民用飛機攻角傳感器自動調節(jié)系統(tǒng)研究

吳熙

(上海飛機制造有限公司，上海 201324)

0 引言

隨著航空科技的發(fā)展，對飛機失速現(xiàn)象的預防已經有一套有效的預警機制和系統(tǒng)。根據飛機失速特性的不同，各型號民用飛機在臨近自身的失速迎角時，均能采用觸覺、聽覺和視覺的告警方式提醒飛行機組，甚至部分失速保護系統(tǒng)還能在飛行機組對告警疏忽的情況下，主動控制飛機駕駛桿以降低迎角，從而避免飛機進入失速區(qū)域。攻角傳感器作為失速保護系統(tǒng)的重要組成設備，是發(fā)出告警信息以及主動作動信號的核心器件[1]。

攻角傳感器是專門用于測量飛機迎角的設備，廣泛應用于各種民用航空機型。攻角傳感器主要是由風標探頭組成。風標探頭置于機體外側，用于感知周圍氣流方向，測量出飛機的迎角，進而將測出的模擬數(shù)據發(fā)送至失速保護計算機轉換成數(shù)字信號，并可以把此信號輸出給儀表顯示，并觸發(fā)失速告警系統(tǒng)。當實際迎角接近臨界迎角而使飛機有失速的危險時，失速告警系統(tǒng)即發(fā)出各種形式的告警信號。在飛行控制系統(tǒng)中常引入迎角信號來限制最大法向過載。迎角信號還可用于油門控制系統(tǒng)[2]。

1 攻角傳感器在型號功能試驗測試情況介紹

攻角在飛行控制中是一項很重要的參數(shù)。飛機在飛行過程中，由于受到氣流的壓力影響，攻角所處的位置始終是自身空氣阻力最小的位置。所以通過它輸出角度信號給飛控系統(tǒng)，可以指示飛機的飛行姿態(tài)[3]。因此在設計飛行控制系統(tǒng)中以及飛機生產制造過程中，都需要對攻角進行調節(jié)，以驗證不同攻角下產生的不同控制效果，檢查攻角傳感器輸出信號是否正常[4]。

飛機的攻角信號是通過攻角傳感器測量產生的，因此可用調節(jié)攻角傳感器來給飛機提供所需的攻角信號。在某機型的功能試驗中，需要調節(jié)飛機攻角傳感器使其產生多個迎角值以驗證飛機各系統(tǒng)的功能是否達到設計所要求的指標。特別是在失速告警試驗中，不同空速和不同襟縫翼卡位構型，有不同的臨界攻角，并且需要攻角在臨界攻角上下來回調節(jié)以驗證飛機的失速告警功能。該機型有3套攻角系統(tǒng)，左上前機身攻角傳感器1套、右上前機身攻角傳感器1套、左下和右下前機身攻角傳感器共為1套。

在調節(jié)傳感器過程中，需要這些傳感器保持同步運動，運動過程中角度差不能太大，運動結束后角度差也不可太大，否則迎角數(shù)據會失效。同時，每個傳感器調節(jié)的最終結果需要達到所給定的角度，否則綜合表決角度存在超差風險。

目前該機型功能試驗是采用人工調節(jié)攻角傳感器的方法。操作人員通過升降車到達左右前機身的攻角傳感器區(qū)域，每側至少需要兩個人，再由一名操作人員通過飛控測試接口裝置讀取各個迎角傳感器的值，并反饋給攻角傳感器的操作人員。由于操作人員無法直觀了解攻角傳感器的數(shù)值，操作極為不便，兩邊的操作人員協(xié)調也較為困難。且攻角傳感器的靈敏度較高，稍有抖動就會超差使得攻角值失效，這也進一步增大了試驗的難度，使試驗效率較低。為解決以上問題，需要研制一套系統(tǒng)來實現(xiàn)飛機攻角傳感器角度的自動調節(jié)。該系統(tǒng)可應用于攻角傳感器的相關試驗，為飛控航電等系統(tǒng)提供一個準確的攻角值，并且能實現(xiàn)多個攻角傳感器同時調節(jié)、單個調節(jié)及微調。這樣可避免4個攻角傳感器的角度值差值過大而失效，以提高試驗效率和攻角調節(jié)的精度。

2 攻角傳感器自動調節(jié)系統(tǒng)

2.1 技術總方案

一般飛機兩側都有多個攻角傳感器，攻角傳感器質心在轉動軸上，且轉動力矩小，因此容易受干擾。因攻角傳感器的分布在飛機不同的位置，每個攻角傳感器的轉動角度有細微的角度區(qū)別。要實現(xiàn)對攻角傳感器的控制，需要一套結構輕巧的調節(jié)裝置。該裝置轉軸與攻角傳感器的轉軸同軸，由電機驅動。使用多個這種調節(jié)裝置來調節(jié)飛機上所有的攻角傳感器。這些調節(jié)裝置的驅動電機由控制器統(tǒng)一控制，實現(xiàn)同步轉動或單個轉動；不僅可以實現(xiàn)直接角度值控制，也可以實現(xiàn)按鍵微調控制?？刂破魈峁┚W絡接口與PC機連接，便于功能的擴展，如通過輸入角度-時間曲線對每個攻角傳感器的控制，這樣可以逼真地模擬出飛機實際飛行中攻角傳感器的運動。控制器也可采用RS485接口與飛機測試平臺通信，實現(xiàn)飛機的自動化測試。整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 攻角調節(jié)系統(tǒng)架構

2.2 調節(jié)裝置夾具設計

攻角傳感器本身的防護蓋安裝孔可以用來安裝調節(jié)裝置，定位銷孔可以用來調節(jié)裝置的定位，如圖2所示。2個防護蓋安裝孔可承受的質量不超過0.45kg；試驗中所需傳感器角度值不超過60°；4個攻角傳感器之間的角度差不超過2°。為滿足目前的使用，并方便后續(xù)升級，選用一款質量輕、精度高的AM17SS1DG電機，該電機質量為0.39kg，精度0.018°；并設計該電機的安裝底座，底座的加工精度為0.07°，再加上安裝上存在的誤差，綜合得到的調節(jié)精度不超過0.5°。

圖2 攻角傳感器

根據攻角傳感器的頂層圖樣和數(shù)模，進行調節(jié)裝置的詳細設計。調節(jié)裝置包括電機、底座、轉接頭、夾頭等部分如圖3所示。夾頭夾持在風標上，并由彈簧壓緊風標，使2個V型面貼合。轉接頭用于連接電機與夾頭的軸。電機直接安裝在底座上。底座通過防塵蓋安裝孔固定在攻角傳感器上，安裝時以銷孔定位，這樣也就保證了電機轉動軸與風標轉動軸同軸。

圖3 攻角傳感器自動調節(jié)夾具示意圖

2.3 控制器硬件設計

由于現(xiàn)場電磁干擾嚴重，故選用運行穩(wěn)定的PLC作為控制器[5]。步進電機采用原廠配套的驅動器SS05-Q-R進行底層的控制[6]。電機驅動器SS05-Q-R與PLC用MODBUS進行通信。圖4為控制電路框圖。

圖4 控制電路框圖

PLC與驅動器通過RS485模塊進行連接，4個驅動器采用串行的連接方式。

2.4 軟件以及人機交互界面設計

驅動器通過脈沖控制電機運動，電機運動所轉動的角度通過編碼器反饋回驅動器。這是物理層的控制，而應用層的控制需要對位移、加速度、減速度、速度等參數(shù)進行控制。圖5是電機運動的模式。

圖5 電機運動模式

加速度是指電機從靜止到勻速運動狀態(tài)的運動加速度；減速度是指電機從勻速運動狀態(tài)到靜止的運動減速度；速度是指電機勻速運動狀態(tài)的速度；位移是這整個過程的運動角度。這4個參數(shù)通過參數(shù)設定PLC的MotionParaSet功能模塊發(fā)送到控制器中，電機運動的觸發(fā)信號通過Modbus_Master模塊發(fā)送到控制器中，電機所運動的角度也通過Modbus_Master模塊讀取到控制器中[7]。

為了方便現(xiàn)場操作，攻角傳感器自動調節(jié)控制系統(tǒng)需提供幾個可視控件和操作控件：角度顯示控件、角度設定控件、啟動按鍵、攻角選擇按鍵和復位按鍵，如圖6所示。

圖6 軟件界面

通過該操作界面，工人可以方便地操作測試設備。界面上提供的操作功能有：進行角度設定，顯示角度實際值，角度值復位清零，運動參數(shù)下發(fā)，運行電機選擇、啟動，通信連接及復位功能[8]。

3 試驗驗證

按圖3將調節(jié)裝置安裝到攻角傳感器上，注意使用銷孔保證電機轉動軸線與風標轉動軸線同軸度；將所有裝置控制線纜以及編碼器反饋線纜接入控制器中；全機上電，采用測試接口設備讀取攻角傳感器數(shù)值。在正負方向，隨機調節(jié)幾個角度值，如表1所示。

表1 試驗數(shù)據 單位：(°)

表1中的攻角初始值和終止值是從測試接口設備讀取的值，反映的是攻角傳感器實際運動的角度；調節(jié)值是系統(tǒng)所設定的調節(jié)角度，誤差是將調節(jié)的角度和實際運動的角度相比較得到反應系統(tǒng)控制效果的參數(shù)。從表中可見，除個別誤差偏大之外，其他誤差都很小，且即使誤差較大，也在0.5°范圍內。

表1是反映單個攻角傳感器運動的控制效果，而同步性也是考量本系統(tǒng)的重要性能。將4個傳感器都調節(jié)到同一個初始角度，然后設置同時調節(jié)，向正方向運動30°，采用測試接口設備采集運動過程中的數(shù)據，如圖7和圖8所示。從圖中可觀察到4條運動曲線的偏差在0.5°范圍內，大大滿足實際2°的同步需求。

圖7 運動同步曲線

圖8 同步曲線局部放大

4 結語

本文研究的攻角傳感器自動調節(jié)系統(tǒng)，結構簡單輕巧，每個攻角調節(jié)裝置主要含有1個電機、1個電機支座及裝夾在風標上的夾頭；操作方便，只需選擇所需調節(jié)的攻角傳感器及變化數(shù)值即可；并且該系統(tǒng)易于擴展，能夠與其他測試系統(tǒng)集成，形成集成測試系統(tǒng)。不同的機型攻角傳感器數(shù)量不同，攻角傳感器的楔形面角度不同，但僅需稍加改動，改變調節(jié)裝置的夾頭V槽角度，增加調節(jié)裝置，該系統(tǒng)同樣可使用。經過試驗驗證，該系統(tǒng)的單個調節(jié)精度和多個同步調節(jié)精度都在0.5°范圍內，滿足現(xiàn)場使用要求。