитудной и временной селекции. Выводы. Изложенные методы повышения помехоустойчивости информационно-измерительной системы позволили получить в диапазоне частот от 10 до 20000 Гц при уровне выходного сигнала датчика не менее 60 мВ и отношении сигнал/помеха более двух приведенную погрешность измерения частоты по цифровому выходу более ±0,1 %, а по аналоговому входу - не более ±0,2 %.
Abstrac t. Background. Data-measuring systems and controlling systems of emergency protection deal with one of the most important goals while firing a launch vehicle, that is to
measure rotary speed (RPM) of turbogenerator set in the boost rocket motor with subsequent transmission of actuating signal into the controls. This paper objective includes theoretical underpinning and experimental research of a noise-immune data-measuring system for speed of rotation control characterized by high reliability and high measurement accuracy. Materials and methods. Data-measuring system, proving one transducer operation, consists of two independent channels for signal processing, mirrored windings of variable inductance speed-of-rotation transducer, based on two 1887ДЕ1У microprocessor control units. Each processing channel deals with output frequency measurement, corresponding winding intactness control and output analog signal generation, pro rata with speed of rotation. Digital interface RS485 is implemented in the first microprocessor control unit, which transfers data from the second channel into RS485 interface after reading these data out of the second channel microprocessor control unit through serial interface SPI connecting both units. Results. The special features of the information-measuring system construction to control the rotor speed of rotation in turbo generator booster engine with inductance transducers are presented. The functional circuit of one of dual channels of the system, based on made in Russia microcontroller, and circuit performances are described. Signal processing methods providing higher noise immunity and reliability are emphasized. Periodic and impulse noises influence on measurement results is shown. Advantages and disadvantages of previously known noise immunity methods are estimated. It is offered to use amplitude and temporal discrimination methods to increase noise immunity. Conclusions. Following the outlined in this paper methods for enhancing noise immunity of the data-measuring system, it's been possible to obtain the reduced error of frequency measurement - more than ±0,1 % for the digital output, and not more than ±0,2 % for the analog output, when the frequency range is from 10 to 20000 Hz, transducer output signal is not less than 60 mV, and ratio "signal/noise" is more than two.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, индукционный датчик, помехоустойчивость, амплитудная селекция, временная селекция.
Key words: information-measuring system, inductance transducer, noise immunity, amplitude discrimination, temporal discrimination.
Одной из важнейших задач, решаемых информационно-измерительными (ИИС) и управляющими системами аварийной защиты при пуске ракет-носителей является измерение частоты вращения ротора турбоагрегата стартового двигателя. Исходя из результатов измерения формируются команды управления двигателем. Задача измерения усложнена тем, что вблизи двигателя могут находиться электрические кабели систем управления двигателем, по которым осуществляется подача мощных сигналов, управляющих исполнительными элементами двигателя (пироклапанами, электропневмоклапанами и др.), являющихся наряду с цепями питания бортовой электроники источниками мощных электромагнитных помех.
ИИС для контроля частоты вращения должна обладать высокой надежностью и требуемой точностью измерений. Для обеспечения этих требований ИИС выполняют с дублированием измерительных каналов. При обработке измерительной информации особое внимание уделяют внедрению помехоустойчивых алгоритмов.
В качестве первичных преобразователей частоты вращения обычно используют индукционные датчики, обладающие малыми габаритами и наименее подверженные влиянию наводок благодаря малому внутреннему сопротивлению. Экспериментально проверено и теоретически доказано, что требуемая надежность ИИС достигается при использовании двух дублирующих друг друга датчиков, установленных с противоположных сторон ротора. Каждый датчик имеет две независимых выходные обмотки. Таким образом, ИИС для контроля частоты вращения получается четырехканальной.
Функциональная схема системы, обслуживающей один датчик (рис. 1), состоит из двух независимых каналов обработки сигналов дублирующих друг друга обмоток L1 и L2 индукционного датчика частоты вращения, построенных на базе микроконтроллеров 1 и 2 типов 18875Е1У. В каждом канале обработки выполняется измерение частоты выходного сигнала
датчика, контроль целостности соответствующей обмотки датчика и формирование выходного аналогового сигнала пропорционально значению частоты вращения. Цифровой интерфейс ДО485 реализован на первом микропроцессоре, добавление информации о втором канале в интерфейс ДО485 производится первым микроконтроллером после считывания данной информации из микроконтроллера второго канала по последовательному интерфейсу £Р/, соединяющему их между собой.
Рис. 1. Функциональная схема измерительного канала ИИС
Бортовые аналого-цифровые преобразователи (АЦП) микроконтроллеров оцифровывают выходные сигналы с обмоток датчика. Затем коды обрабатываются микроконтроллером в соответствии с изложенным далее алгоритмом, обеспечивающим помехоустойчивость измерений. Результатом обработки являются значения частоты выходного сигнала датчика по каналам. Отдельные результаты измерений в каждом канале усредняются в зависимости от предъявляемых требований в течение 10 или 40 мс. За счет применения скользящего окна усреднений обновление значений результатов измерения происходит через каждые 50 мкс.
Результаты измерения выводятся в цифровом виде одним файлом через последовательный порт и гальваническую развязку по интерфейсу Я8485 и в аналоговом виде отдельно по каналам соответственно через цифроаналоговые преобразователи ЦАП1 и ЦАП2 и выходные усилители ВУ1 и ВУ2 с максимальным уровнем напряжения 6 В.
Измерение частоты выходного сигнала датчика осложнено влиянием помех. На рис. 2 приведена осциллограмма выходного сигнала датчика частоты вращения, снятая при стендовых испытаниях двигателя, а на рис. 3 укрупненно показан ее фрагмент, в котором выделены зоны возможного ложного обнаружения сигнала датчика. В этих зонах изменение текущего значения сигнала под действием помехи достигает значения амплитуды полезного сигнала. Возможно ложное обнаружение импульса датчика, что приводит к увеличению фактического результата измерения относительно действительного значения. Помеха влияет как на амплитуды полуволн сигнала, так и на их вольт-секундные площади, увеличивая их для одной из полуволн и уменьшая для полуволн противоположной полярности. Наиболее сильно сказывается влияние помехи на определение длительности сигнала по моментам смены полярности. Полученный результат может в несколько раз отличаться от действительного значения. Возможно также подавление сигнала датчика помехой, что приводит к занижению результата измерения.
Рис. 2. Осциллограмма выходного сигнала датчика на стендовых испытаниях двигателя
Для борьбы с этими негативными эффектами используется свойство индукционных датчиков увеличивать амплитуду выходного сигнала пропорционально скорости изменения магнитного поля, сцепленного с обмоткой датчика [1]. Повышение помехоустойчивости достигается увеличением порога обнаружения импульсов пропорционально результатам измерения частоты. Попытки дальнейшего увеличения помехоустойчивости, основанные на использовании в качестве критерия появления импульса датчика значения его вольт-секундной площади [2, 3] вместо значения амплитуды импульса, существенного эффекта не дали. Это объясняется тем, что амплитуда периодической помехи может быть сравнительно большой, это затрудняет
определение фактической длительности сигнала и может сказаться на результатах измерения вольт-секундной площади сигнала, особенно при малых значениях частоты вращения. Кроме того, помеха в интервалах между импульсами датчика при неправильном выборе способа или порога обнаружения может быть ошибочно принята за сигнал, что представляет наибольшую опасность при измерении частоты вращения.
Наиболее эффективным способом борьбы с периодическими помехами является амплитудная селекция [4]. Она успешно работает, если уровень обнаружения сигнала выбран равным минимально возможной амплитуде сигнала датчика для данной частоты вращения, уменьшенной на предельно возможное значение амплитуды помехи. Качество обнаружения значительно возрастает при анализе амплитуд обеих полуволн импульсов датчика.
Импульсные помехи приводят к появлению грубых промахов результатов измерений. При амплитуде такой помехи, соизмеримой с амплитудой полезного сигнала, единственным способом повышения качества обнаружения является временная селекция сигнала. Для этого в процессе измерения необходимо определение не только значения частоты вращения, но и скорости ее изменения. На основании этой информации можно экстраполировать момент появления следующего импульса датчика и разрешать проведение операции обнаружения только в это время.
Проведенный анализ позволил сформулировать основы способа измерения частоты вращения в условиях действия помех, использующего сочетание методов амплитудной и временной селекции [5-7]. Обнаружение импульса датчика производится, если сигнал соответствует следующим требованиям:
1) сигнал двухполярный;
2) амплитуда первой полуволны сигнала превышает половину минимально возможной амплитуды сигнала индукционного датчика при данной частоте вращения (при дальнейшем увеличении порога обнаружения возможен пропуск второй полуволны сигнала, имеющей противоположную полярность);
3) вторая полуволна сигнала обнаруживается в интервале времени, обусловленном ожидаемым моментом ее появления, определяемым последним результатом измерения частоты вращения и скоростью изменения результатов;
4) вторая полуволна сигнала имеет полярность, противоположную полярности первой полуволны;
5) амплитуда второй полуволны превышает половину своей минимально возможной амплитуды;
6) следующая первая полуволна сигнала обнаруживается в интервале времени, обусловленном ожидаемым моментом ее появления, определяемым последним результатом измерения частоты вращения и скоростью изменения результатов.
Усреднение результатов отдельных измерений дополнительно позволяет исключить погрешности, связанные с пропуском отдельных импульсов сигнала датчика, дискретностью следования импульсов и вариацией интервала следования импульсов, вызванными помехами.
В связи с тем что быстродействие АЦП микроконтроллера 18875Е1У сравнительно невелико, цифровая обработка используется, пока частота сигнала не превосходит 2 кГц. При более высоких частотах контроль амплитуды сигналов осуществляется с помощью компараторов К1-К4, выполняющих роль формирователей импульсов. Микроконтроллер осуществляет только оценку моментов времени срабатывания компараторов и принятие решения о наличии сигнала датчика. Изложенный выше алгоритм обработки информации сохраняется.
Поскольку на частотах сигнала датчика, превышающих 2 кГц, амплитуда сигнала приближается к вольтовым значениям, порог срабатывания компараторов К1-К4 установлен постоянным исходя из минимально возможного значения амплитуды сигнала на частоте 2 кГц.
Изложенные меры повышения помехоустойчивости позволили получить в диапазоне частот от 10 до 20 000 Гц при уровне выходного сигнала датчика не менее 60 мВ и отношении сигнал/помеха более двух приведенную погрешность измерения частоты по цифровому выходу более ±0,1 %, а по аналоговому входу - не более ±0,2 %.
Одним из наиболее проблемных мест в условиях действия вибраций и ударов является электрическое соединение датчика и электроники в ИИС. С целью повышения надежности предусмотрено диагностирование целостности обмоток датчика и линии связи. В режиме
диагностирования ключи К1 и К2 замыкают входы дифференциальных усилителей на землю. При исправности цепей на выходах усилителей напряжение равно 0,5 Цп. При наличии обрыва это напряжение уменьшается в четыре раза.
Режим диагностирования включается по команде микроконтроллера в случае нулевого значения частоты выходных сигналов датчика. Из порта вывода поступает сигнал, открывающий ключи К1 и К2. АЦП оцифровывает выходные напряжения дифференциальных усилителей. По результатам анализа на выходы микроконтроллера подается сигнал диагностики. При появлении сигнала датчика с частотой выше 10 Гц диагностирование прекращается.
Список литературы
1. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник / под общ. ред. Ю. Н. Коптева. - М. : Радиотехника, 2000. - Т. 2. - 561 с.
2. Патент 2173022 Российская Федерация. Формирователь импульсов индукционных датчиков оборотов / Логутов В. В., Чайка Ю. А. - Опубл. 27.08.2001.
3. Патент 2352058 Российская Федерация. Способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения / Мурашко Н. А., Мурашко О. А. - Опубл. 10.04.2009.
4. Ляшенко, А. В. Способ обработки сигналов в системе аварийной защиты с индукционных датчиков частоты вращения / А. В. Ляшенко, Д. В. Пена, Б. В. Цыпин // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2011. - Т. 2. - С. 432-433.
5. Патент № 2399153 Российская Федерация. Способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения / Мокров Е. А., Елизаров В. П., Мельников А. А., Цыпин Б. В. - Опубл. 10.09.2010, БИ № 25.
6. Патент № 2399154 Российская Федерация. Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения / Мокров Е. А., Елизаров В. П., Мельников А. А., Цыпин Б. В. - Опубл. 10.09.2010, БИ № 25.
7. Патент № 2400929 Российская Федерация. Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения / Мокров Е. А., Елизаров В. П., Орлов В. Н., Мельников А. А., Цыпин Б. В. - Опубл. 27.09.2010, БИ № 27.
Ляшенко Антон Валерьевич
начальник отдела центра 1, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: preobrazovatel@niifi.ru
Lyashenko Anton Valer'evich
head of Department Center 1, Scientific-research Institute of physical measurements (8/10 Volodarskogo street, Penza, Russia)
УДК 621.317 Ляшенко, А. В.
Информационно-измерительная система контроля частоты вращения ротора турбоагрегата стартового двигателя / А. В. Ляшенко // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2016. - № 1 (15). - С. 37-42.
