基于PXIe總線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器信號(hào)仿真技術(shù)研究

張 瑜，李燕杰，封錦琦，江繼龍，張桂英

(中航工業(yè)北控所，北京 100176)

基于PXIe總線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器信號(hào)仿真技術(shù)研究

張 瑜，李燕杰，封錦琦，江繼龍，張桂英

(中航工業(yè)北控所，北京 100176)

旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器(RVDT)信號(hào)仿真設(shè)備在航空計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)等方面起著舉足輕重的作用；文中通過(guò)對(duì)RVDT傳感器工作原理深入的剖析，提出基于PXIe總線(xiàn)的RVDT信號(hào)仿真方法；文章重點(diǎn)研究了RVDT傳感器工作原理及輸出特性，闡述了RVDT仿真設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最后使用RVDT數(shù)采板卡CPCI-75C3對(duì)RVDT仿真設(shè)備進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)備仿真精度高，響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定。

RVDT傳感器；PXIe總線(xiàn)；RVDT信號(hào)仿真

0 引言

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

RVDT傳感器在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，RVDT信號(hào)仿真即模擬RVDT傳感器的輸出，此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)比較成熟，并且有相關(guān)的產(chǎn)品，但是價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)對(duì)RVDT信號(hào)仿真研究處于起步階段，傳統(tǒng)的RVDT仿真設(shè)備自適應(yīng)差，精度低。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了控制精度高、能夠靈活控制位移量值連續(xù)掃描輸出的RVDT仿真設(shè)備，目前已成功代替駕駛艙操縱器件(如駕駛桿、駕駛盤(pán)、腳蹬等)向飛控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)送的信號(hào)，協(xié)助完成飛控計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)調(diào)試[1-2]。

1 RVDT傳感器工作原理

RVDT傳感器的架構(gòu)圖，主要由一個(gè)原邊線(xiàn)圈和兩個(gè)副邊線(xiàn)圈組成，原線(xiàn)圈輸入一固定頻率正弦波信號(hào)，被測(cè)件運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鐵心移動(dòng)，從而導(dǎo)致兩個(gè)副邊線(xiàn)圈所感應(yīng)的電壓振幅大小不同，進(jìn)而得出鐵心的位置。如圖1所示。

圖1 RVDT傳感器架構(gòu)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(xiàn)圈的等效電感和等效電阻為l、R；副邊線(xiàn)圈的等效電阻分別是Ra、Rb，等效電感分別為la、lb；原邊線(xiàn)圈l與兩個(gè)副邊線(xiàn)圈la、lb之間的互感系數(shù)分別為Ma、Mb。原邊線(xiàn)圈l加上正弦交流電壓u后，副邊線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea和Eb，它們的值與鐵心在線(xiàn)圈內(nèi)的位置有關(guān)。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(shè)施加在初級(jí)線(xiàn)圈上的激勵(lì)電流i(t)=Isinωt，根據(jù)互感原理，原邊線(xiàn)圈l對(duì)副邊線(xiàn)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

(2)

將式(1)代入式(2)得：

(3)

當(dāng)鐵心處于中心位置時(shí)，原邊線(xiàn)圈l對(duì)兩個(gè)副邊線(xiàn)圈la和lb的互感相等，即Ma=Mb=M，此時(shí)Ea=Eb，輸出電壓u0=Ea-Eb=0。

由于兩個(gè)副邊線(xiàn)圈屬于均勻密繞，當(dāng)鐵心位移變化X時(shí)，引起原邊線(xiàn)圈對(duì)副邊線(xiàn)圈互感的變化，則有：

ΔM=KX

(4)

其中:K為耦合系數(shù)。

Ma=M+ΔM,Mb=M-ΔM

(5)

設(shè)X=AsinΩt，A為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的最大位移，此時(shí)：

MIcosωt+IKAsinΩtcosωt+IKAsinωtcosΩt

MIcosωt-IKAsinΩtcosωt-IKAsinωtcosΩt

u0=Ea-Eb=2IKA(cosωtsinΩt+sinωtcosΩt)

兩個(gè)副邊線(xiàn)圈輸出電壓和Ea+Eb=2MIcosωt，其有效值為常數(shù)，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(guó)meas公司的型號(hào)為R30A的RVDT傳感器，由信號(hào)源提供R30A的激勵(lì)信號(hào)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(shè)RVDT傳感器信號(hào)輸出為Va和Vb，則有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)Va和Vb頻率相同，都等于激勵(lì)的頻率，兩信號(hào)相位差為0°；

(2)Va和Vb有效值相加為一常數(shù)，即增量相位差為180°；

(3)Va和Vb有效值分別與輸出角度成線(xiàn)性關(guān)系。

2 RVDT仿真設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)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(shè)備信號(hào)輸出的依據(jù)。RVDT仿真設(shè)備原理框圖如圖5所示。

圖5 RVDT仿真設(shè)備原理框圖

RVDT仿真設(shè)備基于PXIe總線(xiàn)，背板帶寬高達(dá)6 GB/s，儀器觸發(fā)水平能達(dá)到ps級(jí)，可以極大地改善同步功能，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。

圖5中激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生選擇美國(guó)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(hào)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(gè)通道，可仿真16路RVDT信號(hào)，通道間同步能達(dá)到2 μs。PXIe-6738為RVDT仿真信號(hào)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(gè)點(diǎn)的共用FIFO，先將角度波形值寫(xiě)入FIFO，然后通過(guò)軟件定時(shí)即可實(shí)現(xiàn)，降低對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(lì)信號(hào)和DA的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理，以適應(yīng)乘法功能模塊的輸入要求。乘法功能模塊是將激勵(lì)信號(hào)和DA作乘法調(diào)制，生成RVDT信號(hào)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(hù)。

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

圖6 乘法模塊電路設(shè)計(jì)電路圖

3 RVDT仿真設(shè)備的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證RVDT仿真設(shè)備的正確性，本文采用美國(guó)北大西洋的專(zhuān)業(yè)RVDT信號(hào)采集板卡CPCI-75C3，板卡分辨率為16位，精度高達(dá)0.025%FS。

設(shè)置RVDT仿真設(shè)備輸出-30°～30°角度值，則根據(jù)角度與電壓值之間的線(xiàn)性關(guān)系，仿真設(shè)備輸出相應(yīng)的Va和Vb，將Va和Vb輸入到CPCI-75C3，解算出實(shí)測(cè)角度值。由表1可看出，RVDT仿真設(shè)備測(cè)試精度小于0.2%，接近國(guó)外同等產(chǎn)品水平。

圖7是根據(jù)表1分析得到的，可以看出Varms和Vbrms分別與角度值乘線(xiàn)性關(guān)系，并且增量相反，且Varms與Vbrms的和是一個(gè)常數(shù)，符合RVDT傳感器的輸出特性。

表1 RVDT仿真設(shè)備測(cè)試結(jié)果比較

圖7 RVDT仿真設(shè)備輸出特性

設(shè)置角度按照35 Hz的正弦信號(hào)變化，觀察RVDT仿真設(shè)備的輸出Va和Vb，如圖8所示。由圖9可以看出RVDT仿真設(shè)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(shè)備輸出信號(hào)波形

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高精度RVDT仿真設(shè)備不但能模擬飛機(jī)腳蹬或駕駛桿的運(yùn)動(dòng)提供給飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析控制[2]，還能模擬出腳蹬或駕駛桿無(wú)法精確做出的正弦波，方波等運(yùn)動(dòng)信號(hào)，而這些信號(hào)在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中也是很有必要的。目前該設(shè)備已成功應(yīng)用到某型飛機(jī)上，應(yīng)用效果良好，具有較好的發(fā)展前景[4-6]。

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社,2002.

[2] 解思適.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第12冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社,2003.

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Research on RVDT Signal Simulation Technology Based on PXIe Bus

Zhang Yu，Li Yanjie，F(xiàn)eng 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(cè)控方向的研究。

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

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