宇航用轴角转换器技术发展综述

高群 潘美珍 余桂周 任远杰 孙玉彤

摘要：本文介绍了国内外轴角转换器的技术发展和工程应用现状，阐述了中国电科四十三所目前此类宇航用器件的设计方法、技术特征和已达到的主要技术指标，以及此类器件的质量保证能力和应用情况。同时，为满足未来航天器发展需求，重点分析了宇航用轴角转换器在芯片自主保障能力、抗辐照加固设计、集成封装设计等方面所面临的技术挑战和解决措施，为航天控制系统用户提供安全可靠的宇航级轴角转换器。

关键词：宇航用;轴角转换器;高精度;高可靠性

轴角转换器是航天航空领域天线控制器、惯导平台、伺服控制等角度位置检测系统的核心模块器件。现代航天器高精度随动系统的控制精度已达到角秒级，通常采用高可靠性、长寿命的双速旋转变压器组成角度传感器的设计方案，因此研制能够实现对双速旋转变压器信号同时进行模/数转换并输出完整并行二进制数字角的核心器件，对航天工程相关控制系统具有重要意义。

本文重点在宇航用双速轴角转换器电路设计技术、主要技术指标、质量可靠性、工程应用情况，以及未来研究方向几方面展开论述。

1国内外技术现状

1.1国外技术现状

高精度双速旋转变压器含有粗机和精机两个通道，粗机旋变是把0～360°机械角分解为粗通道的正、余弦信号输出，精度一般为角分级;而精机旋变的转速为粗机的i倍（i=8，16，32，64等），其输出的正、余弦信号精度达到1/i，可为系统提供角秒级精度的测角信号。

双速正、余弦信号函数关系如下式（1）～（4）所示：

V_CS1-CS3=KV_RL-RHsinωtsinθ（1）

V_CS4-CS2=KV_RL-RHsinωtcosθ（2）

V_FS1-FS3=KV_RL-RHsinωtsin（i·θ）（3）

V_FS4-FS2=KV_RL-RHsinωtcos（i·θ）（4）

式中：

V_CS1-CS3表示粗机正弦信号电压;K表示比例系数;

V_CS4-CS2表示粗机余弦信号电压;V_RL-RH表示参考信号电压;

V_FS1-FS3表示精机正弦信号电压;ω表示2πf，f为参考频率;

V_FS4-FS2表示精机余弦信号电压;θ表示输入的数字角;

i表示双速转换器速比。

目前，实现双速旋转变压器信号到二进制数字角的转换，国外通行的技术路线是：采用两路单速连续跟踪方式的轴角转换电路，分别得到粗、精旋转变压器的二进制数字角度，由数据处理电路对这两组数据进行权值处理组合及纠错，以完整的二进制数字角度输出。

1.2国内技术现状

航天领域高质量等级轴角转换器的主要研究单位是中电科四十三所和中船七一六所，二十多年以来研制出了与国外型号兼容、技术水平相当的系列化产品，在国内航天、航空、兵器、舰船、电子等军工领域占有绝大部分的市场份额。使用HTS系列双速转换器后，减小了元器件的数量和用板面积，提高了角度数据采集实时性，节省了用户软件开销，更实现了元器件的自主可控、提高了系统可靠性，为航天工程的发展做出了应有的贡献。中船七一六所研制的SD10、SD20系列单速转换器、SD70系列双速转换器等，在兵器、舰船领域也有广泛应用。国内其他一些单位如武汉凌九电子等公司产品比较单一，规模较小。

2宇航用轴角转换器技术及应用

2.1产品设计技术

2.1.1单通道转换器设计技术

单通道旋变-数字转换器是采用II型伺服跟踪原理设计的连续跟踪型转换器，转换精度最高1.3角分，可实现高速高精度无误差跟踪，具有良好的动态响应特性。基本原理框图如图1所示。

电路设计的信号传递函数如下：

其中，θin（S）为输入角的拉氏函数，θout（S）为输出角的拉氏函数，

T₁、T₂分别为时间常数，S为拉氏算子，Ka为加速度常数。

2.1.2双通道转换器设计技术

双速旋转变压器输出的信号，通过粗和精的单通道转换器分别得到二进制数字角后，由于实际存在的传感器误差、工艺误差等因素，粗、精通道的数字角不可能同步变化。有时当精通道还未转完完整一整圈时，粗通道可能已提前进位，或精通道已转完完整一整圈时，粗通道还未进位，产生模糊误差，这种误差是双速旋转变压器原理性的误差且不可避免，因此针对双速旋变-数字转换器必须设计组合及纠错逻辑电路进行逻辑判断。

组合及纠错逻辑电路的设计方法是：采用加法器芯片进行粗通道的数据权值处理，即把粗通道的数据按照双速旋变的粗精转速比进行倍乘，通过逻辑判断电路消除组合位的模糊误差，最后以完整的并行二进制数字角度输出。

2.2双速转换器技术指标

四十三所研制的HTS系列双速转换器，高密度集成了两路单速转换电路和组合及纠错逻辑电路，电路设计采用的元器件均为五院目录内的宇航级元件及芯片，电路在厚膜混合集成军标线工艺制造，采用金属外壳全密封封装。该系列产品具有转换精度高、可靠性高、低功耗、小體积、重量轻的特点。详细技术指标见表1。

2.3质量验证

2.3.1H级质量验证

宇航级产品依据GB/T19001-2016和GJB9001C- 2017标准，建立并实施了行之有效的产品质量管理体系。《质量手册》是质量管理工作的基本准则。质量管理体系过程包括文档管理过程、资源管理过程、产品实现过程及测量、分析和改进过程，并按标准的要求管理这些过程。

四十三所研制的HTS系列双速转换器的质量设计，符合GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》的H 级要求，试验条件来源于GJB548B《微电子器件试验方法和程序》，鉴定试验和每生产批次的质量一致性检验按照其详细规范A组、B组、C组、D组检验的规定，确保每生产批次的产品均通过H级质量考核。

2.3.2总剂量效应试验验证

功率振荡器HOSC2758C为1：8双速旋转变压器和HTS16R8双速转换器提供参考信号，由双速转换器解算旋转变压器输出的模拟角度，实现高精度数字转换。通过外接测试板监测功率振荡器和双速R/D转换器的功能和精度等指标。

经过对功率振荡器和HTS16R8双速转换器进行了总剂量效应试验，辐射源Co-60γ，剂量率0.1 rad （Si）/s。双速R/D转换器产品试验结果：抗总剂量辐射能力达到30 Krad（Si）。

2.3.3單粒子效应试验验证

由四十三所研制的两路HDRC16型数字/旋转变压器转换器组成电子式粗/精角度信号发送器，通过控制输入16位数字D1～D16从全“0”到全“1”变化，产生0°到360°双速模拟角度变化，HTS16R8双速转换器解算该模拟角度输出16位二进制数，通过比较输入、输出的数字量来监测HTS16R8双速转换器的转换功能和精度。

经过对功率振荡器和HTS16R8双速转换器进行了单粒子效应摸底试验，粒子种类：Kr/Bi，HTS16R8 双速转换器试验结果：抗单粒子锁定SEL阈值大于94.28 MeV.cm²/mg。

3未来研究方向

3.1实现芯片自主可控并抗辐照加固设计

在芯片自主可控方面，四十三所已经开展研制工作，分析了该类型连续跟踪R/D转换器的工作原理，掌握了其中固态控制变压器、相敏解调器、压控振荡器、16 位可逆计数器等核心电路的设计技术，已完成芯片版图设计、工艺参数提取、性能指标仿真等工作，立足国内BICOMS工艺流片制造，2021年完成了R/D转换核心电路单片化、国产化目标。

在芯片抗辐照加固方面，针对空间领域总剂量辐射、单粒子辐射、中子辐射以及其他辐射，重点研究辐射粒子与半导体材料的相互作用和辐射损伤机理，分别从电路设计、版图设计、结构设计、工艺制造四个方面开展芯片加固工作。计划到2022年完成R/D转换核心芯片的抗辐照加固设计，考核目标是：1）抗总剂量：≥100 KRad（Si）;2）单粒子闩锁LET 阈值：≥75 MeV-cm²/mg;3）单粒子翻转LET阈值：≥37 MeV-cm²/mg。

通过技术攻关，国内研制的单速转换器和双速转换器可实现自主可控和抗辐照能力的双提升，满足宇航用转换器的高可靠性及空间环境适应性需求。

3.2实现电路一体化封装SIP设计

现代空间飞行器对控制电路要求向系统体积小型化、多功能集成化方向发展。四十三所在电路混合集成技术、一体化外壳设计技术、3D组装工艺技术、高密度电路测试技术等方面均做了大量的基础研究工作。针对宇航用双轴双速旋变解码电路的设计需求，提出了集成两路双速转换器电路、激磁电源电路、电压转换电路、电平转换电路等功能电路为一体化封装的旋变解码电路SIP方案，即在一只43×32×6.5 mm³体积的ALN陶瓷一体化封装外壳内，实现上述4部分电路的功能集成，集成电路目标如图2所示。采用上述方案研制的一体化封装SIP产品，将给航天角度位置检测系统用户提供更加先进可靠、小型化、系列化的解决方案。一体化集成产品可实现双面混合集成电路设计。

4结语

国内轴角转换器技术经过30多年的发展，已呈现微电路模块、混合集成电路模块、单片集成电路并存的现状，作为航天航空领域关键电子器件之一，高精度单片化系统级封装设计是发展方向。四十三所航天级HTS系列双速转换器已实现了航天工程应用，按照空间应用电子元器件向自主可控、抗辐照加固、一体化集成和高可靠性的发展目标，今后将继续开展核心芯片的研发和抗辐照加固设计工作，并发挥电路集成设计、一体化结构工艺和封装的技术优势，研制出满足未来航天要求的新产品。

参考文献：

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[3]陈世年.控制系统设计[M].北京：中国宇航出版社，2009.8.

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