一種磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)模擬裝置設(shè)計(jì)

高廣華，李拓彬

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002）

本文設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)模擬裝置，可以精確地生成指定頻率和幅值的交流正弦信號(hào)，并提供與真實(shí)傳感器一致的電氣接口特性。該裝置為發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器調(diào)試、測(cè)試提供準(zhǔn)確的信號(hào)源，并應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真和全電仿真試驗(yàn)中，為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提供與真實(shí)傳感器一致的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由永久磁鐵、鐵磁芯、感應(yīng)線圈、音輪組成,其中音輪安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上隨它一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁電式傳感器工作原理圖

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理為：當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)音輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，音輪的齒峰和齒谷將引起音輪到永久磁鐵間隙δ的變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量發(fā)生變化。當(dāng)齒峰靠近永久磁鐵時(shí)，磁阻減小，磁通量增大；當(dāng)齒谷靠近永久磁鐵時(shí)，磁阻增大，磁通量減小，隨著音輪的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，線圈中的磁通量呈周期性變化，從而感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。

2 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)特征

■2.1 傳感器信號(hào)波形

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)波形與音輪的齒型、磁間隙δ以及鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)一般選用漸開線齒形音輪。以常用的某型磁電式傳感器為例，傳感器線圈兩端輸出周期性、上下對(duì)稱的類正弦脈沖電壓信號(hào)，如圖2所示。

圖2 漸開線信號(hào)脈沖波形

■2.2 傳感器信號(hào)幅值

傳感器與音輪之間的磁間隙大小及變化快慢直接影響鐵磁材料的磁導(dǎo)率，進(jìn)而影響線圈的輸出電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)磁間隙增大或變化減慢時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率降低，磁路的磁阻增加，磁通量減少，感生電動(dòng)勢(shì)變小；當(dāng)氣隙減少或變化加快時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率升高，磁路的磁阻減少，磁通量增加，感生電動(dòng)勢(shì)變大。氣隙小或變化快時(shí)，靈敏度高；氣隙大或變化慢時(shí)，靈敏度低。RG-9型磁電式傳感器的信號(hào)峰-峰值與磁間隙及轉(zhuǎn)速的關(guān)系見圖3。

圖3 信號(hào)電壓與磁間隙及轉(zhuǎn)速的特征圖

■2.3 傳感器線圈阻抗

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)的處理包括電路斷線BIT檢查和對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集。電子控制器是通過測(cè)量傳感器在線路中分擔(dān)的電壓來進(jìn)行BIT檢查，根據(jù)傳感器線圈分擔(dān)的電壓，在控制器軟件中設(shè)置相應(yīng)的閾值，如果傳感器出現(xiàn)開路或斷路故障時(shí)，傳感器分擔(dān)的電壓會(huì)超過設(shè)定的閾值，控制器就會(huì)判斷為傳感器開路或斷路故障，從而采取相應(yīng)的處理措施，因此，對(duì)控制器來說，傳感器阻抗為判斷傳感器是否正常的一個(gè)重要參數(shù)。

3 信號(hào)模擬裝置設(shè)計(jì)要求

■3.1 電子控制器對(duì)傳感器信號(hào)的要求

發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用數(shù)字電子控制系統(tǒng)，電子控制器接收傳感器信號(hào)和飛機(jī)指令，通過計(jì)算后按既定的控制規(guī)律控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。控制器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集周期為24ms左右，轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集精度要求不低于±0.05% F.S。

■3.2 信號(hào)模擬裝置要求

在仿真試驗(yàn)中，信號(hào)模擬裝置需為發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器提供與真實(shí)轉(zhuǎn)速傳感器一致的信號(hào)，電氣接口特性也要保持與真實(shí)傳感器一致，并且信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)換精度也要滿足電子控制器的需求。

基于前文的分析，同時(shí)參考多型傳感器的信號(hào)參數(shù)，考慮到盡量覆蓋常用的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)特征。確定信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)要求如下：

（1）生成頻率和幅值連續(xù)可調(diào)交流正弦信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間：≤5ms；

（2）生成頻率范圍：(100～20000)Hz，精度：優(yōu)于±0.01%；

（3）輸出信號(hào)幅值：(0.55～40)V范圍連續(xù)可調(diào)；

（4）輸出端口直流電阻：(10～1400)Ω。

4 信號(hào)模擬裝置設(shè)計(jì)

■4.1 原理設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬裝置基于數(shù)字可編程波形發(fā)生器（DDS）和數(shù)字調(diào)幅電路（MDAC）設(shè)計(jì)。前者生成幅值固定、頻率連續(xù)可調(diào)的正弦波信號(hào)，后者對(duì)前者生成的信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，兩者組合產(chǎn)生頻率和幅值連續(xù)可調(diào)的正弦波。轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬裝置原理圖

DDS和MDAC均具有串行外設(shè)（SPI）接口，模擬裝置從上位機(jī)獲取含有待生成信號(hào)頻率、幅值信息的目標(biāo)指令。DDS解析調(diào)頻指令并按要求輸出指定頻率的正弦信號(hào)，正弦信號(hào)經(jīng)過高通濾波器（HPF）后輸出至MDAC。MDAC解析調(diào)幅指令并按要求對(duì)HPF后信號(hào)進(jìn)行數(shù)字調(diào)幅，調(diào)幅后的信號(hào)通過低通濾波器（LPF）濾波后輸出至音頻變壓器，音頻變壓器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離后輸出，作為提供給發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器的轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)。

■4.2 正弦信號(hào)生成電路

信號(hào)模擬裝置選用AD9833型DDS作為正弦信號(hào)生成電路，AD9833是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。輸出的頻率和相位可通過軟件進(jìn)行編程，調(diào)整簡(jiǎn)單，無需外部元件。其頻率寄存器為28位，時(shí)鐘速率為1MHz時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.004Hz的分辨率。

圖5 AD9833引腳配置

表1 引腳功能描述

AD9833具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，采用外部時(shí)鐘來向器件寫入數(shù)據(jù)或控制信息。SPI總線將待生成頻率對(duì)應(yīng)的碼值傳輸至DDS，控制DDS輸出指定頻率的正弦波信號(hào)，信號(hào)幅值高電平620mV，低電平40mV，為不過零的正弦信號(hào)，信號(hào)波形如圖6所示。

圖6 AD9833型DDS的輸出信號(hào)波形

■4.3 數(shù)字調(diào)幅電路

DDS輸出信號(hào)經(jīng)過有源高通濾波器調(diào)理為過零正弦信號(hào)，如圖7所示，AD9833的10腳輸出的不過零的正弦信號(hào)經(jīng)過高通濾波器，隔斷直流通過交流，變成過零的正弦信號(hào)進(jìn)入同向放大器OPA604的正輸入端，進(jìn)行第一級(jí)放大后接入MDAC的電壓參考端。

圖7 DDS的輸出信號(hào)調(diào)理及放大電路

■4.4 隔離輸出電路

為保證電子控制器安全，模擬器通過Tamura MET-37型音頻變壓器實(shí)現(xiàn)最終信號(hào)輸出，確保信號(hào)模擬裝置與控制器的電氣隔離。音頻變壓器的輸入/輸出信號(hào)變比為1:1，在（10～20000）Hz頻帶內(nèi)增益平坦度為±0.5dB，保證全頻率范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。

5 設(shè)計(jì)符合性分析

■5.1 功能符合性分析

模擬裝置選用的AD9833型DDS器件輸出正弦波的頻率范圍為（0～12.5）MHz，完全覆蓋(100～20000)Hz范圍的頻率需求。

信號(hào)模擬器的響應(yīng)時(shí)間由上位機(jī)指令通信時(shí)間、DDS和MDAC的響應(yīng)時(shí)間組成。當(dāng)上位機(jī)指令波特率為115200bps，指令長(zhǎng)度為30Byte時(shí)，上位機(jī)指令通信時(shí)間約為2.86ms，SPI接口時(shí)鐘頻率設(shè)置為1MHz，DDS的響應(yīng)時(shí)間約為40μs，MDAC的響應(yīng)時(shí)間約為16μs。信號(hào)模擬器總的響應(yīng)時(shí)間約為2.9ms，滿足響應(yīng)時(shí)間≤5ms的要求。

■5.2 頻率精度符合性分析

信號(hào)模擬裝置的所生成信號(hào)的頻率精度主要取決于DDS的頻率分辨率和驅(qū)動(dòng)DDS晶振的頻率穩(wěn)定度。

模擬裝置選用EPSON SG5032型晶振，頻率為1MHz，頻率穩(wěn)定度為50PPM。在該晶振頻率下，DDS輸出信號(hào)的頻率分辨率為0.004Hz。由于DDS的頻率生成分辨率為固定值，所以轉(zhuǎn)速生成最大誤差出現(xiàn)在最低信號(hào)頻率時(shí)，對(duì)于100Hz頻率信號(hào)的相對(duì)誤差為±0.004%。DDS分辨率和晶振頻率穩(wěn)定度疊加誤差不超過±0.009%，設(shè)計(jì)保證滿足±0.01%的頻率精度要求。

■5.3 幅值符合性分析

MDAC根據(jù)SPI傳輸?shù)拇a值精確控制正弦信號(hào)衰減增益，實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅功能。調(diào)幅后的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行平滑處理和第二級(jí)放大，通過設(shè)計(jì)兩級(jí)放大增益保證(0.55～40)V范圍連續(xù)可調(diào)。

■5.4 阻值符合性分析

通過在音頻變壓器的輸出端線圈串聯(lián)電位計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)傳感器輸出電阻的模擬，電路原理圖如8所示。變壓器輸出端內(nèi)阻為10Ω，在輸出電路中串聯(lián)一個(gè)2kΩ電位計(jì)，調(diào)節(jié)電位計(jì)的阻值設(shè)定輸出電阻，可以滿足(10～1400)Ω阻值要求。

圖8 音頻變壓器輸出原理圖

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)模擬裝置，通過串行通訊方式接收信號(hào)生成指令，輸出指定頻率和幅值的正弦波形信號(hào)，并且提供與真實(shí)傳感器一致的電氣接口特性。該模擬裝置已成功應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)和全電仿真試驗(yàn)中，獲得理想的模擬效果。