基于正余弦旋轉變壓器的襟縫翼角位移傳感器信號處理技術研究

韓建輝 張軍紅 杜永良

摘 要：大型飛機襟縫翼角位移傳感器的交流信號在經過長距離傳輸后產生電壓幅值升高的現象，導致角度測量超差的問題。本文提出了采用正余弦傳感器利用信號解調技術解決該問題的方法，論述了正余弦傳感器和AD2S1210解調芯片的解調原理，設計了正余弦傳感器的監控方法、AD2S1210的外圍接口電路及FPGA的配置和時序控制方法。該設計方案已應用于某大型飛機的襟縫翼控制器計算機，良好的試驗測試結果證明了該方法可以解決傳感器交流信號長距離傳輸帶來的測量超差問題。該研究可以應用于大型飛機的角度及線位移測量領域，對于提升大型飛機傳感器的測量精度具有重要意義。同時，針對AD2S1210解調芯片供應鏈的不穩定性設計了國產化的旋轉變壓器傳感器的激勵電路原理，正弦、余弦輸入信號的解調及監控方法原理作為備用方案。

關鍵詞：正余弦旋轉變壓器； AD2S1210； 傳感器信號處理； 傳感器監控

中圖分類號：V249.11 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.03.012

某大型飛機在進行飛控高升力控制分系統地面調試和驗證時發現，經過計量標定的差動變壓器式角位移傳感器（RVDT）存在明顯的測量超差。經理論分析認為，是因為襟翼、縫翼角位移傳感器安裝在翼尖附近，距離安裝于機頭電子設備柜的襟縫翼控制計算機較遠（約為30m），傳輸線纜存在的分布電容效應，通過多組不同長度線纜的信號傳輸試驗確認，30m傳輸線纜會導致信號幅值平均升高1.715%。且隨著線纜長度提高到30m，幅值升高也會增大，導致解調后的角度超差也增大。

由于線纜為柔性體，從機頭電子設備艙到機翼翼尖的長距離敷設很難保證每個架次線纜走線的一致性，這會導致各個架次的分布電容不一致，進而導致角度超差幅度也不一致。

傳統解決問題的方式為采用襟翼、縫翼角位移傳感器機上計量標定的方法消除分布電容帶來的誤差。由于分布電容不一致就會導致每架次的標定參數不一致，因此每架機都需要重新進行機上標定。傳統的解決方式可以解決長距離傳輸帶來的測量超差問題，但是會使地勤人員的維護難度和成本提高很多，進而降低飛機的出勤率。

本文提出了采用正余弦旋轉變壓器式角位移傳感器進行襟翼、縫翼角度測量的方法，利用信號處理技術解決線纜長距離傳輸帶來的測量超差問題，同時可以保證每架機的襟翼、縫翼角位移傳感器計量標定參數保持一致，減小地勤維護工作，提高飛機的出勤率。

1 正余弦旋轉變壓器的特點及工作原理

正余弦旋轉變壓器式傳感器是一種精密的角位移測量裝置，具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點[1-2]，特別適用于嚴寒、潮濕、高溫、高速、振動等惡劣環境下工作，廣泛用于伺服控制系統和汽車、機器人等領域。滿足飛機對機載設備嚴苛的環境適應性和高精度測量要求。

正余弦旋轉變壓器式角位移傳感器通常配置初級繞組位于轉子上，兩個次級繞組位于定子之上[3]，原理如圖1所示，初級繞組施加激勵Vr，當轉子繞組的軸角為θ時，正弦次級繞組S1-S3輸出Vb；余弦次級繞組S2-S4輸出Va。其中sin（ωt）為激勵信號頻率，KE為轉子激勵幅度。通過對Va、Vb的解調處理解算出偏角θ。

2 基于AD2S1210的襟縫翼旋轉變壓器角位移傳感器信號處理方法

2.1 AD2S1210的功能原理

由安捷倫公司發布的AD2S1210轉換器芯片是專用的正余弦旋轉變壓器激勵和信號解調芯片[4]。AD2S1210是一款10、12、14、16位分辨率可調的旋變數字轉換器，集成片上可編程正弦波振蕩器，為傳感器提供正弦波激勵。轉換器正余弦電壓輸入范圍為3.15Vp-p±0.8505，頻率范圍為2～20kHz，工作溫度范圍可達-40～125℃。利用TYPEⅡ型跟蹤環進行角位移信號解調計算，故障診斷模塊可以實現故障檢測定位。功能組成如圖2所示。

正余弦旋轉變壓器與AD2S1210芯片轉換器的連接關系如圖3所示，AD2S1210芯片轉換器完成激勵輸入和正余弦輸出信號的解調，AD2S1210芯片轉換器的邏輯時序控制及配置由微控制器或者FPGA實現。

2.2 信號解調處理及監控方法

減法器將信號處理完成后送入檢波器，檢波器同時接收高頻激勵信號作為參考信號。檢波器信號解調原理是將減法處理后信號和參考信號相乘，由于參考信號頻率遠遠高于θ、ψ的變化頻率，再利用低通濾波器將高頻參考信號過濾掉便可得到跟蹤角度的誤差信號KEsin（θ-φ）。解調之后，將解調后的信號反饋至積分器，積分器的作用是輸出激勵信號對振蕩器（VCO）進行激勵，而振蕩器的正常工作又使得計數器開始計數，計數器使ψi+1=ψi±1LSB（最低有效位），最終使θ-ψ趨近于0，此時由于線纜長距離傳輸的分布電容效應導致的KE電壓升高誤差影響即可忽略，最后將角度值輸出至鎖存器進行輸出。其中振蕩器和計數器起到補償濾波器的作用。原理如圖4所示。

AD2S1210的TYPEⅡ跟蹤環在信號解調處理后輸出sinψ、cosψ至信號監控模塊，由于跟蹤值ψ趨近于傳感器測量偏角θ，且由于正余弦輸入傳輸線纜一致，因此正弦幅值等于余弦幅值，去掉載波信號sin（ωt），所以得出

KEsinθsinφ+KEcosθcosφ=KE（2）

因此，可通過監控式（2）的數值是否為固定值來判斷正余弦傳感器是否故障。由于長距離線纜傳輸時分布電容的因素導致正弦輸入余弦輸入會出現一定電壓升高，所以高升力控制分系統的監控門限的設定應適度放寬，以減少故障誤報帶來的虛警問題。信號監控模塊同時可以完成輸入信號丟失檢測（LOS）和信號降級檢測（DOS），當ψ跟蹤θ誤差過大時，TYPEⅡ跟蹤環會上報信號跟蹤丟失故障。

2.3 接口電路和解調芯片配置及時序控制設計

2.3.1 旋轉變壓器及解調芯片接口電路設計

AD2S1210芯片集成于高升力控制分系統的襟縫翼控制計算機的接口處理板上，該芯片的外圍接口電路包括供電、晶振時鐘、襟縫翼旋轉變壓器角位移傳感器激勵及正余弦解調接口電路、芯片配置及時序控制邏輯電路等。

其中供電電路包括芯片的5V數字電路供電，5V芯片模擬電路供電，采用8.193MHz的晶振作為時鐘基準。AD2S1210芯片向襟縫翼旋轉變壓器角位移傳感器激勵驅動供電，激勵驅動電路采用緩沖電路實現幅值調節[6-7]。正弦信號和余弦信號采用雙絞屏蔽線輸入AD2S1210芯片。接口支持電路如圖5所示。

2.3.2 解調芯片的配置及時序控制設計

襟縫翼正余弦旋轉變壓器角位移傳感器的激磁采用7VAC 1800Hz，晶振時鐘8.192MHz[8]，因此AD2S1210解調輸出角度的分辨率為16位二進制。

襟縫翼控制計算機（FSECU）的接口處理板采用FPGA對AD2S1210芯片進行配置寄存器的讀寫和時序控制。配置寄存器包括信號丟失檢測、信號降級檢測、跟蹤丟失檢測的上下門限設置及軟件復位設置[9]。時序控制包括初始化時的配置寫入、初始化時的配置讀取校驗和襟縫翼角度讀取等。由于受篇幅所限，僅介紹襟縫翼角度和故障讀取時序控制，如圖6所示，SAMPLE管腳低電平控制芯片開始采樣，CS管腳低電平選中使能芯片，RD管腳低電平使能并行總線讀取，A0、A1管腳低電平使能襟縫翼角度讀取，襟縫翼控制計算機通過對應的時序實現襟翼、縫翼角度的采樣讀取。

襟縫翼控制計算機的接口處理板中的FPGA完成襟縫翼角度采樣和故障信息讀取后，結果放入存儲緩沖區中，DSP讀取角度數據及故障監控信息完成周期任務處理后，通過VME背板總線發送至核心處理器板，作為高升力控制分系統的應用層軟件的控制輸入。其原理設計如圖7所示。

3 試驗測試結果

地面仿真測試平臺通過接口適配連接襟縫翼控制計算機（FSECU），以實現襟縫翼收放控制指令的輸入和計算機反饋的結果的處理與顯示。襟縫翼控制計算機通過A429總線向襟翼和縫翼電機驅動器發送襟縫翼收放指令，電機驅動器轉化為電機正轉和反轉控制指令，電機驅動連桿轉動再驅動絲杠轉動，從而實現襟縫翼的收放，旋轉變壓器角位移傳感器通過測量連桿的轉角轉化為襟縫翼角度，襟縫翼控制計算機利用接收到的襟縫翼角度實現閉環控制。地面試驗測試原理如圖8所示。

基于正余弦旋轉變壓器的襟縫翼角位移傳感器，從信號處理的角度解決了傳統的RVDT型角位移需要每架機都進行計量標定的維護性問題，使每架機的襟縫翼角位移傳感器標定參數保持一致，直接配置到高升力控制分系統的應用軟件即可。

襟縫翼收放角度的時域實測值如圖9所示。旋轉變壓器襟翼、縫翼角位移傳感器靜態點測量結果見表1和表2，通過襟縫翼控制計算機發送指定的襟翼、縫翼偏角指令，通過與地面基準測試傳感器的比對，結果表明靜態點誤差小于1%，精度較高。

4 國產化的襟縫翼旋轉變壓器角位移傳感器信號解調技術設計

經過多場景驗證的成熟芯片AD2S1210進行襟縫翼旋轉變壓器角位移傳感器信號的解調處理，可以提高高升力控制分系統的成熟度和可靠性，但考慮到國外芯片供應鏈的不確定性，因此應考慮設計國產化的襟縫翼旋轉變壓器角位移傳感器信號的解調處理方法。

4.1 激勵驅動信號的生成

通過多級濾波將高頻正弦信號濾除即可得到頻率為2kHz的正弦波信號。

建立如圖11所示的仿真電路，方波模擬電路生成方波信號，串接隔離放大電路，在經過兩級一階濾波即可得到正弦激勵信號。仿真結果如圖12所示。由仿真結果可得激勵信號生成的可行性。

4.2 正弦、余弦信號的解調原理

由于正弦波激勵信號是由FPGA生成的方波信號轉換產生的，因此在進行正弦、余弦信號處理時，由FPGA控制AD器件在T/4時進行精準采樣，以保證sin（ωt）=1。原理如圖13所示。AD采樣后的正弦輸入為K1sinθ，余弦輸入為K1cosθ。依據θ角的象限變化，采用表3的方法即可計算得出襟縫翼的角位移。

4.3 旋轉變壓器傳感器的監控原理

由于正弦輸入和余弦輸入信號在進行長距離傳輸時會出于分布電容的原因導致幅值升高，因此平方和的門限應在地面鐵鳥試驗臺和機上進行充分的調試測試，以確定合適的上下監控門限，時間門限通常選擇襟縫翼控制計算機的幀周期的5～8倍。

4.4 國產化的激勵解調方法和AD2S1210的激勵解調方法的對比分析

相比于AD2S1210，國產化的激勵解調方法電子分立器件較多，功耗較高，也沒有經過充分的地面和控制試飛驗證。盡管其在成熟度、集成度、可靠性和監控的全面性方面不占優勢，但是在激勵解調和監控方法通過分立器件組成的電路和軟件實現上，原理明確，在進行設計迭代優化時成本低、周期短。可以作為AD2S1210在供應鏈不穩定時的備份。

5 結束語

針對某大型飛機高升力控制分系統的襟縫翼角位移傳感器長距離傳輸導致的地勤維修性增加的問題，本文提出了正余弦旋轉變壓器角位移傳感器對襟翼、縫翼角度進行測量，并設計了集成于襟縫翼控制計算機的AD2S1210芯片進行信號解調的方案，解決了該維修性問題。通過了某型飛機的地面試驗和空中試飛的驗證，用戶反映較好。考慮到AD2S1210芯片的供應鏈可能存在不穩定性的問題，設計了國產化的正余弦旋轉變壓角位移傳感器的激勵、解調和監控原理算法，以備不時之需。

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Research of Signal Processing Technology of Flap and Slat Angle Transducer Based on Sine and Cosine Rotating Transformer

Han Jianhui， Zhang Junhong， Du Yongliang

AVIC The First Aircraft Institutes， Xian 710089， China

Abstract： The AC signal of the large airplane flap angular displacement sensor increases the voltage amplitude after long-distance transmission， which causes the problem of angle measurement error. In this paper， a method to solve this problem by using sine-cosine sensor and signal demodulation technology is presented. The demodulation principle of rotating transformer and AD2S1210 demodulation chip is discussed. The monitoring method of rotating transformer， the peripheral interface circuit of AD2S1210， and the configuration and timing control method of the GA are designed. The design scheme has been applied to a large airplanes flap controller computer. Good test results show that the method can solve the measurement overrun caused by long distance transmission of sensor AC signals. This research can be applied to the angle and line displacement measurement of large aircraft， and it is important to improve the measurement accuracy of sensor of large aircraft. At the same time， the excitation circuit principle of the domestic rotator sensor is designed for the instability of the supply chain of AD2S1210 demodulation chip. The demodulation and monitoring method principle of sine and cosine input signals are used as the alternative scheme.

Key Words： sine andcosine rotating transformer； AD2S1210； sensor sigal demodulation； sensor monitoring