一种基于优先级和多齿阈值配对的涡桨三参数测量方法

本发明涉及一种基于优先级和多齿阈值配对的涡桨三参数测量方法，属于航空涡桨发动机控制领域。

背景技术：

1、涡轮螺旋桨飞机多发匹配控制的一个重要任务是螺旋桨相同步降噪控制，为此需要准确实时地获取发动机的转速、螺旋桨的桨距角和相角。

2、目前在涡轮螺旋桨发动机的桨距角、相角和转速测量方面多是分开独立的传感器，例如专利号为us2018050586a1的专利，相继提出带有单斜齿、多对对称的八字形标志的音轮结构，并采用标志空间比(ts-tm)/(ts+tm)进行桨距角的计算，但是其解决的是桨距角测量问题，不涉及桨距角、相角和转速的测量相互干扰问题；公布号为cn110655030a的专利，公开了通过在等间距常规齿的音轮上增加单标志斜齿的方法，进行相角的参考位置的标定，单斜齿技术手段不适合于相角测量，因为单斜齿的标志齿位置会随着桨距的变化而变化，而平齿又测量不了桨距角，其解决的是基于缺齿的相同步定相技术的不精确和需要附件设备的问题，在解决相角测量问题时使用的是单阈值识别算法，并没有考虑增加桨距测量之后所衍生的相角死区问题。当前时刻的获取，一般采用定时器的溢出中断进行触发获取，由于该事件在前台主程序中进行，容易被后台的中断服务程序占用而使得自身的实时性很差，并且cn110655030a和us2018050586a1对获取测量时刻的精度只是停留在人为设定准确的理论阶段，对实际应用在嵌入系统时，会遇到的如何高精度获取当前测量时刻的问题并未谈及，即高精度当前时刻获取技术方面还存在一定的空白。

3、综上所述，目前还没有能提高当前测量时刻获取精度的方法，并在其研制过程解决桨距角、相角和转速互不干扰和0～360°无死区相角的实时测量问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种一种基于优先级和多齿阈值配对的涡桨三参数测量方法，旨在实现仅仅使用带音轮的磁电式传感器就能实现桨距、相角和转速的互不干扰和0～360°无死区相角的实时测量问题，并能高精度的获取当前测量时刻的计数时间，从而进行高精度的测量。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于优先级和多齿阈值配对的涡桨三参数测量方法，包括如下步骤：

4、步骤1：安装并调整音轮、磁感探头和信号处理模块，所述音轮耦接到螺旋桨上，所述音轮在涡轮螺旋桨发动机的操作期间同螺旋桨变桨距系统一同旋转和轴向运动，所述磁感探头固定到发动机静止部件上，和音轮无接触安装，并能响应所述音轮上的多个常规齿、第一标志齿和第二标志齿的通过而产生信号，所述第一标志齿和第二标志齿成对称的“八”字型标志斜齿，所述信号处理模块和磁感探头线路连接；

5、步骤2：所述信号处理模块处理磁感探头产生的信号，将其调理成多个方波信号，方波信号接入输入捕获通道，并获取各个齿的到来时刻，定义预期延迟表示相邻的两个常规齿的时间间隔，定义与所述第一标志齿和第二标志齿相关联的脉冲为第一特定脉冲和第二特定脉冲，且特定延迟为第一特定脉冲和第二特定脉冲的时间间隔，选第二标志齿相邻的第一个常规齿为相角参考时刻，并以此确定当前测量时刻，相角参考位置相对磁感探头的相角大小；

6、步骤3：利用一种基于后台高优先级中断事件的当前测量时刻获取方法，将前台的当前测量时刻获取事件升级为后台高优先级中断事件，从而提高测量的精度和实时性；

7、步骤4：利用多齿阈值序列配对方法，从多个脉冲信号中实时识别出特定延迟、特定时间和预期延迟，来分别计算螺旋桨的桨距、相角和转速。

8、所述的一种基于优先级和多齿阈值配对的涡桨三参数测量方法，其特征在于，所述的将前台的当前测量时刻获取事件升级为后台高优先级中断事件，为一种基于后台高优先级中断事件的当前测量时刻获取方法，核心思想是采用硬件手段将前台事件升级为后台中断事件以提高当前测量时刻的获取精度，前台也可以叫做任务级，这种系统在处理的实时性上比实际可以做到的要差，后台也叫中断级，对于当前测量时刻获取这样的实时性要求很高的关键操作需要靠中断服务程序来保证，具有如下的结构特点：

9、信号处理模块内的一种基于后台高优先级的中断事件，包括定义在同一个定时器内的多通道输入捕获的三个高优先级触发事件，分别是当前测量中断、输入捕获中断和溢出中断，其中当前测量中断和输入捕获中断的外部输入接口分别为第一输入捕获通道和第二输入捕获通道，溢出中断为内部定时器触发，所述当前测量中断，由一个可调周期的等频方波pwm输出作为触发源，并将这触发源输出的硬件接口接到第一输入捕获通道，使得当前测量中断以输入捕获中断的形式进行触发中断，以获得高精度的当前测量时刻，所述的可调周期的等频方波的频率需要满足香农采样定理的频率和硬件要求，即采样频率不能低于相角0～360度变化频率的2倍，也不能太高以避免陷入硬件卡死，所述第二输入捕获通道和磁感探头连接，以高精度的捕获方波信号的边沿时刻，所述溢出中断用于延长定时器的计数时间长度，在溢出次数超过预定值时，设定在前台的任务级会暂时关闭输入捕获中断，并执行将所有存储时刻数值进行整体归小化，即整体减去一个相同大小的数值而非全部清零，然后打开中断，避免了其它中断事件对该事件的影响，以及避免全部清零后需要对数据存储单元重新赋值存储的问题。

10、所述的一种基于优先级和多齿阈值配对的涡桨三参数测量方法，其特征在于，作为本发明的更优的一种选择，步骤3所述的当前测量时刻获取方法，可以在主流程(前台)获得当前相位角，并根据实际系统时间换算到规定采样点的相角，即将当前的测量值修正到采样时刻，方法是在前台循环开始到测量结束进行系统时间的测量计数，并修正在采用定时器定频中断触发测量的相角计算中。

11、所述的一种基于优先级和多齿阈值配对的涡桨三参数测量方法，其特征在于，所述的多齿阈值序列配对方法，包括多齿阈值比较逻辑和配对逻辑，所述多齿阈值比较逻辑包括大于、小于和等于的比较运算，所述配对逻辑是指对最新序列从低位到高位的配对，以便识别出满足多齿阈值比较逻辑的序列，序列的实时性要求每一个齿到来时刻进行换值更新；

12、由于以第一标志齿和第二标志齿的中间位置为相角参考位置时，只有第二标志齿越过时中间时刻才会被识别，即会存在小幅度的相角死区，故以第二标志齿之后的第一个常规齿为相位参考齿为例，音轮具有k个齿，标志齿斜角为信号处理模块需要存储k+4个方波边沿时刻单元和当前测量时刻，相比于存储k个数据单元，可以避免0～4＊360/k°相角测量的死区，ti表示第一标志齿的上升沿时刻，ti+1表示第二标志齿的上升沿时刻，ti+2表示相位参考上升沿时刻，tt表示当前测量时刻，tk+4表示还未到来的下一个上升沿时刻，具有如下的逻辑步骤：

13、步骤1：当tk+4到来，即输入捕获中断被触发，当前时刻tt＝tk+4，所存储k+4个方波边沿时刻从低位到高位开始换值，以保证所存储的数据为最新时刻的数据，即保证实时性，具体循环代码可为for(n＝1；n＜＝k+4；n++)tn-1＝tn；

14、步骤2：在换值完的同时，利用测周法计算预期延迟t＝(tk+3-t3)/(k-1)，在所存储的数据单元t0、t1、t2、…、ti-1…、tk+1、tk+2、tk+3中快速识别出由ti-1、ti、ti+1、ti+2组成的配对序列，具体方法是从低位到高位的逐步配对，配对法则是多齿阈值配对比较，第一标志齿和相邻常规齿的间隔，以及第二标志齿和相邻常规齿的间隔都小于两个正常相邻的常规齿间隔，即(ti-ti-1)＜e·t和(ti+2-ti+1)＜e·t，满足要求，就会结束配对，并更新相位参考上升沿时刻ti+2时刻，以及第一标志齿和第二标志齿的时间间隔ti+1-ti，当下一个上升沿到来时，返回步骤1；在tk+4和tk+3之间，当当前测量中断触发时，获取tt和最新标志齿i并进行三个参数的计算：桨距相角a＝360·(tt-ti+2)/(tk+3-t3)，转速np＝60/(tk+3-t3)。

15、作为本发明更优的一种多齿阈值比较逻辑，采用大小和等于的比较运算，第一标志齿(2)和相邻常规齿的时间间隔小于相邻的两个常规齿的时间间隔，以及两标志齿的左右两个相邻常规齿的时间间隔等于两个预期延迟，即(ti-ti-1)＜e·t和e·2·t＜＝(ti+2-ti-1)＜＝(2-e)·2·t。

16、与现有技术相比，本发明的优势是：提出一种基于后台高优先级中断事件的当前测量时刻获取方法，核心思想是采用硬件的手段将前台事件升级为后台中断事件以提高当前测量时刻的获取精度，实验结果表明测量精度提高了4倍左右；提出一种多齿阈值序列配对方法的方法进行标志齿和相位参考位置的实时更新，实现了桨距角、相角和转速无相互干扰、高精度和0～360°相角的无死区的实时测量。