基于正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的襟縫翼角位移傳感器信號處理技術(shù)研究

韓建輝 張軍紅 杜永良

摘 要：大型飛機(jī)襟縫翼角位移傳感器的交流信號在經(jīng)過長距離傳輸后產(chǎn)生電壓幅值升高的現(xiàn)象，導(dǎo)致角度測量超差的問題。本文提出了采用正余弦傳感器利用信號解調(diào)技術(shù)解決該問題的方法，論述了正余弦傳感器和AD2S1210解調(diào)芯片的解調(diào)原理，設(shè)計了正余弦傳感器的監(jiān)控方法、AD2S1210的外圍接口電路及FPGA的配置和時序控制方法。該設(shè)計方案已應(yīng)用于某大型飛機(jī)的襟縫翼控制器計算機(jī)，良好的試驗測試結(jié)果證明了該方法可以解決傳感器交流信號長距離傳輸帶來的測量超差問題。該研究可以應(yīng)用于大型飛機(jī)的角度及線位移測量領(lǐng)域，對于提升大型飛機(jī)傳感器的測量精度具有重要意義。同時，針對AD2S1210解調(diào)芯片供應(yīng)鏈的不穩(wěn)定性設(shè)計了國產(chǎn)化的旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器的激勵電路原理，正弦、余弦輸入信號的解調(diào)及監(jiān)控方法原理作為備用方案。

關(guān)鍵詞：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器； AD2S1210； 傳感器信號處理； 傳感器監(jiān)控

中圖分類號：V249.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.03.012

某大型飛機(jī)在進(jìn)行飛控高升力控制分系統(tǒng)地面調(diào)試和驗證時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過計量標(biāo)定的差動變壓器式角位移傳感器（RVDT）存在明顯的測量超差。經(jīng)理論分析認(rèn)為，是因為襟翼、縫翼角位移傳感器安裝在翼尖附近，距離安裝于機(jī)頭電子設(shè)備柜的襟縫翼控制計算機(jī)較遠(yuǎn)（約為30m），傳輸線纜存在的分布電容效應(yīng)，通過多組不同長度線纜的信號傳輸試驗確認(rèn)，30m傳輸線纜會導(dǎo)致信號幅值平均升高1.715%。且隨著線纜長度提高到30m，幅值升高也會增大，導(dǎo)致解調(diào)后的角度超差也增大。

由于線纜為柔性體，從機(jī)頭電子設(shè)備艙到機(jī)翼翼尖的長距離敷設(shè)很難保證每個架次線纜走線的一致性，這會導(dǎo)致各個架次的分布電容不一致，進(jìn)而導(dǎo)致角度超差幅度也不一致。

傳統(tǒng)解決問題的方式為采用襟翼、縫翼角位移傳感器機(jī)上計量標(biāo)定的方法消除分布電容帶來的誤差。由于分布電容不一致就會導(dǎo)致每架次的標(biāo)定參數(shù)不一致，因此每架機(jī)都需要重新進(jìn)行機(jī)上標(biāo)定。傳統(tǒng)的解決方式可以解決長距離傳輸帶來的測量超差問題，但是會使地勤人員的維護(hù)難度和成本提高很多，進(jìn)而降低飛機(jī)的出勤率。

本文提出了采用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式角位移傳感器進(jìn)行襟翼、縫翼角度測量的方法，利用信號處理技術(shù)解決線纜長距離傳輸帶來的測量超差問題，同時可以保證每架機(jī)的襟翼、縫翼角位移傳感器計量標(biāo)定參數(shù)保持一致，減小地勤維護(hù)工作，提高飛機(jī)的出勤率。

1 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的特點及工作原理

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式傳感器是一種精密的角位移測量裝置，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點[1-2]，特別適用于嚴(yán)寒、潮濕、高溫、高速、振動等惡劣環(huán)境下工作，廣泛用于伺服控制系統(tǒng)和汽車、機(jī)器人等領(lǐng)域。滿足飛機(jī)對機(jī)載設(shè)備嚴(yán)苛的環(huán)境適應(yīng)性和高精度測量要求。

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式角位移傳感器通常配置初級繞組位于轉(zhuǎn)子上，兩個次級繞組位于定子之上[3]，原理如圖1所示，初級繞組施加激勵Vr，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的軸角為θ時，正弦次級繞組S1-S3輸出Vb；余弦次級繞組S2-S4輸出Va。其中sin（ωt）為激勵信號頻率，KE為轉(zhuǎn)子激勵幅度。通過對Va、Vb的解調(diào)處理解算出偏角θ。

2 基于AD2S1210的襟縫翼旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器信號處理方法

2.1 AD2S1210的功能原理

由安捷倫公司發(fā)布的AD2S1210轉(zhuǎn)換器芯片是專用的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器激勵和信號解調(diào)芯片[4]。AD2S1210是一款10、12、14、16位分辨率可調(diào)的旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器，集成片上可編程正弦波振蕩器，為傳感器提供正弦波激勵。轉(zhuǎn)換器正余弦電壓輸入范圍為3.15Vp-p±0.8505，頻率范圍為2～20kHz，工作溫度范圍可達(dá)-40～125℃。利用TYPEⅡ型跟蹤環(huán)進(jìn)行角位移信號解調(diào)計算，故障診斷模塊可以實現(xiàn)故障檢測定位。功能組成如圖2所示。

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S1210芯片轉(zhuǎn)換器的連接關(guān)系如圖3所示，AD2S1210芯片轉(zhuǎn)換器完成激勵輸入和正余弦輸出信號的解調(diào)，AD2S1210芯片轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制及配置由微控制器或者FPGA實現(xiàn)。

2.2 信號解調(diào)處理及監(jiān)控方法

減法器將信號處理完成后送入檢波器，檢波器同時接收高頻激勵信號作為參考信號。檢波器信號解調(diào)原理是將減法處理后信號和參考信號相乘，由于參考信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于θ、ψ的變化頻率，再利用低通濾波器將高頻參考信號過濾掉便可得到跟蹤角度的誤差信號KEsin（θ-φ）。解調(diào)之后，將解調(diào)后的信號反饋至積分器，積分器的作用是輸出激勵信號對振蕩器（VCO）進(jìn)行激勵，而振蕩器的正常工作又使得計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)器使ψi+1=ψi±1LSB（最低有效位），最終使θ-ψ趨近于0，此時由于線纜長距離傳輸?shù)姆植茧娙菪?yīng)導(dǎo)致的KE電壓升高誤差影響即可忽略，最后將角度值輸出至鎖存器進(jìn)行輸出。其中振蕩器和計數(shù)器起到補(bǔ)償濾波器的作用。原理如圖4所示。

AD2S1210的TYPEⅡ跟蹤環(huán)在信號解調(diào)處理后輸出sinψ、cosψ至信號監(jiān)控模塊，由于跟蹤值ψ趨近于傳感器測量偏角θ，且由于正余弦輸入傳輸線纜一致，因此正弦幅值等于余弦幅值，去掉載波信號sin（ωt），所以得出

KEsinθsinφ+KEcosθcosφ=KE（2）

因此，可通過監(jiān)控式（2）的數(shù)值是否為固定值來判斷正余弦傳感器是否故障。由于長距離線纜傳輸時分布電容的因素導(dǎo)致正弦輸入余弦輸入會出現(xiàn)一定電壓升高，所以高升力控制分系統(tǒng)的監(jiān)控門限的設(shè)定應(yīng)適度放寬，以減少故障誤報帶來的虛警問題。信號監(jiān)控模塊同時可以完成輸入信號丟失檢測（LOS）和信號降級檢測（DOS），當(dāng)ψ跟蹤θ誤差過大時，TYPEⅡ跟蹤環(huán)會上報信號跟蹤丟失故障。

2.3 接口電路和解調(diào)芯片配置及時序控制設(shè)計

2.3.1 旋轉(zhuǎn)變壓器及解調(diào)芯片接口電路設(shè)計

AD2S1210芯片集成于高升力控制分系統(tǒng)的襟縫翼控制計算機(jī)的接口處理板上，該芯片的外圍接口電路包括供電、晶振時鐘、襟縫翼旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器激勵及正余弦解調(diào)接口電路、芯片配置及時序控制邏輯電路等。

其中供電電路包括芯片的5V數(shù)字電路供電，5V芯片模擬電路供電，采用8.193MHz的晶振作為時鐘基準(zhǔn)。AD2S1210芯片向襟縫翼旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器激勵驅(qū)動供電，激勵驅(qū)動電路采用緩沖電路實現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)[6-7]。正弦信號和余弦信號采用雙絞屏蔽線輸入AD2S1210芯片。接口支持電路如圖5所示。

2.3.2 解調(diào)芯片的配置及時序控制設(shè)計

襟縫翼正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器的激磁采用7VAC 1800Hz，晶振時鐘8.192MHz[8]，因此AD2S1210解調(diào)輸出角度的分辨率為16位二進(jìn)制。

襟縫翼控制計算機(jī)（FSECU）的接口處理板采用FPGA對AD2S1210芯片進(jìn)行配置寄存器的讀寫和時序控制。配置寄存器包括信號丟失檢測、信號降級檢測、跟蹤丟失檢測的上下門限設(shè)置及軟件復(fù)位設(shè)置[9]。時序控制包括初始化時的配置寫入、初始化時的配置讀取校驗和襟縫翼角度讀取等。由于受篇幅所限，僅介紹襟縫翼角度和故障讀取時序控制，如圖6所示，SAMPLE管腳低電平控制芯片開始采樣，CS管腳低電平選中使能芯片，RD管腳低電平使能并行總線讀取，A0、A1管腳低電平使能襟縫翼角度讀取，襟縫翼控制計算機(jī)通過對應(yīng)的時序?qū)崿F(xiàn)襟翼、縫翼角度的采樣讀取。

襟縫翼控制計算機(jī)的接口處理板中的FPGA完成襟縫翼角度采樣和故障信息讀取后，結(jié)果放入存儲緩沖區(qū)中，DSP讀取角度數(shù)據(jù)及故障監(jiān)控信息完成周期任務(wù)處理后，通過VME背板總線發(fā)送至核心處理器板，作為高升力控制分系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件的控制輸入。其原理設(shè)計如圖7所示。

3 試驗測試結(jié)果

地面仿真測試平臺通過接口適配連接襟縫翼控制計算機(jī)（FSECU），以實現(xiàn)襟縫翼收放控制指令的輸入和計算機(jī)反饋的結(jié)果的處理與顯示。襟縫翼控制計算機(jī)通過A429總線向襟翼和縫翼電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送襟縫翼收放指令，電機(jī)驅(qū)動器轉(zhuǎn)化為電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制指令，電機(jī)驅(qū)動連桿轉(zhuǎn)動再驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)襟縫翼的收放，旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器通過測量連桿的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為襟縫翼角度，襟縫翼控制計算機(jī)利用接收到的襟縫翼角度實現(xiàn)閉環(huán)控制。地面試驗測試原理如圖8所示。

基于正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的襟縫翼角位移傳感器，從信號處理的角度解決了傳統(tǒng)的RVDT型角位移需要每架機(jī)都進(jìn)行計量標(biāo)定的維護(hù)性問題，使每架機(jī)的襟縫翼角位移傳感器標(biāo)定參數(shù)保持一致，直接配置到高升力控制分系統(tǒng)的應(yīng)用軟件即可。

襟縫翼收放角度的時域?qū)崪y值如圖9所示。旋轉(zhuǎn)變壓器襟翼、縫翼角位移傳感器靜態(tài)點測量結(jié)果見表1和表2，通過襟縫翼控制計算機(jī)發(fā)送指定的襟翼、縫翼偏角指令，通過與地面基準(zhǔn)測試傳感器的比對，結(jié)果表明靜態(tài)點誤差小于1%，精度較高。

4 國產(chǎn)化的襟縫翼旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器信號解調(diào)技術(shù)設(shè)計

經(jīng)過多場景驗證的成熟芯片AD2S1210進(jìn)行襟縫翼旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器信號的解調(diào)處理，可以提高高升力控制分系統(tǒng)的成熟度和可靠性，但考慮到國外芯片供應(yīng)鏈的不確定性，因此應(yīng)考慮設(shè)計國產(chǎn)化的襟縫翼旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器信號的解調(diào)處理方法。

4.1 激勵驅(qū)動信號的生成

通過多級濾波將高頻正弦信號濾除即可得到頻率為2kHz的正弦波信號。

建立如圖11所示的仿真電路，方波模擬電路生成方波信號，串接隔離放大電路，在經(jīng)過兩級一階濾波即可得到正弦激勵信號。仿真結(jié)果如圖12所示。由仿真結(jié)果可得激勵信號生成的可行性。

4.2 正弦、余弦信號的解調(diào)原理

由于正弦波激勵信號是由FPGA生成的方波信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的，因此在進(jìn)行正弦、余弦信號處理時，由FPGA控制AD器件在T/4時進(jìn)行精準(zhǔn)采樣，以保證sin（ωt）=1。原理如圖13所示。AD采樣后的正弦輸入為K1sinθ，余弦輸入為K1cosθ。依據(jù)θ角的象限變化，采用表3的方法即可計算得出襟縫翼的角位移。

4.3 旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器的監(jiān)控原理

由于正弦輸入和余弦輸入信號在進(jìn)行長距離傳輸時會出于分布電容的原因?qū)е路瞪?，因此平方和的門限應(yīng)在地面鐵鳥試驗臺和機(jī)上進(jìn)行充分的調(diào)試測試，以確定合適的上下監(jiān)控門限，時間門限通常選擇襟縫翼控制計算機(jī)的幀周期的5～8倍。

4.4 國產(chǎn)化的激勵解調(diào)方法和AD2S1210的激勵解調(diào)方法的對比分析

相比于AD2S1210，國產(chǎn)化的激勵解調(diào)方法電子分立器件較多，功耗較高，也沒有經(jīng)過充分的地面和控制試飛驗證。盡管其在成熟度、集成度、可靠性和監(jiān)控的全面性方面不占優(yōu)勢，但是在激勵解調(diào)和監(jiān)控方法通過分立器件組成的電路和軟件實現(xiàn)上，原理明確，在進(jìn)行設(shè)計迭代優(yōu)化時成本低、周期短?？梢宰鳛锳D2S1210在供應(yīng)鏈不穩(wěn)定時的備份。

5 結(jié)束語

針對某大型飛機(jī)高升力控制分系統(tǒng)的襟縫翼角位移傳感器長距離傳輸導(dǎo)致的地勤維修性增加的問題，本文提出了正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器對襟翼、縫翼角度進(jìn)行測量，并設(shè)計了集成于襟縫翼控制計算機(jī)的AD2S1210芯片進(jìn)行信號解調(diào)的方案，解決了該維修性問題。通過了某型飛機(jī)的地面試驗和空中試飛的驗證，用戶反映較好?？紤]到AD2S1210芯片的供應(yīng)鏈可能存在不穩(wěn)定性的問題，設(shè)計了國產(chǎn)化的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓角位移傳感器的激勵、解調(diào)和監(jiān)控原理算法，以備不時之需。

參考文獻(xiàn)

[1]李明，安書董，段宇博.一種基于AD2S1210 的旋轉(zhuǎn)變壓器位置解碼及監(jiān)控方法[J].信息技術(shù)與信息化，2021（4）：139-140. Li Ming， An Shudong， Duan Yubo. Position decoding and mon‐itoring method of rotating transformer[J]. Information Technol‐ogy and Informatization， 2021（4）：139-140.（in Chinese）

[2]何敏. 旋轉(zhuǎn)變壓器的角度誤差校正系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程，2016（9）：1140-1143. He Min. Design of angle error correction system for resolver[J]. Journai of Mechanical & Electrical Engineering，2016（9）：1140- 1143.（in Chinese）

[3]饒大偉，彭科容，楊雷.基于旋轉(zhuǎn)變壓器換向的無刷伺服驅(qū)動控制研究[J].電子技術(shù)，2017（7）：28-31. Rao Dawei， Peng Kerong， Yang Lei. Research on brushless servo drive control based on rotating transformer[J]. Electronic Technology， 2017（7）：28-31.（in Chinese）

[4]索曉杰，馬小博，周勇.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器與線性旋轉(zhuǎn)變壓器的對比分析[J].信息通信，2019（2）：14-16. Suo Xiaojie， Ma Xiaobo， Zhou Yong. Comparative analysis of sine-cosine rotating transformer and linear rotating transformer[J].Information & Communications， 2019（2）：14-16.（in Chinese）

[5]崔業(yè)兵，許敬，李裕.電動伺服旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁放大電路研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016（24）：167-171. Cui Yebing， Xu Jing， Li Yu. Research on exciting amplification circuit of rotary transformer for electric servo system[J]. Modern Electronics Technique， 2016（24）：167-171.（in Chinese）

[6]劉娜，陳倩，于收海.線性旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)對輸出電壓線性度的影響[J].微電機(jī)，2013（7）：20-23. Liu Na， Chen Qian， Yu Shouhai. Impacting of output voltage in different structure of rotary transformer[J]. Micromotors， 2013（7）：20-23.（in Chinese）

[7]尤磊，吳敬玉，王勇，等.航天用反作用飛輪旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測算法[J].導(dǎo)航與控制，2020（6）：59-64. You Lei， Wu Jingyu， Wang Yong， et al. Position detection algorithm of resolver in reaction flywheel[J]. Navigation and Control， 2020（6）：59-64.（in Chinese）

[8]張蓓蓓.面向多傳感器綜合探測的信息融合試飛方法[J] .航空科學(xué)技術(shù)，2021，32（9）：31-35. Zhang Beibei. Information fusion flight test method for multisensor integrated detection[J]. Aeronautical Science & Technol‐ogy， 2021，32（9）：31-35.（in Chinese）

[9]張炯，牛歡，陳雪.基于多傳感器融合的無人機(jī)應(yīng)急著陸功能研究[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2022，33（11）：11-20. Zhang Jiong， Niu Huan， Chen Xue. Research on emergency landing function of uav based on multi-sensor fusion[J]. Aero‐nautical Science & Technology，2022，33（11）：11-20.（in Chinese）

Research of Signal Processing Technology of Flap and Slat Angle Transducer Based on Sine and Cosine Rotating Transformer

Han Jianhui， Zhang Junhong， Du Yongliang

AVIC The First Aircraft Institutes， Xian 710089， China

Abstract： The AC signal of the large airplane flap angular displacement sensor increases the voltage amplitude after long-distance transmission， which causes the problem of angle measurement error. In this paper， a method to solve this problem by using sine-cosine sensor and signal demodulation technology is presented. The demodulation principle of rotating transformer and AD2S1210 demodulation chip is discussed. The monitoring method of rotating transformer， the peripheral interface circuit of AD2S1210， and the configuration and timing control method of the GA are designed. The design scheme has been applied to a large airplanes flap controller computer. Good test results show that the method can solve the measurement overrun caused by long distance transmission of sensor AC signals. This research can be applied to the angle and line displacement measurement of large aircraft， and it is important to improve the measurement accuracy of sensor of large aircraft. At the same time， the excitation circuit principle of the domestic rotator sensor is designed for the instability of the supply chain of AD2S1210 demodulation chip. The demodulation and monitoring method principle of sine and cosine input signals are used as the alternative scheme.

Key Words： sine andcosine rotating transformer； AD2S1210； sensor sigal demodulation； sensor monitoring