飞机发动机滑油在线监测系统电流源设计

郝魁红，李 斌

（中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300）

滑油监测是飞机发动机状态的重要监控内容。目前的监测方法大都为离线监测，而故障随时都可能发生。飞机发动机滑油在线监测系统对于实时监测发动机工作状态，提前预警发动机故障很有价值。在线滑油监测系统的传感单元可以简化为一组螺线管线圈，对其激励使线圈内形成交变磁场，利用电磁感应原理检测线圈内经过的磨粒类型及其状态。当外端两个参数相同、极性相对的线圈内通过交变电流，线圈内部即产生交变磁场，由于两螺线管线圈参数相同极性相对，所以中部的螺线管的磁场是平衡的。当有金属磨粒经过时，感应磁场的平衡被打破，中间的感应线圈会产生感应电压，从而获得金属磨粒的信息。

由于磨粒信息的检出与其所受的交变磁场直接相关，因此希望交变磁场受传感器结构尺寸参数、分布电抗参数和环境的影响要小，若传感器激励采用电流源激励，则可克服诸多不利影响，同时，交变磁场的强度与电流激励强度成正比，因此，设计良好的输出电流较大的电流源对信号的产生及滑油在线监测至为关键。

根据系统需求，本文设计基于DDS为核心，采用MSP430单片机控制电流反馈放大器AD844和高频运算放大器AD811，构成精密程控交流电流源。经过测试，针对传感器电阻较小的特征，在其工作激励频率范围及负载大小要求下，本交流电流源系统在输出电流较大的情况下具有较高输出阻抗和稳定的电流输出，适用于飞机发动机润滑油在线监测系统。

1 系统硬件

1.1 单片机及DDS直接数字合成芯片

电流源采用MSP430单片机为控制器。它具有超低功耗，软件编程简单，内置模块以及I/O接口丰富等特点，被广泛应用于众多精密控制设备中。DDS直接数字频率合成是一种新的全数字的频率合成技术，目前DDS芯片以其频率分辨率高、转换速度快、体积小、性价比高等优点被广泛应用。

AD7008是AD公司生产的DDS芯片中应用较为广泛的一种，为数字式调制，能实现频率、幅度和相位的精确调制。时钟频率为20 MHz或50 MHz，输出频率为（0～25）MHz，分辨率Δf =（50x106）/232 = 0.011 64 Hz。其内部结构如图1 所示[1]。

图1 AD7008内部结构图Fig. 1 Internal structure of AD7008

1.2 电流反馈放大器AD844

AD844是AD公司生产的采用互补双极型工艺制造的高速单片运算放大器。可以看做是一个电流传输器连接一个跟随器，具有良好的高带宽和快速反馈的特性，其原理图如图2所示。同相输入端（3脚）输入呈高阻抗，约为10 MΩ[3]。此输入端的电压经过一低失调电压转移到反相输入端（2脚）。反相输入端的输入电阻RX约为50Ω。加到反相输入端的电流由电流传输器复制而输入到内部节点（5脚）处的电阻RZ中，经过RZ产生的电压由单位增益缓冲放大器经6脚输出。AD844为第二代电流传输器件，其电流反馈具有较高的线性度[6]。这种放大器提供了一个主要由反馈电阻决定的闭环带宽，是一个几乎独立的闭环增量。AD844可以在±2.5 V的范围内驱动50 Ω负载并有80 mA漏电保护。

图2 AD844原理图Fig. 2 diagram of AD844

2 电路整体构成

电流传输器电路的性能既取决于作为两输入端之间电压缓冲器电路的能力，也取决于阻抗相差悬殊的两个端口间传输电流的能力。根据系统要求，设计了图3所示的程控交流电流源总体电路。MPS430单片机控制DDS芯片AD7008输出适当频率和幅值的正弦波信号，以满足滑油监测传感器激励的需求。其中AD811为普通的高频运算放大器，V/I转换采用电路由AD811和AD844共同完成。AD844会因第一级精度低而带来误差，用一个带宽相同的运算放大器作为输入缓冲，可以使输出电阻虚0，这样就不会给跨导带来误差。为了避免直流信号使输出端的隔直流电容饱和，系统中设计了直流反馈电路。

3 软件设计

图3 电流源总体电路Fig. 3 Overall circuit of current resource

对信号幅值和频率的控制，要使AD7008的复位信号RESET有效，在复位后，各寄存器均被置零，然后下载命令寄存器，选择AD7008的运行模式，根据上位机或EEPROM的数据依次装载频率、相位和IQ寄存器。在要求控制输出信号幅度的场合下，AD7008提供了很多种方法。1)用户通过向正交幅度调制寄存器写入数据来控制输出信号的幅度；2)通过选择下载电阻或改变RESET进行控制[2]。

直接数字频率合成器的输出频率计算。设输出频率为FOUT，参考频率为FCLK，AD7008的控制字为FCW，可得出三者之间的关系为：FCW = (FOUT×232)/FCLK。系统AD7008采用基础频率为50 MHz。

图4 控制流程图Fig. 4 Control flow graph

4 电路参数选择及测试

图2中的Rx与图3中的R1串联，由于R1中的电流与AD844的第5脚输出电流为镜像关系，所以R1的选择直接影响电路输出电流的大小。R1选择的过大或过小都会影响电路性能，经测试，当R1=380 Ω时，电路输出电流达到最大值8 mA。当R1＜380 Ω时电路的输出波形逐渐发生失真，R1接近0时电路输出为近似方波。电阻R1的选择，不因AD811的输入信号频率和幅值的变化而变化。因为图4中电容C与电阻R2组成低通滤波电路，C选的越大R1两端的电压差越大，通过的电流也就越大，根据电流源输入频率，文中C选 10μF。

5 电路带负载能力分析

输出阻抗是电压控制电流源品质的重要参数。在飞机润滑油磨粒检测系统中，对传感器的电感和分布电容分析得出，为使激励信号与输出信号没有相位差，要求VCCS的频率范围在（3～10 kHz），并且具有较高的输出阻抗。分析方法：在输出电阻上串联一个可变电阻RP与RL作为电压控制电流源的负载。改变电阻RP可以测得两个不同的负载值，从而可得出电路的输出阻抗，测试时，保持电流源输出在较大电流（8 mA左右）。原理如图5所示[4]。

图5 负载特性测试电路Fig. 5 Circuit of load capability

图中，ZS为电压控制电流源的输出阻抗，RL与可变电阻RP串联作为电压控制电流源的负载。改变可变电阻的值，就可得到不同的负载，从而得出输出阻抗。

全部负载（RL+RP）上的电压等于输出阻抗ZS上的电压，因此可得：

选择不同的电阻性负载RP测试后得出结果如表1所示：

表1 不同频率时电流源内阻Tab.1 Different internal resistance with different frequency

从表1数据可知，电流源系统频率到3 kHz左右时，内部阻抗约2 MΩ[5]。

本文设计的电流源将用于飞机润滑油在线监测系统，所以进行了如下感性负载测试（如图6）。当电路的负载为电感性负载时，测量方法及结果如图6所示。

电感为线圈缠绕所制，所以增加了限流电阻R=2 Ω。整个润滑油监测系统所需的激励频率在3.5 kHz，测试频率也选择3.5 kHz±10%，同样，电流源输出电流保持在8 mA左右。测试结果绘制成折线图如图7所示。

电感的选择从1 mH到2 mH，感抗变化在12.56～62.8Ω，由图中折线部分可以看出在负载电感变化时，同一频率下电流的变化很小，变化率在0.2%以内，而且不同频率下总体电流值在7.9 mA附近浮动，变化较小。

6 结 论

图6 感性负载测试电路Fig. 6 Test circuit of inductive load

图7 感性负载测试结果Fig. 7 Test result of inductive load

根据上文中的测试结果可以得出，文中设计的交流电流源，能输出稳定的8 mA电流而且变化率在1%以内，能适应传感器自身内阻低的要求。在整个润滑油监测系统中，运行平稳，控制方便，频率相位调节速度快，失真小，能够达到整个系统对电流源的要求。

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