飛機輪速傳感器優(yōu)化設(shè)計及其測速方法

寧夏大學(xué)新華學(xué)院信息與計算機科學(xué)系 蔡元宵

針對飛機輪速傳感器低速輸出信號幅值不滿足要求和抗干擾能力較弱等問題，結(jié)合測速系統(tǒng)的測速方法進行研究，對輪速傳感器進行電路和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并采用M/T測速方法進行測速。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的輪速傳感器的輸出幅值得到了有效提高，抗干擾能力明顯增強，結(jié)合合適的測速方法，能夠準確采集飛機機輪的速度信號。

0 引言

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，目前大多數(shù)飛機都安裝了機輪防滑剎車系統(tǒng)。防滑剎車系統(tǒng)是飛機起降系統(tǒng)的核心部分，主要功能是對飛機的起降、剎車、滑行、轉(zhuǎn)彎等進行控制。輪速傳感器作為防滑剎車系統(tǒng)的一個重要部件，用于檢測飛機機輪的速度并產(chǎn)生與輪速成正比的頻率信號，提供給剎車盒或飛行控制計算機，從而根據(jù)情況決定是否進行剎車。如果采集的輪速信號出現(xiàn)畸變，幅值不達標(biāo)等情況，或者測速誤差太大，都可能會造成飛機在滑跑過程中出現(xiàn)防滑失效，如抱死或爆胎、剎車失效等安全事故。因此，輪速傳感器的性能以及合適的測速方法，直接影響防滑剎車系統(tǒng)的性能，進而影響飛機的著陸安全以及飛機的各項戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)[1-4]。目前，在裝有防滑剎車系統(tǒng)的飛機上一般裝有磁阻式輪速傳感器，但是輪速傳感器的抗干擾能力比較差，并且在低速狀態(tài)下會出現(xiàn)幅值較低的現(xiàn)象，在干擾比較大時甚至發(fā)生波形畸變的問題。速度傳感器的輸出信號提供飛機機輪測速系統(tǒng)，其測速方法是否有效也影響著機輪速度信號是否能夠準確采集。本文針對輪速傳感器輸出信號的問題以及測速系統(tǒng)的測速方法進行研究，對輪速傳感器進行優(yōu)化設(shè)計，并提出合適的測速方法，提高輪速傳感器的抗干擾能力，確保能夠準確采集飛機輪速信號。

1 輪速傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 輪速傳感器的結(jié)構(gòu)

輪速傳感器主要由定子、轉(zhuǎn)子、線圈、磁鋼組件、軸承等零組件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪速傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of wheel speed sensor

1.2 輪速傳感器的工作原理

輪速傳感器依據(jù)法拉第磁感應(yīng)原理工作，其原理圖如圖2所示。齒數(shù)相同的定子和轉(zhuǎn)子形成閉合磁路，當(dāng)輪速傳感器在一定強度磁場中旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生相對運動，內(nèi)外齒相互交錯，使磁路中的磁阻發(fā)生周期性的變化，從而使通過線圈的磁通量周期性增減，因而在線圈上產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢。輪速傳感器輸出峰-峰值大于0.6V的近似正弦波，輸出的信號頻率高低與輪速大小有關(guān)，其關(guān)系如式1所示[5]。

圖2 輪速傳感器工作原理圖Fig.2 Working principle of speed sensor

其中，i為傳動比；n為輪速（r/min）；p為轉(zhuǎn)子和齒環(huán)齒數(shù)。

2 輪速傳感器輸出信號出現(xiàn)的問題及原因分析

輪速傳感器安裝于飛機起落架的剎車機輪上，傳感器轉(zhuǎn)子通過撥叉與機輪上的傳動齒輪相連，當(dāng)機輪轉(zhuǎn)動時，經(jīng)傳動桿帶動傳感器轉(zhuǎn)子運動，傳感器輸出與輪速成正比的正弦波信號，速度越高，輸出信號頻率越高。在設(shè)計轉(zhuǎn)子和定子時，雖然選擇了高磁導(dǎo)率和低矯頑力的材料，但因速度傳感器的安裝空間受限，磁鋼體積不能做的太大，其磁路中的磁通量變化量已達到飽和，所以在低速狀態(tài)下該類速度傳感器都存在輸出信號幅值較低的問題，無論更換磁性能更好的導(dǎo)磁材料，或者增加安匝數(shù)，增加磁場強度，均無法提高輸出幅值。

輪速傳感器的轉(zhuǎn)子組件采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，有利于減輕重量，縮小體積，但當(dāng)速度傳感器的撥叉和機輪上的撥桿嚙合轉(zhuǎn)動時，因飛機發(fā)動機產(chǎn)生的振動、沖擊及加速度等因素影響，使得速度傳感器的輸出信號不穩(wěn)定，抗干擾能力比較差，甚至出現(xiàn)波形畸變的問題。

3 輪速傳感器優(yōu)化設(shè)計及其測速方法

3.1 增加幅值調(diào)節(jié)及濾波等電路

為了解決速度傳感器低速輸出信號幅值較低的問題，在原輪速傳感器增加幅值調(diào)節(jié)電路；另一方面，為了增加速度傳感器的抗干擾能力，增加濾波電路、對地濾波電路以及防雷電路，優(yōu)化設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 輪速傳感器優(yōu)化設(shè)計原理圖Fig.3 Schematic diagram of optimal design of wheel speed sensor

（1）幅值調(diào)節(jié)電路。

利用比例運算放大器原理進行設(shè)計。

其中R13w為調(diào)整電阻，可根據(jù)速度傳感器的輸出信號進行調(diào)整放大倍數(shù)；R10+R11w作為平衡電阻，用于消除放大器的偏流而在輸出信號產(chǎn)生的偏移。

式中:設(shè)R2=R3=R8=R9=7.5kΩ，R10+R11w=R12+R13=30 kΩ，由（4）式計算可知:

（2）濾波電路。

采用低通濾波原理，由于輪速傳感器的最高轉(zhuǎn)速頻率為5kHz，且濾波器具有衰減的特性，所以，設(shè)計10kHz濾波器，設(shè)計原理圖如圖3（a）所示。

取f0=10kHz ，R5=R6=10kΩ，計算可知:C1=0.23×1 10-2μF，C2=0.12×10-2μF 。

（3）對地濾波電路和防雷電路。

考慮到電纜上的干擾信號以及雷電等其他各種干擾信號，進行對地濾波和防雷電路的設(shè)計。在電路輸入和輸出端增加防雷模塊和二極管接地濾波，電路原理圖如圖3（b）所示。并且在導(dǎo)磁體處增加一處大街結(jié)構(gòu)與金屬殼體等結(jié)構(gòu)件相連，達到提供較低交流阻抗，從而使雷電能量通過。

3.2 飛機輪速測速系統(tǒng)選用合適的測速方法

飛機輪速測速系統(tǒng)一般由傳感器接口電路和測速模塊組成。接口電路將速度傳感器產(chǎn)生的輪速信號進行傳輸和變換，轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號進入測速模塊。測速模塊將傳輸過來的方波信號轉(zhuǎn)換成與其頻率成正比的直流電壓信號，該電壓信號與輪速成正比，測速系統(tǒng)選取合適的采樣周期測速軟件中增加速度濾波模塊滿足飛機測速要求。

隨著微電子技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，所有微控制器都有測速需要的定時器/計數(shù)器、事件發(fā)生器。常用的測速方法有M法測速和T法測速和M/T法測速。

3.2.1 M法測速

由（5）、（6）、（7）式可以看出，當(dāng)Z和Tc一定時，機輪轉(zhuǎn)速與近似正弦波個數(shù)成正比；M法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，要提高分辨率，必須增大Z（即增加速度傳感器的齒數(shù)），或者增大采用周期Tc，但是由于現(xiàn)實條件的限制，不可能無限的增大；在選定速度傳感器后，Z一定，測量誤差與轉(zhuǎn)速和檢測周期成反比，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低的時，誤差率會變大，因此M法適合高速測量。

3.2.2 T法測速

T法測速是測量兩個脈沖之間的時間間隔來計算轉(zhuǎn)速，也被稱為周期法。

若與機輪同軸的輪速傳感器每旋轉(zhuǎn)一周輸出近似正弦波個數(shù)為Z，高頻脈沖的頻率為0f，通過的脈沖個數(shù)為M2，機輪轉(zhuǎn)速為n（r/min），則機輪的轉(zhuǎn)速為:

其中:εp%為速度傳感器輸出波形相角偏差。

由（8）、（9）、（10）式可以看出，當(dāng)Z和0f一定時，T法測速的分辨率Q與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強；測速誤差ε與速度傳感器的輸出信號波形質(zhì)量有關(guān)，輸出波形誤差越小，測量誤差越小。因此T法適合低速測量。

3.2.3 M/T法測速

為了兼顧高速和低速，本文采用將M法和T法結(jié)合的測速方法，即M/T法。

在采樣周期周期T內(nèi)，計算輸入脈沖的個數(shù)M1以及高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，兩個技術(shù)保持嚴格同步，檢測周期為:

其中ΔT1為采樣脈沖開始時刻到第一個輸入脈沖上升沿之間的時間間隔，ΔT2為采樣脈沖結(jié)束時刻到最后一個輸入脈沖結(jié)束時刻之間的時間間隔。綜合上述兩種算法，計算可得機輪的轉(zhuǎn)速為:

4 實驗結(jié)果

在原輪速傳感器的基礎(chǔ)上根據(jù)圖3新增電路（設(shè)置放大系數(shù)A為2），并對結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)調(diào)整。輪速傳感器優(yōu)化設(shè)計前后，在振動-沖擊試驗狀態(tài)下，分別用示波器進行檢測，檢測結(jié)果如圖4。其中（a）圖為速度傳感器改進前測得的波形，（b）圖為優(yōu)化設(shè)計后的波形。

圖4 輪速傳感器輸出波形圖Fig.4 Output waveform of the wheel speed sensor

針對優(yōu)化設(shè)計后的輪速傳感器，在不同轉(zhuǎn)速下選用不同測試點，對其輸出波形進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 輪速傳感器不同測試點的測試結(jié)果Tab.1 Test result of wheel speed sensor at different test points

從測試結(jié)果可看出，輪速傳感器經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，輸出信號的幅值可以按照設(shè)計方案進行放大，滿足性能指標(biāo)要求。

將優(yōu)化設(shè)計后的輪速傳感器輸出信號送入飛機輪速測速系統(tǒng)，檢測速度范圍為20km/h～100km/h，采用M/T法進行測速，測速結(jié)果滿足要求。

5 結(jié)論

本文針對輪速傳感器輸出信號的問題以及測速系統(tǒng)的測速方法進行研究，對輪速傳感器進行優(yōu)化，并采用M/T法進行測速。實驗結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計后的輪速傳感器的輸出幅值能夠有效提高，抗干擾能力增強，測速方法選取合適，能夠滿足精度和誤差要求。