基于PXIe總線的旋轉可變差動變壓器信號仿真技術研究

張 瑜，李燕杰，封錦琦，江繼龍，張桂英

(中航工業北控所，北京 100176)

基于PXIe總線的旋轉可變差動變壓器信號仿真技術研究

張 瑜，李燕杰，封錦琦，江繼龍，張桂英

(中航工業北控所，北京 100176)

旋轉可變差動變壓器(RVDT)信號仿真設備在航空計算機的設計、調試和數據采集系統的校準等方面起著舉足輕重的作用；文中通過對RVDT傳感器工作原理深入的剖析，提出基于PXIe總線的RVDT信號仿真方法；文章重點研究了RVDT傳感器工作原理及輸出特性，闡述了RVDT仿真設備的設計和實現，最后使用RVDT數采板卡CPCI-75C3對RVDT仿真設備進行了驗證，結果表明該設備仿真精度高，響應速度快，運行穩定。

RVDT傳感器；PXIe總線；RVDT信號仿真

0 引言

RVDT(rotary variable differential transformer)是旋轉可變差動變壓器的縮寫，屬于角位移傳感器，即把機械部件的旋轉傳遞到角位移傳感器軸上，帶動與之相連的鐵心，改變線圈中的感應電壓，輸出與旋轉角度成比例的電壓信號。

RVDT傳感器在航空領域有著廣泛的應用，RVDT信號仿真即模擬RVDT傳感器的輸出，此項技術在國外已經比較成熟，并且有相關的產品，但是價格昂貴。國內對RVDT信號仿真研究處于起步階段，傳統的RVDT仿真設備自適應差，精度低。針對這些缺點，本文設計了控制精度高、能夠靈活控制位移量值連續掃描輸出的RVDT仿真設備，目前已成功代替駕駛艙操縱器件(如駕駛桿、駕駛盤、腳蹬等)向飛控系統計算機發送的信號，協助完成飛控計算機的設計調試[1-2]。

1 RVDT傳感器工作原理

RVDT傳感器的架構圖，主要由一個原邊線圈和兩個副邊線圈組成，原線圈輸入一固定頻率正弦波信號，被測件運動帶動鐵心移動，從而導致兩個副邊線圈所感應的電壓振幅大小不同，進而得出鐵心的位置。如圖1所示。

圖1 RVDT傳感器架構圖

在理想情況下(忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響)，RVDT傳感器的等效電路如圖2所示[3]。

圖2 RVDT傳感器等效電路圖

原邊線圈的等效電感和等效電阻為l、R；副邊線圈的等效電阻分別是Ra、Rb，等效電感分別為la、lb；原邊線圈l與兩個副邊線圈la、lb之間的互感系數分別為Ma、Mb。原邊線圈l加上正弦交流電壓u后，副邊線圈產生感應電動勢Ea和Eb，它們的值與鐵心在線圈內的位置有關。Ea和Eb做差便得到輸出電壓u0。為便于分析，忽略電阻的影響。

設施加在初級線圈上的激勵電流i(t)=Isinωt，根據互感原理，原邊線圈l對副邊線圈la和lb的互感磁鏈ψa和ψb分別為：

ψa=i(t)Ma,ψb=i(t)Mb

(1)

感應電動勢為：

(2)

將式(1)代入式(2)得：

(3)

當鐵心處于中心位置時，原邊線圈l對兩個副邊線圈la和lb的互感相等，即Ma=Mb=M，此時Ea=Eb，輸出電壓u0=Ea-Eb=0。

由于兩個副邊線圈屬于均勻密繞，當鐵心位移變化X時，引起原邊線圈對副邊線圈互感的變化，則有：

ΔM=KX

(4)

其中:K為耦合系數。

Ma=M+ΔM,Mb=M-ΔM

(5)

設X=AsinΩt，A為機械運動的最大位移，此時：

MIcosωt+IKAsinΩtcosωt+IKAsinωtcosΩt

MIcosωt-IKAsinΩtcosωt-IKAsinωtcosΩt

u0=Ea-Eb=2IKA(cosωtsinΩt+sinωtcosΩt)

兩個副邊線圈輸出電壓和Ea+Eb=2MIcosωt，其有效值為常數，如圖3為RVDT傳感器輸出特性。

圖3 RVDT傳感器輸出特性

本文選用美國meas公司的型號為R30A的RVDT傳感器，由信號源提供R30A的激勵信號4Vpp，1 800Hz，更直觀的觀察輸出波形，如圖4。

圖4 R30A傳感器輸出特性

綜上所述，設RVDT傳感器信號輸出為Va和Vb，則有以下幾個特點：

(1)Va和Vb頻率相同，都等于激勵的頻率，兩信號相位差為0°；

(2)Va和Vb有效值相加為一常數，即增量相位差為180°；

(3)Va和Vb有效值分別與輸出角度成線性關系。

2 RVDT仿真設備的設計和實現

通過對RVDT傳感器工作原理分析，得出RVDT傳感器輸出特性，此特性可作為RVDT仿真設備信號輸出的依據。RVDT仿真設備原理框圖如圖5所示。

圖5 RVDT仿真設備原理框圖

RVDT仿真設備基于PXIe總線，背板帶寬高達6 GB/s，儀器觸發水平能達到ps級，可以極大地改善同步功能，從而實現更高精度的測量。

圖5中激勵信號產生選擇美國NI的PXI-5412，輸出幅值1～12Vpp，可模擬輸出頻率范圍0～105 MHz，為RVDT仿真信號提供正弦載波。

圖5中DA(模擬輸出)板卡選擇PXIe-6738，輸出幅值-10～10 V，分辨率16位，板卡更新率350 kS/s。PXIe-6738共32通道，Va和Vb各用一個通道，可仿真16路RVDT信號，通道間同步能達到2 μs。PXIe-6738為RVDT仿真信號提供用于解算角度需要的Va和Vb的幅值。

PXIe-6738板卡自帶65535個點的共用FIFO，先將角度波形值寫入FIFO，然后通過軟件定時即可實現，降低對系統實時性的要求。

圖5中乘法模塊包括接口電路和乘法功能模塊，接口電路的功能是將激勵信號和DA的數據進行調理，以適應乘法功能模塊的輸入要求。乘法功能模塊是將激勵信號和DA作乘法調制，生成RVDT信號Va和Vb，如圖6所示。

接口電路采用TI的TL062，輸入電壓范圍±15 V，采用高輸入阻抗的JFET，并且輸出具有短路保護。

乘法功能模塊采用MPY634，是美國BURR-BROWN公司生產的高頻帶、高精度、四象限模擬乘法器，帶寬達10 MHz，在四象限范圍內精度可達±0.5%。

圖6 乘法模塊電路設計電路圖

3 RVDT仿真設備的驗證

為了驗證RVDT仿真設備的正確性，本文采用美國北大西洋的專業RVDT信號采集板卡CPCI-75C3，板卡分辨率為16位，精度高達0.025%FS。

設置RVDT仿真設備輸出-30°～30°角度值，則根據角度與電壓值之間的線性關系，仿真設備輸出相應的Va和Vb，將Va和Vb輸入到CPCI-75C3，解算出實測角度值。由表1可看出，RVDT仿真設備測試精度小于0.2%，接近國外同等產品水平。

圖7是根據表1分析得到的，可以看出Varms和Vbrms分別與角度值乘線性關系，并且增量相反，且Varms與Vbrms的和是一個常數，符合RVDT傳感器的輸出特性。

表1 RVDT仿真設備測試結果比較

圖7 RVDT仿真設備輸出特性

設置角度按照35 Hz的正弦信號變化，觀察RVDT仿真設備的輸出Va和Vb，如圖8所示。由圖9可以看出RVDT仿真設備輸出Va和Vb相位差為0°，增幅相位差180°，符合RVDT傳感器工作原理。

圖8 角度按正弦變化值

圖9 RVDT仿真設備輸出信號波形

4 結論

本文設計的高精度RVDT仿真設備不但能模擬飛機腳蹬或駕駛桿的運動提供給飛控計算機進行分析控制[2]，還能模擬出腳蹬或駕駛桿無法精確做出的正弦波，方波等運動信號，而這些信號在飛機設計過程中也是很有必要的。目前該設備已成功應用到某型飛機上，應用效果良好，具有較好的發展前景[4-6]。

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社,2002.

[2] 解思適.飛機設計手冊第12冊[M].北京：航空工業出版社,2003.

[3] 李 謖,李 玲,張 輝,等.LVDT傳感器仿真電路的設計與研究[J].儀表技術,2011,9:67-70.

[4] 柯一春,盛承勛.AD598的RVDT數據采集系統校準方法研究及分析[J].民用飛機設計與研究,2013(2),109:57-63.

[5] 姚 丹.一種LVDT精密測長儀的仿真研究[D].大連:大連理工大學,2009.

[6] 吳朝華,黃月芳,趙硯博.基于PXI總線的高精度LVDT/RVDT標準信號源的設計與實現[J].計算機測量與控制,2013,21(8):2317-2320.

Research on RVDT Signal Simulation Technology Based on PXIe Bus

Zhang Yu，Li Yanjie，Feng Jinqi，Jiang Jilong，Zhang Guiying

(Beijing Institute of Control Engineering, China Aviation Industry Co.,Ltd., Beijing 100176, China)

RVDT signal simulation equipment plays an important role in aviation computer design, commissioning and in the calibration of RVDT data acquisition system and so on. Through in-depth analysis theory of RVDT sensors work, the paper proposes RVDT signal simulation method based on PXIe bus. This paper focuses on the RVDT sensors work principle and output characteristics, expounds the design and implementation of RVDT simulation equipment. Finally using the north Atlantic company RVDT DAQ card CPCI-75C3 ,RVDT simulation equipment is verified, and the results show that the equipment is of high precision, fast response speed and stable operation.

RVDT sensor; PXIe bus; RVDT signal simulation

2016-09-04；

2016-11-02。

張 瑜(1985-)，女，河北保定人，碩士研究生，工程師，主要從事航空測控方向的研究。

1671-4598(2017)03-0143-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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