一种磁电式转速传感器信号模拟装置设计

2022-07-21高广华李拓彬

电子制作 2022年12期

高广华，李拓彬

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲，412002）

本文设计了一种发动机用磁电式转速传感器信号模拟装置，可以精确地生成指定频率和幅值的交流正弦信号，并提供与真实传感器一致的电气接口特性。该装置为发动机电子控制器调试、测试提供准确的信号源，并应用于发动机控制系统半物理仿真和全电仿真试验中，为发动机控制系统提供与真实传感器一致的转速信号。

1 磁电式转速传感器工作原理

磁电式转速传感器由永久磁铁、铁磁芯、感应线圈、音轮组成,其中音轮安装在被测转轴上随它一起转动，其结构如图1所示。

图1 磁电式传感器工作原理图

磁电式转速传感器工作原理为：当转轴带动音轮旋转时，音轮的齿峰和齿谷将引起音轮到永久磁铁间隙δ的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量发生变化。当齿峰靠近永久磁铁时，磁阻减小，磁通量增大；当齿谷靠近永久磁铁时，磁阻增大，磁通量减小，随着音轮的连续旋转，线圈中的磁通量呈周期性变化，从而感应出交变电动势。

2 磁电式转速传感器信号特征

■2.1 传感器信号波形

磁电式转速传感器的输出信号波形与音轮的齿型、磁间隙δ以及铁磁材料的磁导率μ有关。发动机一般选用渐开线齿形音轮。以常用的某型磁电式传感器为例，传感器线圈两端输出周期性、上下对称的类正弦脉冲电压信号，如图2所示。

图2 渐开线信号脉冲波形

■2.2 传感器信号幅值

传感器与音轮之间的磁间隙大小及变化快慢直接影响铁磁材料的磁导率，进而影响线圈的输出电动势。

当磁间隙增大或变化减慢时，铁磁材料的磁导率降低，磁路的磁阻增加，磁通量减少，感生电动势变小；当气隙减少或变化加快时，铁磁材料的磁导率升高，磁路的磁阻减少，磁通量增加，感生电动势变大。气隙小或变化快时，灵敏度高；气隙大或变化慢时，灵敏度低。RG-9型磁电式传感器的信号峰-峰值与磁间隙及转速的关系见图3。

图3 信号电压与磁间隙及转速的特征图

■2.3 传感器线圈阻抗

发动机电子控制器对转速传感器信号的处理包括电路断线BIT检查和对转速信号采集。电子控制器是通过测量传感器在线路中分担的电压来进行BIT检查，根据传感器线圈分担的电压，在控制器软件中设置相应的阈值，如果传感器出现开路或断路故障时，传感器分担的电压会超过设定的阈值，控制器就会判断为传感器开路或断路故障，从而采取相应的处理措施，因此，对控制器来说，传感器阻抗为判断传感器是否正常的一个重要参数。

3 信号模拟装置设计要求

■3.1 电子控制器对传感器信号的要求

发动机一般采用数字电子控制系统，电子控制器接收传感器信号和飞机指令，通过计算后按既定的控制规律控制执行机构动作。控制器对转速信号的采集周期为24ms左右，转速信号的采集精度要求不低于±0.05% F.S。

■3.2 信号模拟装置要求

在仿真试验中，信号模拟装置需为发动机电子控制器提供与真实转速传感器一致的信号，电气接口特性也要保持与真实传感器一致，并且信号的响应时间和转换精度也要满足电子控制器的需求。

基于前文的分析，同时参考多型传感器的信号参数，考虑到尽量覆盖常用的磁电式转速传感器的信号特征。确定信号模拟器的设计要求如下：

（1）生成频率和幅值连续可调交流正弦信号，响应时间：≤5ms；

（2）生成频率范围：(100～20000)Hz，精度：优于±0.01%；

（3）输出信号幅值：(0.55～40)V范围连续可调；

（4）输出端口直流电阻：(10～1400)Ω。

4 信号模拟装置设计

■4.1 原理设计

转速信号模拟装置基于数字可编程波形发生器（DDS）和数字调幅电路（MDAC）设计。前者生成幅值固定、频率连续可调的正弦波信号，后者对前者生成的信号进行幅值调节，两者组合产生频率和幅值连续可调的正弦波。转速信号模拟装置结构如图4所示。

图4 转速信号模拟装置原理图

DDS和MDAC均具有串行外设（SPI）接口，模拟装置从上位机获取含有待生成信号频率、幅值信息的目标指令。DDS解析调频指令并按要求输出指定频率的正弦信号，正弦信号经过高通滤波器（HPF）后输出至MDAC。MDAC解析调幅指令并按要求对HPF后信号进行数字调幅，调幅后的信号通过低通滤波器（LPF）滤波后输出至音频变压器，音频变压器对信号进行隔离后输出，作为提供给发动机电子控制器的转速传感器信号。

■4.2 正弦信号生成电路

信号模拟装置选用AD9833型DDS作为正弦信号生成电路，AD9833是一款低功耗、可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波输出。输出的频率和相位可通过软件进行编程，调整简单，无需外部元件。其频率寄存器为28位，时钟速率为1MHz时，可以实现0.004Hz的分辨率。

图5 AD9833引脚配置

表1 引脚功能描述

AD9833具有一个标准的SPI接口，采用外部时钟来向器件写入数据或控制信息。SPI总线将待生成频率对应的码值传输至DDS，控制DDS输出指定频率的正弦波信号，信号幅值高电平620mV，低电平40mV，为不过零的正弦信号，信号波形如图6所示。

图6 AD9833型DDS的输出信号波形

■4.3 数字调幅电路

DDS输出信号经过有源高通滤波器调理为过零正弦信号，如图7所示，AD9833的10脚输出的不过零的正弦信号经过高通滤波器，隔断直流通过交流，变成过零的正弦信号进入同向放大器OPA604的正输入端，进行第一级放大后接入MDAC的电压参考端。

图7 DDS的输出信号调理及放大电路

■4.4 隔离输出电路

为保证电子控制器安全，模拟器通过Tamura MET-37型音频变压器实现最终信号输出，确保信号模拟装置与控制器的电气隔离。音频变压器的输入/输出信号变比为1:1，在（10～20000）Hz频带内增益平坦度为±0.5dB，保证全频率范围内具有良好的稳定性。

5 设计符合性分析

■5.1 功能符合性分析

模拟装置选用的AD9833型DDS器件输出正弦波的频率范围为（0～12.5）MHz，完全覆盖(100～20000)Hz范围的频率需求。

信号模拟器的响应时间由上位机指令通信时间、DDS和MDAC的响应时间组成。当上位机指令波特率为115200bps，指令长度为30Byte时，上位机指令通信时间约为2.86ms，SPI接口时钟频率设置为1MHz，DDS的响应时间约为40μs，MDAC的响应时间约为16μs。信号模拟器总的响应时间约为2.9ms，满足响应时间≤5ms的要求。

■5.2 频率精度符合性分析

信号模拟装置的所生成信号的频率精度主要取决于DDS的频率分辨率和驱动DDS晶振的频率稳定度。

模拟装置选用EPSON SG5032型晶振，频率为1MHz，频率稳定度为50PPM。在该晶振频率下，DDS输出信号的频率分辨率为0.004Hz。由于DDS的频率生成分辨率为固定值，所以转速生成最大误差出现在最低信号频率时，对于100Hz频率信号的相对误差为±0.004%。DDS分辨率和晶振频率稳定度叠加误差不超过±0.009%，设计保证满足±0.01%的频率精度要求。