垂直陀螺三相自整角机信号处理故障分析

李良刚，张 静

（成都飞机工业集团电子科技有限公司，四川 成都 610091）

1 构型简介

垂直陀螺姿态信号经过两个独立的处理通道（平显电子部件和A/D 模块）处理后，分别送平显（HUD）和多功能显示器（MFD）上显示（见图1）。

图1 垂直陀螺姿态信号处理、显示系统框图

2 故障现象

在做过顶特技飞行时，有部分飞行架次在MFD 上出现空地反指并报故的现象，而平显上姿态指示正常，飞机改平后按压垂直陀螺上锁按钮后，MFD 画面空地指示恢复正常。

3 故障定位

由于平显指示正常，根据系统构型可知，垂直陀螺作为信号源工作正常，问题应该出在A/D 模块和MFD 上。

为定位该故障是由A/D 模块转数据出错，还是由于MFD 没按要求绘制姿态画面造成，在机上翻转垂直陀螺，多次模拟特技动作后，出现空地反指和报故现象，读A/D 模块送出的角度值与垂直陀螺实际角度相差180°，将A/D 模块重新起动后，故障消失。从试验数据判断，故障基本定位到A/D 模块[1]。

利用陀螺转台在俯仰轴向模拟空中过顶特技动作，进行垂直陀螺、A/D 模块、MFD 的联试。发现在垂直陀螺换相时俯仰同步信号会叠加一干扰脉冲（信号幅值瞬间丢失），当垂直陀螺频繁在换相区域转换时，偶尔会出现空地反指现象。故障基本隔离到A/D 模块所用14ZSZ34-S02 轴角转换器通道上。

进一步核对飞机线路，发现14ZSZ34-S02 轴角转换器在转换俯仰和横滚同步信号时，所用参考激励为：俯仰Ⅱ、Ⅲ，横滚Ⅰ、Ⅲ；机上垂直陀螺俯仰、横滚支路同步信号参考激励为：俯仰Ⅰ、Ⅱ，横滚Ⅰ、Ⅲ。

利用陀螺转台模拟空中过顶特技动作，对14ZSZ34-S02 轴角转换器的参考激励管脚接不同激励信号进行试验验证，试验结果发现如下2 点。

（1）14ZSZ34-S02 轴角转换器的俯仰同步信号参考激励与飞机上垂直陀螺俯仰支路所用参考激励不一致时，在垂直陀螺换项区域（过90°或270°）时，一旦垂直陀螺内部框架翻转，激磁信号换相180°后，空地反指和姿态报故的现象出现概率较大；而在垂直陀螺过90°或270°时，垂直陀螺内部框架未翻转，激磁信号未换相时，空地指示正常。

（2）14ZSZ34-S02 轴角转换器的俯仰同步信号参考激励与飞机上垂直陀螺俯仰支路所用参考激励一致时，在垂直陀螺过90°或270°时，垂直陀螺内部框架翻转，激磁信号换相180°后，空地指示正常；在垂直陀螺过90°或270°时，垂直陀螺内部框架未翻转，激磁信号未换相时，空地指示正常。

将14ZSZ34-S02 轴角转换器的俯仰同步信号参考激励与机上垂直陀螺俯仰支路所用参考激励调为一致时，经过试验室陀螺转台模拟空中特技动作以及飞行验证，空地反指和报故现象消失，问题得以解决。

4 故障机理分析

依据14ZSZ34-S02 轴角转换器原理和相关试验数据分析得出：垂直陀螺俯仰角度在过90°或270°时，内部激磁换相后，14ZSZ34-S02 轴角转换器出现未翻转180°且末尾乱码故障的主要原因在于供给S02 轴角转换器的信号与参考之间的相位差超过了模块的允许范围，使用该参考相敏时产生的误差信号，与垂直陀螺用电源信号产生的内参考相敏时产生的误差信号可能出现符号不同，致使计数器反复在小范围内震荡，找不到与模拟角度相同的数字角，从而使S02 轴角转换器输出出现角度未翻转180°且后几位乱码现象[2]。但是在内外参考产生的误差信号符合相同的情况下，计数器能够向一个方向计数，找到与模拟角相同的数字角，输出正确的角度。要排除此故障，需要减小模块输入信号与参考间的相移。实际中，S02 轴角转换器与垂直陀螺使用同一相（或相差180°）激磁电源即可有效的避免此故障发生。

图2 为系统基本框图。

图2 系统基本框图

出现故障时，三相交流电源Ⅰ-Ⅱ与垂直陀螺的激磁D2-D1 连接，而S02 轴角转换器的RH-RL 与三相交流电源Ⅱ-Ⅲ相连。

三相交流电源三相之间的相位关系如图3 所示。

图3 相位关系1

从图3 中可以看出，Ⅱ-Ⅰ与Ⅱ-Ⅲ之间的相位差为60°，而实际S02 转换器内部检测信号BIT 对信号与参考相位允许范围为±80°左右，此时的相位差在允许范围内，转换器能够正常工作。当垂直陀螺转过90°，垂直陀螺内部激磁换相后，信号变为Ⅰ-Ⅱ，如图4 所示。

图4 相位关系2

由于垂直陀螺激磁换相是通过继电器完成的，因此信号幅值会瞬间丢失，BIT 信号变为低，系统切换为外部参考。垂直陀螺激磁反转后，信号幅值正常，BIT信号变为高，系统切换回内部参考，若此时信号与参考相移较小，误差电压恒定为正或负，使计数器向一个方向计数，使数字角月模拟角误差趋近于零，从而达到稳定，此时输出角度与切换角度相差180°；若此时信号与参考相移过大，外部参考与内部参考相敏后的误差电压可能存在正负之差，系统切换回内部参考时误差电压为正/负（系统将内部参考与外部参考比较，其结果控制BIT 信号的产生。由于外部参考相移过大，比较过后是一个方波，从而使BIT 信号高低变化，必然使系统切换回内部参考），计数器加/减计数，但由于此时相位差过大（120°如图4 所示），BIT 信号变为低，强制使系统切换回外部参考，此时误差电压为负/正，计数器减/加计数，之后系统又切换回内部参考，重复如上过程，出现输出角度未翻转180°且后几位乱码的现象，即“反指”现象。

S02 轴角转换器内部检测信号BIT 是由模块内部检测系统产生的，主要是检测系统输入的信号电压幅值，参考电压幅值，输出数据变化及信号与参考相移。当出现信号电压幅值过低、参考电压幅值过低、输出数据有较大变化或参考相移超过±80°时，检测系统会报错，BIT 信号将变为低。BIT 系统的加入，使整个转换系统具有了自检功能，提高了系统的适应性。在系统输入出现180°阶跃变化时，具体分析如下。

图5 为S02 轴角转换器内部框图。

图5 S02 轴角转换器内部框图

S02 轴角转换器为Ⅱ型控制回路，环境稳定时误差电压不小于系统误差的1LSB（最低有效位）的电压值[3]。在系统输入发生180°阶跃时，误差检测电路产生的误差电压与阶跃前的误差电压只是符号变化，其值仍然在系统允许的1LSB 范围内，此时计数器不会计数，系统输出错误（与实际相差180°）。加入BIT 检测系统后，在系统输入发生180°阶跃时，BIT 系统使计数器变化1LSB，从而使环路进入跟踪状态，计数器计数到翻转180°后的数字角，误差电压减小，环路进入稳定状态。

此外，S02 轴向转换器中加入了内部参考，内部参考由信号产生并与信号同相位。内部参考主要是解决输入信号有180°阶跃时模块输出翻转的问题。外部参考与内部参考的切换是由BIT 信号控制的，在检测系统检测正常时BIT 信号为高，系统使用内部参考；在检测系统报错时，BIT 信号为低，此时系统使用外部参考。图6 为系统框图。

图6 S02 轴角转换器增加BIT 的框图

S02 轴角转换器出现未翻转180°且末尾乱码故障的主要原因在于供给S02 轴角转换器的信号与参考之间的相位差超过了模块允许范围，使得该参考相敏时产生的误差信号，与用信号产生的内部参考相敏时产生的误差信号可能出现符号不同，致使计数器反复在小范围内振荡，找不到与模拟角相同的数字角，从而使S02 轴角转换器输出出现角度未翻转180°且后几位乱码现象。但是在内外参考产生的误差信号符号相同的情况下，计数器能够向一个方向计数，找到与模拟角相同的数字角，输出正确的角度。即S02 轴角转换器与垂直陀螺使用同一相（或相差180°）激磁电源即可有效避免此故障发生。

5 建议及结论

（1）由于姿态信号对飞行参考具有重要意义，因此，在飞机总体设计时，应对姿态信号的处理通道进行余度设计，姿态信息由两个通道分别处理显示；同时配以备份姿态仪表（如应急地平表等），以确保飞行员多渠道获得正确姿态信息。

（2）飞机在作特技飞行时，特别是空地参考物不明显时，一定要多比较姿态信息处理通道所显示的空地趋势是否与备用辅助仪表一致，如发现不一致情况，应避免继续进行大机动动作，并在水平状态下，采取重新对垂直陀螺进行上锁操作等措施，进一步隔离故障。

（3）对三相同步信号的数字采集，首先要明确所处理的同步信号源是由哪两相激励产生，并使轴角转换器所用参考激励与之对应；其次，在系统验证中不要只重视转换精度，当同步信号源（如垂直陀螺）在使用过程中有激磁换相（如垂直陀螺在俯仰方向过90°和270°时，会依据内部框架位置决定内部激磁是否换相）情况，应该把激磁换相这一特殊过程时，信号处理电路能否正确采集同步信号，作为关键考核项，应重点多次验证。