直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)阻抗匹配性技術(shù)研究

陳 敏

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)最具特色且不可或缺的重要系統(tǒng)，而旋翼轉(zhuǎn)速是直升機(jī)在飛行過(guò)程中非常重要的參數(shù)值，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地指示旋翼轉(zhuǎn)速是飛行員順利完成各種空中執(zhí)勤任務(wù)的前提。某直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)采用磁電式旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器，該傳感器對(duì)安裝在主旋翼軸上隨旋翼同步旋轉(zhuǎn)的音輪進(jìn)行探測(cè)，從而產(chǎn)生一個(gè)周期變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出正弦波信號(hào)，再經(jīng)變換器處理轉(zhuǎn)換為旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)，其中旋翼轉(zhuǎn)速與正弦波信號(hào)頻率成正比。在設(shè)計(jì)高頻率的電路系統(tǒng)時(shí)，高頻信號(hào)的變化必然會(huì)引起阻抗的突變，一旦系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化，信號(hào)就會(huì)在突變處產(chǎn)生信號(hào)衰減、信號(hào)反射、信號(hào)失真等信號(hào)完整性缺失問(wèn)題。根據(jù)這一特性，本文針對(duì)某直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)在正常額定轉(zhuǎn)速下誤報(bào)旋翼轉(zhuǎn)速低故障問(wèn)題，對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)的阻抗匹配性進(jìn)行了分析及改進(jìn)驗(yàn)證。

1 旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)由兩路旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器組成，每個(gè)傳感器有3路輸出信號(hào)，其中左傳感器信號(hào)分別供旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器、左發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器、右發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器使用，右傳感器信號(hào)分別供旋翼轉(zhuǎn)速指示器、綜合數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)使用。

1.2 工作原理

圖1為旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)的工作原理框圖，旋翼轉(zhuǎn)速傳感器采取磁電式傳感器工作原理，配套音輪進(jìn)行工作，當(dāng)音輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪齒靠近或遠(yuǎn)離傳感器殼體內(nèi)的極靴，改變磁阻的大小，使極靴的磁通量呈周期性變化，從而使傳感器內(nèi)的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出正弦波電壓信號(hào)，信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速變化成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)

旋翼轉(zhuǎn)速指示器采集旋翼轉(zhuǎn)速傳感器（左）的輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入電路分壓、調(diào)理后，將近似正弦波信號(hào)處理成方波信號(hào)傳送給CPU處理電路，CPU處理電路對(duì)調(diào)理后的脈寬信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)指針軸及指針在刻度盤(pán)上指示出相應(yīng)的旋翼轉(zhuǎn)速。旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器通過(guò)采樣電阻采集旋翼轉(zhuǎn)速傳感器（右）的輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)分壓、濾波和限幅等輸入電路調(diào)理后，將信號(hào)送至內(nèi)部處理單元，對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行采集、分析、計(jì)算及D/A轉(zhuǎn)換等處理后，向機(jī)電管理系統(tǒng)輸出直流電壓信號(hào)以對(duì)應(yīng)顯示旋翼轉(zhuǎn)速，在檢測(cè)到旋翼轉(zhuǎn)速超限后，向告警系統(tǒng)輸出旋翼轉(zhuǎn)速高或旋翼轉(zhuǎn)速低接地信號(hào)，并提供聲光告警。

旋翼轉(zhuǎn)速指示器在產(chǎn)品前端的輸入信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)原理與旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器類(lèi)似，都是通過(guò)分壓、采樣電阻等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理及采集，下文選用旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的阻抗匹配分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)驗(yàn)證。

2 阻抗匹配分析

旋翼轉(zhuǎn)速傳感器作為信號(hào)源，其線圈內(nèi)阻與輸出線路電阻、旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器采樣電阻在電路上構(gòu)成串聯(lián)回路，如圖2所示。理論上傳感器內(nèi)阻和線路電阻越小越好，其值越小，對(duì)信號(hào)造成的分壓則越小；而對(duì)于信號(hào)處理器來(lái)說(shuō)，采樣電阻越大越好，其值越大，則取得的信號(hào)電壓越大。

圖2 傳感器與處理器接口示意圖

2.1 信號(hào)源阻抗

旋翼轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)為交流電壓信號(hào)，在電路中影響交流電壓幅值的阻抗特性有阻性、感性、容性3種。其中，傳感器線圈是一種感性電阻，根據(jù)感抗計(jì)算公式XL=2 πfL（f為頻率，L為電感），其阻抗特性是頻率越高，感抗就越大，則分壓就越高。雖然傳感器線圈內(nèi)阻在靜態(tài)下的測(cè)試值為500~1000Ω，但當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到100%，對(duì)應(yīng)的頻率為11019Hz時(shí)，傳感器線圈阻抗在動(dòng)態(tài)下測(cè)試為18kΩ左右。

2.2 負(fù)載阻抗

旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器的輸入阻抗在靜態(tài)下的測(cè)試值為12kΩ，對(duì)于信號(hào)采集電路而言，其輸入阻抗在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)需遠(yuǎn)大于信號(hào)源輸出阻抗，結(jié)果表明，處理器的輸入阻抗明顯偏低，于是導(dǎo)致傳感器內(nèi)阻和線路電阻上的分壓過(guò)大，而處理器的輸入電壓則偏小。另外，由于處理器輸入電路上并接了濾波電容，而電容是一種容性電阻，根據(jù)容抗計(jì)算公式XC=1/(2 πfL) （f為頻率，C為電容），其阻抗特性是頻率越高，容抗就越小，從而導(dǎo)致處理器的輸入阻抗在動(dòng)態(tài)測(cè)試下會(huì)進(jìn)一步下降，使得處理器采樣電阻取得的信號(hào)電壓更小。

2.3 傳輸線阻抗

傳感器安裝于主減平臺(tái)之上，處理器安裝于客艙內(nèi)，從傳感器到處理器的輸出線路總長(zhǎng)達(dá)十余米，由于線路較長(zhǎng)，容易在導(dǎo)線上產(chǎn)生寄生電感，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)下的線路阻抗更大，線路上分壓更多。

綜合分析上述因素發(fā)現(xiàn)，由于傳感器輸出的是高頻信號(hào)，其電壓幅值受負(fù)載阻抗影響較大，并且旋翼轉(zhuǎn)速越快，負(fù)載采集端的電壓幅值下降就越嚴(yán)重。例如，旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器的輸入電路設(shè)計(jì)與旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器的輸出電路匹配不合理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電壓幅值大幅下降，低于產(chǎn)品正常工作的設(shè)計(jì)邊界值，從而造成旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)失真。

3 改進(jìn)及驗(yàn)證

3.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

針對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器的輸入電路設(shè)計(jì)與旋翼轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電路匹配不合理的問(wèn)題，對(duì)處理器輸入電路進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。原處理器輸入電路圖如圖3所示，改進(jìn)后的處理器輸入電路圖如圖4所示。

圖3 旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器輸入電路圖（改進(jìn)前）

圖4 旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器輸入電路圖（改進(jìn)后）

改進(jìn)后的處理器輸入電路由阻抗匹配電路、限幅電路、差分隔離電路等組成，與改進(jìn)前的狀態(tài)相比，主要是增大了輸入阻抗。為了不降低原先設(shè)計(jì)的抗噪聲干擾能力，增加了差分放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離處理，將濾波電容移至差分放大器后級(jí)，保證了產(chǎn)品的輸入電路無(wú)容性阻抗，提高了輸入電壓，改進(jìn)后的產(chǎn)品在100%轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)阻抗為440kΩ。

旋翼轉(zhuǎn)速采集設(shè)備采集傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)分析信號(hào)的頻率變化得到旋翼轉(zhuǎn)速的變化，信號(hào)電壓幅值的波動(dòng)并不會(huì)改變?cè)O(shè)備對(duì)信號(hào)頻率的處理分析功能，但如果設(shè)備采集端的信號(hào)電壓過(guò)小，則可能導(dǎo)致設(shè)備采集不到有效信號(hào)或采集到低幅值的干擾噪聲信號(hào)，致使設(shè)備產(chǎn)生錯(cuò)誤的處理分析結(jié)果，因此，改變?cè)O(shè)備的輸入阻抗不會(huì)影響設(shè)備原本的既定功能，只是關(guān)系到其取得信號(hào)的強(qiáng)弱（即分壓的大小）。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器設(shè)計(jì)改進(jìn)的準(zhǔn)確性，對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器進(jìn)行測(cè)試，按直升機(jī)實(shí)際的接線關(guān)系搭建地面運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑴y(cè)試電纜的長(zhǎng)度、規(guī)格與機(jī)上電纜相同，根據(jù)電調(diào)輸入采集電路搭建了兩路模擬電調(diào)負(fù)載。用示波器對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器插頭處的輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，改進(jìn)前后的處理器在運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器地面運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬試驗(yàn)

旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器經(jīng)過(guò)地面運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證后，在直升機(jī)上進(jìn)行裝機(jī)試飛，試飛結(jié)果見(jiàn)表2。改進(jìn)后的旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器的輸入信號(hào)電壓幅值有效提高，能夠滿足旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器正常工作的最低電壓設(shè)計(jì)要求（1.5Vp-p），旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)系統(tǒng)指示正常。

表2 旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器裝機(jī)試飛試驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)提高旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)處理器的負(fù)載阻抗，有效解決了系統(tǒng)的阻抗匹配性問(wèn)題。結(jié)果表明，該改進(jìn)后的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)地面試驗(yàn)及裝機(jī)試飛驗(yàn)證，改進(jìn)方案簡(jiǎn)單有效，旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性提高。結(jié)果表明，該改進(jìn)方法已實(shí)際應(yīng)用在機(jī)上使用旋翼轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)的其他采集設(shè)備上，可以作為對(duì)使用高頻輸出信號(hào)的負(fù)載設(shè)備開(kāi)展阻抗匹配性分析的理論指導(dǎo)依據(jù)和處理方法。