一種直升機(jī)操縱桿角位移測量的方法

中國直升機(jī)設(shè)計研究所 □劉公俊

現(xiàn)代直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)將飛行員操縱指令通過機(jī)械或者電氣方式傳遞給作動器， 完成槳葉變距。 在這一過程中， 操縱量和作動器行程的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)受到嚴(yán)格限制， 才能準(zhǔn)確控制槳距角的變化， 保證飛行員自由控制直升機(jī)的飛行狀態(tài)。

操縱量和作動器行程之間的關(guān)系調(diào)整是直升機(jī)飛行試驗中的重點科目， 而精確測量飛行員輸入的操縱量， 即操縱桿角位移信號， 是試驗中的關(guān)鍵。 接觸式的角位移傳感器經(jīng)常存在機(jī)械磨損和精度降低等缺點， 而非接觸式角位移傳感器則可以克服這些缺點。

本文基于霍爾角度傳感器， 提出一種非接觸式的操縱桿角位移測量方法， 具有成本低廉， 安裝簡單、 精度較高等優(yōu)點。

平面霍爾傳感器只能感受垂直方向的磁場，而霍爾角度傳感器則能感受平行于霍爾元件表面的磁場。 圖1 中霍爾角度傳感器分別感受X， Y，Z 方向的磁場， 以X 方向為例， 通過聚磁環(huán)將平行磁場B‖轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪贝艌鯞⊥， 兩者之間呈比例關(guān)系。

圖1 霍爾角度傳感器測量原理圖

平面霍爾元件HP1 感受到的磁場強(qiáng)度B1如下所示:

平面霍爾元件HP2 感受到的磁場強(qiáng)度B2如下所示:

那么垂直磁場與B1 和B2 的關(guān)系如下所示:

這樣平行磁場Bx 和By 就能夠通過平面霍爾元件的輸出電壓計算得到。

如果在霍爾角度傳感器上方放置一個徑向充磁的磁鋼， 磁鋼旋轉(zhuǎn)磁場中心點與傳感器檢測中心點在一條直線上， 并且磁鋼平行于傳感器表面。 那么當(dāng)磁鋼旋轉(zhuǎn)時， 霍爾角度傳感器X， Y方向感受到的磁場強(qiáng)度變化就是相位相差π/2 的正弦函數(shù)， 也就是說霍爾元件輸出的電壓相位相差π/2， 其輸出電壓函數(shù)如下所示:

那么， 磁鋼的旋轉(zhuǎn)角度α 就可以通過反正切函數(shù)得到， 如下所示:

由上式可知， 旋轉(zhuǎn)角度只對比值進(jìn)行反正切運算， 這使得溫度等因素造成的磁鋼磁場強(qiáng)度改變不會對結(jié)果產(chǎn)生影響， 具有補(bǔ)償功能。

操縱桿角位移測量系統(tǒng)以霍爾角度傳感器為核心， 霍爾角度傳感器連續(xù)測量旋轉(zhuǎn)軸角位移，同時等待微處理器發(fā)送的控制命令， 將角位移數(shù)據(jù)通過SPI 同步串口發(fā)送給微處理器。 微處理接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行有效性分析， 并將最終結(jié)果通過RS232 總線協(xié)議發(fā)送給其他數(shù)據(jù)采集器。 微處理器還提供一個USB 接口用于連接計算機(jī)實現(xiàn)對微控制器的編程和調(diào)試。

測量系統(tǒng)所用的霍爾角度傳感器選用邁爾欣(Melexis) 的MLX90316 型霍爾芯片。 該芯片使用Triaxis 霍爾技術(shù)， 可測量0°～360°旋轉(zhuǎn)角度， 其輸出最高能達(dá)到12bit 角分辨率， 10bit角度精度。 并且在一定程度上可以改善外圍溫度變化對輸出精度的影響。

MLX90316 可以選擇三種數(shù)據(jù)輸出模式，一種是經(jīng)12 位D/A 轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出; 另一種是頻率可調(diào)的PWM 輸出; 最后一種是通過同步串行協(xié)議的數(shù)字量輸出。

通過串行通信模式輸出角位移數(shù)據(jù)， 可省去外圍的A/D 轉(zhuǎn)換電路， 簡化配套硬件設(shè)計。 因此角位移測量系統(tǒng)選用具有串行通信方式的霍爾角度傳感器。 需要注意的是有別于標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口， MLX90316 的MOSI (上位機(jī)輸出下位機(jī)輸入) 和MISO (上位機(jī)輸入下位機(jī)輸出) 共用一個針腳。

微處理器選用宏晶科技基于增強(qiáng)型8051 處理核的STC15W1K16S 芯片。 該芯片內(nèi)部集成高精度R/C 時鐘和可靠復(fù)位電路， 因此無需外部晶振和外部復(fù)位電路， 還擁有一組高速異步串行通信端口 (UART)， 以及一組高速同步串行通信端口(SPI)， 可在3 組管腳之間切換， 分時復(fù)用可作為3 組串口使用。

角位移測量系統(tǒng)硬件電路如圖2 所示， 采用SP3232 芯片將微處理器的串口電壓轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)RS232 電壓， 同時通過PL2303 芯片實現(xiàn)串口至USB 端口的電壓轉(zhuǎn)換。

圖2 角位移測量系統(tǒng)框圖

在角位移測量系統(tǒng)中， STC15W1K16S 芯片為主機(jī)， MLX90316 芯片為從機(jī)。 兩者之間的同步時鐘SCLK 和數(shù)據(jù)幀同步信號/SS 都由主機(jī)產(chǎn)生， 其通信過程如下所示:

1) 主機(jī)先拉高數(shù)據(jù)幀同步信號/SS， 并至少維持1.5ms， 使從機(jī)準(zhǔn)備好接收新的數(shù)據(jù)幀， 然后再拉低/SS;

2) 主機(jī)發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令， 該命令由同步頭0xAA 0xFF 和8 個0xFF 共10 個字節(jié)組成;

3) 從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包， 數(shù)據(jù)包由同步頭(0xFF 0xFF)、 4 字節(jié)角位移數(shù)據(jù)和4 字節(jié)的高電平(0xFF 0xFF 0xFF 0xFF) 組成。

4) 重復(fù)步驟1) ～步驟3)

MLX90316 芯片的角位移測量具有兩種速度模式: 低速模式(1.5ms 測量一次) 和高速模式(350ms 測量一次)， 而且芯片的串口通訊和角位移測量是相互獨立、 異步進(jìn)行的。 同時考慮到直升機(jī)操縱桿的角位移測量需求， 將主機(jī)和從機(jī)的通訊周期設(shè)置為20ms。

當(dāng)從機(jī)發(fā)送完畢數(shù)據(jù)包后， 主機(jī)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗。 在MLX90316 的串口數(shù)據(jù)格式中， 角位移數(shù)據(jù)由4 個字節(jié)組成， 前兩個字節(jié)是角位移信息或錯誤信息(高字節(jié)在先)， 后兩個字節(jié)是角位移信息或錯誤信息的取反值(高字節(jié)在先)。只有前2 個字節(jié)的取反值和后兩個字節(jié)一致時，接收的數(shù)據(jù)才是有效的。

當(dāng)數(shù)據(jù)有效時， 可以通過兩字節(jié)數(shù)據(jù)的最低兩位的值， 區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型。 當(dāng)值為1 時， 數(shù)據(jù)是角位移信息; 當(dāng)值為2 時， 數(shù)據(jù)是錯誤信息。

角位移測量系統(tǒng)的軟件流程如下所示:

1) 系統(tǒng)上電初始化;

2) MLX90316 芯片以低速模式進(jìn)行角位移測量;

3) STC15W1K16S 芯片發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令;

4) MLX90316 芯片返回數(shù)據(jù)包;

5) STC15W1K16S 芯片對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗，如果是角位移數(shù)據(jù)則將其寫入異步串口寄存器;

6) 重復(fù)步驟3) ～步驟5)， 注意時間間隔為20ms。

以MLX90316 霍爾角度傳感器為核心的測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精度很高的非接觸式測量， 同時該系統(tǒng)體積小、 能耗低還具備易安裝的特性。 以宏晶STC15W1K16S 微處理器為控制核心， 能夠減少外部的復(fù)位和晶振電路， 實現(xiàn)角位移數(shù)據(jù)的高速傳輸。