基于PXIe总线的旋转可变差动变压器信号仿真技术研究

张 瑜，李燕杰，封锦琦，江继龙，张桂英

(中航工业北控所，北京 100176)

基于PXIe总线的旋转可变差动变压器信号仿真技术研究

张 瑜，李燕杰，封锦琦，江继龙，张桂英

(中航工业北控所，北京 100176)

旋转可变差动变压器(RVDT)信号仿真设备在航空计算机的设计、调试和数据采集系统的校准等方面起着举足轻重的作用；文中通过对RVDT传感器工作原理深入的剖析，提出基于PXIe总线的RVDT信号仿真方法；文章重点研究了RVDT传感器工作原理及输出特性，阐述了RVDT仿真设备的设计和实现，最后使用RVDT数采板卡CPCI-75C3对RVDT仿真设备进行了验证，结果表明该设备仿真精度高，响应速度快，运行稳定。

RVDT传感器；PXIe总线；RVDT信号仿真

0 引言

RVDT(rotary variable differential transformer)是旋转可变差动变压器的缩写，属于角位移传感器，即把机械部件的旋转传递到角位移传感器轴上，带动与之相连的铁心，改变线圈中的感应电压，输出与旋转角度成比例的电压信号。

RVDT传感器在航空领域有着广泛的应用，RVDT信号仿真即模拟RVDT传感器的输出，此项技术在国外已经比较成熟，并且有相关的产品，但是价格昂贵。国内对RVDT信号仿真研究处于起步阶段，传统的RVDT仿真设备自适应差，精度低。针对这些缺点，本文设计了控制精度高、能够灵活控制位移量值连续扫描输出的RVDT仿真设备，目前已成功代替驾驶舱操纵器件(如驾驶杆、驾驶盘、脚蹬等)向飞控系统计算机发送的信号，协助完成飞控计算机的设计调试[1-2]。

1 RVDT传感器工作原理

RVDT传感器的架构图，主要由一个原边线圈和两个副边线圈组成，原线圈输入一固定频率正弦波信号，被测件运动带动铁心移动，从而导致两个副边线圈所感应的电压振幅大小不同，进而得出铁心的位置。如图1所示。

图1 RVDT传感器架构图

在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响)，RVDT传感器的等效电路如图2所示[3]。

图2 RVDT传感器等效电路图

原边线圈的等效电感和等效电阻为l、R；副边线圈的等效电阻分别是Ra、Rb，等效电感分别为la、lb；原边线圈l与两个副边线圈la、lb之间的互感系数分别为Ma、Mb。原边线圈l加上正弦交流电压u后，副边线圈产生感应电动势Ea和Eb，它们的值与铁心在线圈内的位置有关。Ea和Eb做差便得到输出电压u0。为便于分析，忽略电阻的影响。

设施加在初级线圈上的激励电流i(t)=Isinωt，根据互感原理，原边线圈l对副边线圈la和lb的互感磁链ψa和ψb分别为：

ψa=i(t)Ma,ψb=i(t)Mb

(1)

感应电动势为：

(2)

将式(1)代入式(2)得：

(3)

当铁心处于中心位置时，原边线圈l对两个副边线圈la和lb的互感相等，即Ma=Mb=M，此时Ea=Eb，输出电压u0=Ea-Eb=0。

由于两个副边线圈属于均匀密绕，当铁心位移变化X时，引起原边线圈对副边线圈互感的变化，则有：

ΔM=KX

(4)

其中:K为耦合系数。

Ma=M+ΔM,Mb=M-ΔM

(5)

设X=AsinΩt，A为机械运动的最大位移，此时：

MIcosωt+IKAsinΩtcosωt+IKAsinωtcosΩt

MIcosωt-IKAsinΩtcosωt-IKAsinωtcosΩt

u0=Ea-Eb=2IKA(cosωtsinΩt+sinωtcosΩt)

两个副边线圈输出电压和Ea+Eb=2MIcosωt，其有效值为常数，如图3为RVDT传感器输出特性。

图3 RVDT传感器输出特性

本文选用美国meas公司的型号为R30A的RVDT传感器，由信号源提供R30A的激励信号4Vpp，1 800Hz，更直观的观察输出波形，如图4。

图4 R30A传感器输出特性

综上所述，设RVDT传感器信号输出为Va和Vb，则有以下几个特点：

(1)Va和Vb频率相同，都等于激励的频率，两信号相位差为0°；

(2)Va和Vb有效值相加为一常数，即增量相位差为180°；

(3)Va和Vb有效值分别与输出角度成线性关系。

2 RVDT仿真设备的设计和实现

通过对RVDT传感器工作原理分析，得出RVDT传感器输出特性，此特性可作为RVDT仿真设备信号输出的依据。RVDT仿真设备原理框图如图5所示。

图5 RVDT仿真设备原理框图

RVDT仿真设备基于PXIe总线，背板带宽高达6 GB/s，仪器触发水平能达到ps级，可以极大地改善同步功能，从而实现更高精度的测量。

图5中激励信号产生选择美国NI的PXI-5412，输出幅值1～12Vpp，可模拟输出频率范围0～105 MHz，为RVDT仿真信号提供正弦载波。

图5中DA(模拟输出)板卡选择PXIe-6738，输出幅值-10～10 V，分辨率16位，板卡更新率350 kS/s。PXIe-6738共32通道，Va和Vb各用一个通道，可仿真16路RVDT信号，通道间同步能达到2 μs。PXIe-6738为RVDT仿真信号提供用于解算角度需要的Va和Vb的幅值。

PXIe-6738板卡自带65535个点的共用FIFO，先将角度波形值写入FIFO，然后通过软件定时即可实现，降低对系统实时性的要求。

图5中乘法模块包括接口电路和乘法功能模块，接口电路的功能是将激励信号和DA的数据进行调理，以适应乘法功能模块的输入要求。乘法功能模块是将激励信号和DA作乘法调制，生成RVDT信号Va和Vb，如图6所示。

接口电路采用TI的TL062，输入电压范围±15 V，采用高输入阻抗的JFET，并且输出具有短路保护。

乘法功能模块采用MPY634，是美国BURR-BROWN公司生产的高频带、高精度、四象限模拟乘法器，带宽达10 MHz，在四象限范围内精度可达±0.5%。

图6 乘法模块电路设计电路图

3 RVDT仿真设备的验证

为了验证RVDT仿真设备的正确性，本文采用美国北大西洋的专业RVDT信号采集板卡CPCI-75C3，板卡分辨率为16位，精度高达0.025%FS。

设置RVDT仿真设备输出-30°～30°角度值，则根据角度与电压值之间的线性关系，仿真设备输出相应的Va和Vb，将Va和Vb输入到CPCI-75C3，解算出实测角度值。由表1可看出，RVDT仿真设备测试精度小于0.2%，接近国外同等产品水平。

图7是根据表1分析得到的，可以看出Varms和Vbrms分别与角度值乘线性关系，并且增量相反，且Varms与Vbrms的和是一个常数，符合RVDT传感器的输出特性。

表1 RVDT仿真设备测试结果比较

图7 RVDT仿真设备输出特性

设置角度按照35 Hz的正弦信号变化，观察RVDT仿真设备的输出Va和Vb，如图8所示。由图9可以看出RVDT仿真设备输出Va和Vb相位差为0°，增幅相位差180°，符合RVDT传感器工作原理。

图8 角度按正弦变化值

图9 RVDT仿真设备输出信号波形

4 结论

本文设计的高精度RVDT仿真设备不但能模拟飞机脚蹬或驾驶杆的运动提供给飞控计算机进行分析控制[2]，还能模拟出脚蹬或驾驶杆无法精确做出的正弦波，方波等运动信号，而这些信号在飞机设计过程中也是很有必要的。目前该设备已成功应用到某型飞机上，应用效果良好，具有较好的发展前景[4-6]。

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社,2002.

[2] 解思适.飞机设计手册第12册[M].北京：航空工业出版社,2003.

[3] 李 谡,李 玲,张 辉,等.LVDT传感器仿真电路的设计与研究[J].仪表技术,2011,9:67-70.

[4] 柯一春,盛承勋.AD598的RVDT数据采集系统校准方法研究及分析[J].民用飞机设计与研究,2013(2),109:57-63.

[5] 姚 丹.一种LVDT精密测长仪的仿真研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[6] 吴朝华,黄月芳,赵砚博.基于PXI总线的高精度LVDT/RVDT标准信号源的设计与实现[J].计算机测量与控制,2013,21(8):2317-2320.

Research on RVDT Signal Simulation Technology Based on PXIe Bus

Zhang Yu，Li Yanjie，Feng Jinqi，Jiang Jilong，Zhang Guiying

(Beijing Institute of Control Engineering, China Aviation Industry Co.,Ltd., Beijing 100176, China)

RVDT signal simulation equipment plays an important role in aviation computer design, commissioning and in the calibration of RVDT data acquisition system and so on. Through in-depth analysis theory of RVDT sensors work, the paper proposes RVDT signal simulation method based on PXIe bus. This paper focuses on the RVDT sensors work principle and output characteristics, expounds the design and implementation of RVDT simulation equipment. Finally using the north Atlantic company RVDT DAQ card CPCI-75C3 ,RVDT simulation equipment is verified, and the results show that the equipment is of high precision, fast response speed and stable operation.

RVDT sensor; PXIe bus; RVDT signal simulation

2016-09-04；

2016-11-02。

张 瑜(1985-)，女，河北保定人，硕士研究生，工程师，主要从事航空测控方向的研究。

1671-4598(2017)03-0143-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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