某型发动机进气温度T1异常跳动故障分析与排除

胡惠芳 宁小伟 赵柯 邓林

摘要：某型发动机数字调节器输出的发动机进气口温度T1多次出现线性电压异常跳动情况，对此从发动机T1测量及线性电压输出原理出发，结合电磁兼容、信号完整性理论及故障测试结果进行分析，最后确定了故障原因，并制定了排除该故障的有效措施。

关键词：T1温度；数字调节器；信号完整性；排故方法

Keywords：T1 temperature；digital electronic engine controller；signal integrity；eliminate methods

0 引言

发动机进气口温度T1是控制发动机的重要参数，发动机的n1、n2、T4调整程序、n1换算转速等多项控制参数都受T1温度影响，该参数的可靠性对发动机的稳定控制非常重要。当飞机记录的T1线性电压存在异常跳变时，确认其跳变原因并制定解决措施是非常必要的。本文针对某型发动机数字调节器输出的T1线性电压异常跳变故障进行研究，分析其故障成因并制定排故方法，以供同行分析参考。

1 故障描述

多台某型发动机飞行结束后，对飞机记录的发动机飞行数据进行判读，发现由数字调节器输出的T1线性电压存在异常掉为0V的情况。送修后，在给定T1温度为0℃条件下，对故障数字调节器输出的T1线性电压进行示波，发现故障调节器的T1线性电压在短时间内存在多次掉为0V的异常跳變情况（T1由0℃变为-60℃），单次跳变持续16ms，跳变的频次比较随机，较快时能达到每秒6次左右，典型的异常输出波形如图1所示。经统计，明显存在该异常跳变的数字调节器有十余台。

2 工作原理

2.1 数字调节器T1测量原理

T1温度测量、线性电压输出原理如图2所示。CPU控制恒流源输出两路恒定电流I1、I2，其中I1电流通过T1传感器后形成与温度相关的敏感电压，敏感电压经过程控放大器放大后进行AD模数转换，形成16位的T1温度数据用于发动机控制，该数据可由APM（地面维护设备）通过RS232总线读取并显示，I1、I2电流相等，用于消除线路电阻温度变化对T1温度测量准确性的影响。

2.2 T1线性电压产生原理

飞机EPT记录的T1线性电压的产生是由CPU将16位T1温度数据按公式计算后，降精度为8位，再通过SPI数据总线发送至8位DA数模转换芯片AD5308转换后输出。T1数据转换为线性电压的电路如图3所示。芯片DA23有8路数据转换通道，输出T1温度、滑油压力Pm、n1转速、n2转速等线性电压信号。数据帧同步信号线LDI线为低时开始传输DA23通道A的数据，直到通道H传输完成恢复为高，通道A对应T1线性电压。

AD5308数据转换时序如图4所示。SYNC（数据帧同步信号）为低时DIN（串行数据）在SCLK（串行时钟）作用下移位到AD5308移位寄存器中，数据帧（16位数据）传送完成后，在LDAC信号上升沿的作用下，移位寄存器内的数据更新到DAC寄存器中用于转换输出。

3 故障分析及排除

3.1 故障树分析

根据分析，列出T1线性电压异常跳变故障树，如图5所示。

其中，T1断线及短路故障可由地面维护设备读取数字调节器相应故障字来定位，T1断线或短路时数字调节器分别报T1>550K和T1<213K故障。数字调节器的故障可通过对相应电路的检查来确定。

3.2 故障定位

用APM通过数字通信端口对T1参数进行监控发现，APM上显示的T1参数稳定，不存在异常跳动，因此确认T1测量电路正常，故障应出现在T1数据经SPI总线到DAC转换输出线性模拟电压部分电路中。

对故障数字调节器的DA转换芯片、运算放大器及SPI总线上的逻辑门芯片依次进行更换，T1跳变故障依然存在，因此排除电子元件失效导致该故障的可能。对故障数字调节器进行板件串件后测试发现，单独串装模拟板（DA23所在板）、CPU板或者将板件转接出数字调节器都能使故障现象消失，只有故障数字调节器的原台模拟板和CPU板组合到一起时故障复现。因此判断故障可能是由T1信号链路上的传输不匹配引起的。

对故障数字调节器T1信号链路上的信号进行测试，当使用示波器探头连接图3的数据帧同步信号线LDI，或是在LDI线上连接10cm以上的导线均能消除T1线性电压输出端的异常跳变。因此可以确认，DA23数据帧更新线LDI在更新通道A（对应T1线性电压）DAC数据时存在的不匹配噪声是导致T1线性电压异常跳变的原因。

由于DA23数据的传输起始于LDI的下降沿，而数据由移位寄存器更新到DA输出寄存器发生在LDI的上升沿，因此LDI信号线上的干扰是由信号下冲振铃引起的。信号下冲及其振铃如图6所示。

信号振铃是传输线不匹配的一种常见干扰形式。不匹配情况严重时，信号振铃会导致后级电路的误触发，由于数字调节器的LDI为周期性信号，在特定线路阻抗及布线长度下会在传输线上形成驻波，使得信号的振铃幅度得到增强。根据AD5308数据手册，当LDI信号振铃强度达到1.7V时将触发移位寄存器的数据更新到转换寄存器中，然后转换输出。

由于LDI的下降沿与信号振铃的上升沿时间间隔较小，LDI信号下降沿到来后SPI开始传输通道A（T1通道）数据，随后振铃的上升沿到来时通道A的移位寄存器尚处于清零状态，振铃的上升沿使数据为零的移位寄存器数据更新到了通道A转换输出寄存器内，导致A通道输出0V的T1线性电压，与故障表现的掉为0V的现象相符。

3.3 故障排除措施

故障是由LDI信号不匹配产生的信号振铃导致数据更新误触发引起的，解决该问题的方法主要为阻抗匹配或噪声抑制等方式。

根据产品电路及印制板已经成型等情况，应选择电路改动较小、新增元件较少、对线路传输信号影响较小的方式进行处理。可以通过串联终端匹配、并联终端匹配等多种方式实现阻抗匹配，但因涉及电路改动相对较大或增加电子元件相对较多而未被采用。根据试验中噪声可被示波器探头寄生的10～100pf电容滤除或者被大于10cm的天线辐射出去的特点，计算出该反射噪声频段大于1.5GHz，因此采用對图3中DA23的LDI信号输入端并联100pf的旁路电容来对信号的振铃进行阻尼的方式来处理。

3.4 效果评估

在DA转换芯片AD5308的数据更新线“LDI”并联100pf的小容值电容后，用示波器观察修理后的T1线性电压输出情况，输出的T1线性电压稳定，异常跳变情况消失。目前已有多台相同故障的数字调节器按该方法修理合格后交付外场，外场使用情况稳定。因此，通过该修理措施，有效排除了该型数字调节器常见的T1异常跳变故障。

4 结论

T1异常跳变故障原因为：DA转换芯片AD5308的周期性数据更新线LDI的阻抗不匹配，在终端产生了信号下冲及振铃，在LDI信号线特定的布线长度及线路阻抗下，信号反射形成驻波使振铃信号得到加强，振铃的上升沿使数据已清零且尚未开始传输的T1线性电压数据更新到了DA转换输出寄存器内，转换输出了0V的异常跳变。通过对振铃噪声特点的分析和计算，确定了噪声的频段，并进一步确定了噪声的抑制方式和元件参数的确定，最终实现了该型数字调节器多发的T1异常跳变故障的排除。

参考文献

[1] Eric Bogatin.信号完整性与电源完整性分析（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2015.

[2] 邹澎.电磁兼容原理技术和应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]周宗才，郑铁军.某型发动机结构、特性、控制[Z].中国人民解放军空军装备部外场部，2013.

作者简介

胡惠芳，高级工程师，主要从事航空发动机电子控制系统技术研究。

宁小伟，工程师，主要从事航空发动机电子控制系统修理技术研究。

3195500338245