辅助动力装置超转保护系统的设计论文

导读:针对现有目前辅助动力装置的超转保护功能的不足,本文提出了一种基于CPLD的超转保护系统的设计方法,并在某辅助动力装置的超转保护中得到成功应用。应用结果表明,该超转保护系统可以预防

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  摘要:针对现有目前辅助动力装置的超转保护功能的不足,本文提出了一种基于CPLD的超转保护系统的设计方法,并在某辅助动力装置的超转保护中得到成功应用。应用结果表明,该超转保护系统可以预防断齿、断轴、剃齿等故障的发现。有效的保护辅助动力装置,延长辅助动力装置寿命,防止重大事故发生,具有显著的社会效益和经济效益。
  关键词:航空发动机;辅助动力装置;超转保护控制;CPLD
  Design of Over-speed Protection System for APU
  XIONG Yongjun,YANG Qi,WU Chang
  (AECC South Industry Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412002)
  【Abstract】:In order to improve the Over-speed Protection Controller of the Auxiliary Power Unit,a new design method based on CPLD is proposed in this paper,and has been successfully applied in the Over-speed Protection System of Auxiliary Power Unit.The application results show that the Over-speed Protection System can prevent the occurrence of faults,effectively protect the Auxiliary Power Unit,prolong the service life of the an Auxiliary Power Unit prevent the occurrence of serious accidents,and has significant social and economic benefits.
  【Key words】:aero-engine;Auxiliary Power Unit(APU);Over-speed Protection Controller(OPC);CPLD
  0引言
  随着大功率发动机的出现,使用电动机已无法提供如此大的能量来带动发动机达到点火燃烧时的转速,这时,采用辅助动力装置,用气源代替电源来起动发动机成为了现在大功率发动机的起动方式。辅助动力装置具有转速高,转动惯量小的特点,更容易发生超转,超转的危害也更大,容易造成危及其他系统的断齿、断轴、剃齿等重大故障。
  发动机超转保护功能是与燃油流量控制相互独立的功能模块,是航空发动机中最重要、运用最广泛的安全保障系统之一。只要检测到发动机超转就控制停车电磁阀动作泄油,阻止发动机超转,从而保护发动机,延长
发动机寿命,防止重大事故发生。目前辅助动力装置的超转保护功能,存在以下缺点:
  (1)辅助动力装置自身没有超转保护装置,而是依靠大发的超转保护系统来保护辅助动力装置不超转。这种情况下,辅助动力装置如果起动时发生断齿、断轴、剃齿等无法带动大发正常旋转时,大发不会超转,大发的超转保护装置就起不到保护辅助动力装置的作用。


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  (2)辅助动力装置仅具有简单的超转保护功能,仅在动力涡轮转速超过设定值才会起到保护作用,而在辅助动力装置发生断齿、断轴、剃齿等重大故障初期不能进行有效的保护,容易危机其他系统及人员安全。
  针对现有目前辅助动力装置的超转保护功能的不足,本文提出了一种基于CPLD的超转保护系统的设计方法,并在某辅助动力装置的超转保护中得到成功应用。应用结果表明,该超转保护系统可以预防断齿、断轴、剃齿等故障的发现。有效的保护辅助动力装置,延长辅助动力装置寿命,防止重大事故发生,具有显著的社会效益和经济效益[1]。
  1工作原理
  辅助动力装置超转保护系统用于减速器异常时进行停车保护。其工作原理为接收起动机动力涡轮Np转速信号进行放大调理后,根据高度信号Po以及起动后Np的信号特征作出减速器是否有异常导致超转运行,在存在异常时切断输给停车电磁活门的电源并保持锁死,以达到超转保护的目的。
  辅助动力装置超转保护系统主要功能要求如下:
  (1)动力涡轮转速Np达到保护转速设定值(110%±2%)时进行停车保护;
  (2)动力涡轮转速Np转速下降率低于设定值(-2000rpm/s),且持续15个周期(200ms采集一次),发生降速变化时,进行停车保护;
  (3)通电时间大于设定值(当高度小于3.8km时,11s;当高度大于等于3.8km时,13s)无Np信号或Np转速低于设定值(2000rpm)时,进行停车保护。
  2硬件系统设计
  辅助动力装置超转保护系统主要包括电源单元、大气压力采集单元、转速采集单元、主控单元和执行机构单元。超转保护系统的功能原理框图如图1所示。


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  针对抗电磁干扰辅助动力装置超转保护系统进行了特别设计,电源部分进行了隔离、滤波处理,并且增加了抗EMC器件,信号部分也进行了隔离滤波处理,并且在壳体上进行了屏蔽,克服了现有技术抗干扰能力弱的缺陷;软件上的冗余设计、容错设计,及自检单元的设计,克服了现有技术可靠性低的缺陷。
  2.1转速采集单元设计
  辅助动力装置超转保护系统转速采集单元接收起动机动力涡轮Np转速信号,先对输入信号进行整形,将大幅值的正弦波信号限幅,经施密特触发器转化整形为适合主控单元IO端口电气性能的方波信号输给主控单元CPLD[2]。
  2.2大气压力采集单元设计
  辅助动力装置超转保护系统大气压力采集单元包括大气压力传感器,调理电路对Po进行差分放大处理后分档输出频率信号作为高度信息输给CPLD主控单元,电路设计如图2所示。



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图 2 大气压力采集电路
  2.3主控单元设计
  主控单元晶振产生电路所需的时钟信号和基准信号,调理电路对Po进行差分放大处理后分档输出频率信号作为高度信息输给CPLD主控单元,并做相关逻辑运算,判别工作模式和环境高度,调理电路对Np转速信号进行放大处理后输给CPLD处理,并做相关逻辑运算,进行超转异常处理并输出故障信号,经逻辑控制电路分析后输出停车信号使继电器动作,断开停车电磁活门供电,由于是磁保持继电器,继电器的常闭触点将一直保持断开,除非外加信号,才可复位[3]。



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  3软件系统设计
  常用的测频方法有直接测频法、周期测频法和等精度测频法。直接测频法是在一定时间间隔T内测出被测信号重复变化的次数N,根据公式f=N/T计算出被测信号的频率f;测周法是在被测信号的一个周期内测出标准高频信号的个数N,标准高频信号的周期为T,根据公式f=1/NT计算出被测信号的频率f。直接测频法适用于高频率信号的频率测量,周期测频法适用于低频信号的频率测量。
  本文采用等精度测频法进行频率测量,这种方法在实际闸门时间为被测信号频率整数倍的条件下,对被测信号计数时产生的±1个字误差可以完全消除掉。其测量原理为:首先给出闸门开启信号,此时计数器CNT1、CNT2并不开始计数,而是等到被测信号SIGIN的上升沿到来时,计数器才开始真正计数。经过一段时间后,预置闸门关闭信号到来时,计数器并不立即停止计数,而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数,完成一次测量过程。此时可分别读取计数器CNT1、CNT2的计数值OUT1、OUT2,用被测信号SIGIN的计数值OUT2除以标准信号CLK的计数值OUT1,再乘以标准信号CLK的频率值就得到了被测信号SIGIN的频率值。
  3.1超转功能设计
  采用硬件描述语言VHDL/Verilog,在CPLD内部实现动力涡轮转速Np的计算,该逻辑算法采用采用等精度测频法进行频率测量,并将频率测量值保存在寄存器中,用于超转判断和动力涡轮转速变化率ΔNp的计算。采用硬件描述语言VHDL/Verilog,在CPLD内部实现超转保护逻辑。该逻辑实时监测辅助动力装置的动力涡轮转速,当转速超过安全限制时,该逻辑模块按照
  预设的安全模式控制切断输给停车电磁活门的电源并保持锁死,以达到超转保护的目的[4]。程序如下:
  //超转保护
  always(posedge clk_100M)begin
  if(cnt4==cycle_num1)begin
  cnt4_r<=cnt4;
  cnt4<=6&#39;d0;
  end
  if((cnt4<cycle_num1)&&(gate_end==1&#39;b1))
  begin
  cnt4<=cnt4+1&#39;b1;
  end
  if(cnt4_r==cycle_num1)begin
  cnt5_r<=cnt5;
  cnt4_r<=6&#39;d0;
  cnt5<=6&#39;d0;
  end
  if((cnt4<cycle_num1)&&(cnt3_r<10&#39;d10))begin
  cnt5<=cnt5+1&#39;b1;
  end
  仿真结果表明,当输入转速大于2000rpm/min时,Waring2输出高电平,满足设计要求。
  3.2高度功能设计
  采用硬件描述语言VHDL/Verilog,在CPLD内部实现和海拔高度h的计算,根据不同的海拔高度设定不同的辅助动力装置通电工作时间(如:当高度小于3.8km时,11s;当高度大于等于3.8km时,13s)无动力涡轮转速Np信号或动力涡轮转速Np转速小于设定值(如:2000rpm)时,进行停车保护。程序如下:
  //不同的海拔高度保护
  always(posedge clk_100M)begin
  if(cnt4==cycle_num1)begin
  cnt4_r<=cnt4;
  cnt4<=6&#39;d0;
  end
  if((cnt4<cycle_num1)&&(gate_end==1&#39;b1))begin cnt4<=cnt4+1&#39;b1;
  end
  if(cnt4_r==cycle_num1)begin
  cnt5_r<=cnt5;
  cnt4_r<=6&#39;d0;
  cnt5<=6&#39;d0;
  end
  if((cnt4<cycle_num1)&&(cnt3_r<10&#39;d10))begin cnt5<=cnt5+1&#39;b1;
  end
  if((cnt5_r>=6&#39;d20)&&(altitude_out!==3&#39;b111))W2<=1&#39;b1;
  else
  W2<=1&#39;b0;
  仿真结果表明,当海拔低于3800m时11内转速低于2000r/min时,Waring2就会对外输出报警信号。满足设计要求。同理用于13s内的转速判定。
  4结论
  针对现有目前辅助动力装置的超转保护功能的不足,本文提出了一种基于CPLD的超转保护系统的设计方法,并在某辅助动力装置的超转保护中得到成功应用。应用结果表明,该超转保护系统可以预防断齿、断轴、剃齿等故障的发现。有效的保护辅助动力装置,延长辅助动力装置寿命,防止重大事故发生,具有显著的社会效益和经济效益。
  参考文献
  [1]熊勇军.超转保护方法及装置[P].中国:CN11074842421B,2021-04-13.
  [2]陆从青,吴建辉.基于CPLD的高分辨AD转换电路设计[J].电子器件,2010(1):66-70.
  [3]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2002.
  [4]Stephenbrown,Zvonkovranesic.数字逻辑基础与VHDL设计[M].北京:清华大学出版社,2011.

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来源:SCI论文网

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