民用飛機攻角傳感器自動調節系統研究

吳熙

(上海飛機制造有限公司，上海 201324)

0 引言

隨著航空科技的發展，對飛機失速現象的預防已經有一套有效的預警機制和系統。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域。攻角傳感器作為失速保護系統的重要組成設備，是發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據發送至失速保護計算機轉換成數字信號，并可以把此信號輸出給儀表顯示，并觸發失速告警系統。當實際迎角接近臨界迎角而使飛機有失速的危險時，失速告警系統即發出各種形式的告警信號。在飛行控制系統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[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。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，可以指示飛機的飛行姿態[3]。因此在設計飛行控制系統中以及飛機生產制造過程中，都需要對攻角進行調節，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，需要調節飛機攻角傳感器使其產生多個迎角值以驗證飛機各系統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以驗證飛機的失速告警功能。該機型有3套攻角系統，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，否則迎角數據會失效。同時，每個傳感器調節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值，操作極為不便，兩邊的操作人員協調也較為困難。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，需要研制一套系統來實現飛機攻角傳感器角度的自動調節。該系統可應用于攻角傳感器的相關試驗，為飛控航電等系統提供一個準確的攻角值，并且能實現多個攻角傳感器同時調節、單個調節及微調。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的精度。

2 攻角傳感器自動調節系統

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別。要實現對攻角傳感器的控制，需要一套結構輕巧的調節裝置。該裝置轉軸與攻角傳感器的轉軸同軸，由電機驅動。使用多個這種調節裝置來調節飛機上所有的攻角傳感器。這些調節裝置的驅動電機由控制器統一控制，實現同步轉動或單個轉動；不僅可以實現直接角度值控制，也可以實現按鍵微調控制?？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?？刂破饕部刹捎肦S485接口與飛機測試平臺通信，實現飛機的自動化測試。整個系統的結構如圖1所示。

圖1 攻角調節系統架構

2.2 調節裝置夾具設計

攻角傳感器本身的防護蓋安裝孔可以用來安裝調節裝置，定位銷孔可以用來調節裝置的定位，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模，進行調節裝置的詳細設計。調節裝置包括電機、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夾具示意圖

2.3 控制器硬件設計

由于現場電磁干擾嚴重，故選用運行穩定的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的運動加速度；減速度是指電機從勻速運動狀態到靜止的運動減速度；速度是指電機勻速運動狀態的速度；位移是這整個過程的運動角度。這4個參數通過參數設定PLC的MotionParaSet功能模塊發送到控制器中，電機運動的觸發信號通過Modbus_Master模塊發送到控制器中，電機所運動的角度也通過Modbus_Master模塊讀取到控制器中[7]。

為了方便現場操作，攻角傳感器自動調節控制系統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，運動參數下發，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值。在正負方向，隨機調節幾個角度值，如表1所示。

表1 試驗數據 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；調節值是系統所設定的調節角度，誤差是將調節的角度和實際運動的角度相比較得到反應系統控制效果的參數。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的重要性能。將4個傳感器都調節到同一個初始角度，然后設置同時調節，向正方向運動30°，采用測試接口設備采集運動過程中的數據，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系統，結構簡單輕巧，每個攻角調節裝置主要含有1個電機、1個電機支座及裝夾在風標上的夾頭；操作方便，只需選擇所需調節的攻角傳感器及變化數值即可；并且該系統易于擴展，能夠與其他測試系統集成，形成集成測試系統。不同的機型攻角傳感器數量不同，攻角傳感器的楔形面角度不同，但僅需稍加改動，改變調節裝置的夾頭V槽角度，增加調節裝置，該系統同樣可使用。經過試驗驗證，該系統的單個調節精度和多個同步調節精度都在0.5°范圍內，滿足現場使用要求。