一種直升機操縱桿角位移測量的方法

中國直升機設計研究所 □劉公俊

現代直升機飛行控制系統將飛行員操縱指令通過機械或者電氣方式傳遞給作動器， 完成槳葉變距。 在這一過程中， 操縱量和作動器行程的對應關系應受到嚴格限制， 才能準確控制槳距角的變化， 保證飛行員自由控制直升機的飛行狀態。

操縱量和作動器行程之間的關系調整是直升機飛行試驗中的重點科目， 而精確測量飛行員輸入的操縱量， 即操縱桿角位移信號， 是試驗中的關鍵。 接觸式的角位移傳感器經常存在機械磨損和精度降低等缺點， 而非接觸式角位移傳感器則可以克服這些缺點。

本文基于霍爾角度傳感器， 提出一種非接觸式的操縱桿角位移測量方法， 具有成本低廉， 安裝簡單、 精度較高等優點。

平面霍爾傳感器只能感受垂直方向的磁場，而霍爾角度傳感器則能感受平行于霍爾元件表面的磁場。 圖1 中霍爾角度傳感器分別感受X， Y，Z 方向的磁場， 以X 方向為例， 通過聚磁環將平行磁場B‖轉變為垂直磁場B⊥， 兩者之間呈比例關系。

圖1 霍爾角度傳感器測量原理圖

平面霍爾元件HP1 感受到的磁場強度B1如下所示:

平面霍爾元件HP2 感受到的磁場強度B2如下所示:

那么垂直磁場與B1 和B2 的關系如下所示:

這樣平行磁場Bx 和By 就能夠通過平面霍爾元件的輸出電壓計算得到。

如果在霍爾角度傳感器上方放置一個徑向充磁的磁鋼， 磁鋼旋轉磁場中心點與傳感器檢測中心點在一條直線上， 并且磁鋼平行于傳感器表面。 那么當磁鋼旋轉時， 霍爾角度傳感器X， Y方向感受到的磁場強度變化就是相位相差π/2 的正弦函數， 也就是說霍爾元件輸出的電壓相位相差π/2， 其輸出電壓函數如下所示:

那么， 磁鋼的旋轉角度α 就可以通過反正切函數得到， 如下所示:

由上式可知， 旋轉角度只對比值進行反正切運算， 這使得溫度等因素造成的磁鋼磁場強度改變不會對結果產生影響， 具有補償功能。

操縱桿角位移測量系統以霍爾角度傳感器為核心， 霍爾角度傳感器連續測量旋轉軸角位移，同時等待微處理器發送的控制命令， 將角位移數據通過SPI 同步串口發送給微處理器。 微處理接收數據后進行有效性分析， 并將最終結果通過RS232 總線協議發送給其他數據采集器。 微處理器還提供一個USB 接口用于連接計算機實現對微控制器的編程和調試。

測量系統所用的霍爾角度傳感器選用邁爾欣(Melexis) 的MLX90316 型霍爾芯片。 該芯片使用Triaxis 霍爾技術， 可測量0°～360°旋轉角度， 其輸出最高能達到12bit 角分辨率， 10bit角度精度。 并且在一定程度上可以改善外圍溫度變化對輸出精度的影響。

MLX90316 可以選擇三種數據輸出模式，一種是經12 位D/A 轉換后的模擬量輸出; 另一種是頻率可調的PWM 輸出; 最后一種是通過同步串行協議的數字量輸出。

通過串行通信模式輸出角位移數據， 可省去外圍的A/D 轉換電路， 簡化配套硬件設計。 因此角位移測量系統選用具有串行通信方式的霍爾角度傳感器。 需要注意的是有別于標準SPI 接口， MLX90316 的MOSI (上位機輸出下位機輸入) 和MISO (上位機輸入下位機輸出) 共用一個針腳。

微處理器選用宏晶科技基于增強型8051 處理核的STC15W1K16S 芯片。 該芯片內部集成高精度R/C 時鐘和可靠復位電路， 因此無需外部晶振和外部復位電路， 還擁有一組高速異步串行通信端口 (UART)， 以及一組高速同步串行通信端口(SPI)， 可在3 組管腳之間切換， 分時復用可作為3 組串口使用。

角位移測量系統硬件電路如圖2 所示， 采用SP3232 芯片將微處理器的串口電壓轉換成標準RS232 電壓， 同時通過PL2303 芯片實現串口至USB 端口的電壓轉換。

圖2 角位移測量系統框圖

在角位移測量系統中， STC15W1K16S 芯片為主機， MLX90316 芯片為從機。 兩者之間的同步時鐘SCLK 和數據幀同步信號/SS 都由主機產生， 其通信過程如下所示:

1) 主機先拉高數據幀同步信號/SS， 并至少維持1.5ms， 使從機準備好接收新的數據幀， 然后再拉低/SS;

2) 主機發送請求數據命令， 該命令由同步頭0xAA 0xFF 和8 個0xFF 共10 個字節組成;

3) 從機發送數據包， 數據包由同步頭(0xFF 0xFF)、 4 字節角位移數據和4 字節的高電平(0xFF 0xFF 0xFF 0xFF) 組成。

4) 重復步驟1) ～步驟3)

MLX90316 芯片的角位移測量具有兩種速度模式: 低速模式(1.5ms 測量一次) 和高速模式(350ms 測量一次)， 而且芯片的串口通訊和角位移測量是相互獨立、 異步進行的。 同時考慮到直升機操縱桿的角位移測量需求， 將主機和從機的通訊周期設置為20ms。

當從機發送完畢數據包后， 主機對數據包進行校驗。 在MLX90316 的串口數據格式中， 角位移數據由4 個字節組成， 前兩個字節是角位移信息或錯誤信息(高字節在先)， 后兩個字節是角位移信息或錯誤信息的取反值(高字節在先)。只有前2 個字節的取反值和后兩個字節一致時，接收的數據才是有效的。

當數據有效時， 可以通過兩字節數據的最低兩位的值， 區分數據類型。 當值為1 時， 數據是角位移信息; 當值為2 時， 數據是錯誤信息。

角位移測量系統的軟件流程如下所示:

1) 系統上電初始化;

2) MLX90316 芯片以低速模式進行角位移測量;

3) STC15W1K16S 芯片發送請求數據命令;

4) MLX90316 芯片返回數據包;

5) STC15W1K16S 芯片對數據包進行校驗，如果是角位移數據則將其寫入異步串口寄存器;

6) 重復步驟3) ～步驟5)， 注意時間間隔為20ms。

以MLX90316 霍爾角度傳感器為核心的測量系統能夠實現精度很高的非接觸式測量， 同時該系統體積小、 能耗低還具備易安裝的特性。 以宏晶STC15W1K16S 微處理器為控制核心， 能夠減少外部的復位和晶振電路， 實現角位移數據的高速傳輸。