一种直升机操纵杆角位移测量的方法

中国直升机设计研究所 □刘公俊

现代直升机飞行控制系统将飞行员操纵指令通过机械或者电气方式传递给作动器， 完成桨叶变距。 在这一过程中， 操纵量和作动器行程的对应关系应受到严格限制， 才能准确控制桨距角的变化， 保证飞行员自由控制直升机的飞行状态。

操纵量和作动器行程之间的关系调整是直升机飞行试验中的重点科目， 而精确测量飞行员输入的操纵量， 即操纵杆角位移信号， 是试验中的关键。 接触式的角位移传感器经常存在机械磨损和精度降低等缺点， 而非接触式角位移传感器则可以克服这些缺点。

本文基于霍尔角度传感器， 提出一种非接触式的操纵杆角位移测量方法， 具有成本低廉， 安装简单、 精度较高等优点。

平面霍尔传感器只能感受垂直方向的磁场，而霍尔角度传感器则能感受平行于霍尔元件表面的磁场。 图1 中霍尔角度传感器分别感受X， Y，Z 方向的磁场， 以X 方向为例， 通过聚磁环将平行磁场B‖转变为垂直磁场B⊥， 两者之间呈比例关系。

图1 霍尔角度传感器测量原理图

平面霍尔元件HP1 感受到的磁场强度B1如下所示:

平面霍尔元件HP2 感受到的磁场强度B2如下所示:

那么垂直磁场与B1 和B2 的关系如下所示:

这样平行磁场Bx 和By 就能够通过平面霍尔元件的输出电压计算得到。

如果在霍尔角度传感器上方放置一个径向充磁的磁钢， 磁钢旋转磁场中心点与传感器检测中心点在一条直线上， 并且磁钢平行于传感器表面。 那么当磁钢旋转时， 霍尔角度传感器X， Y方向感受到的磁场强度变化就是相位相差π/2 的正弦函数， 也就是说霍尔元件输出的电压相位相差π/2， 其输出电压函数如下所示:

那么， 磁钢的旋转角度α 就可以通过反正切函数得到， 如下所示:

由上式可知， 旋转角度只对比值进行反正切运算， 这使得温度等因素造成的磁钢磁场强度改变不会对结果产生影响， 具有补偿功能。

操纵杆角位移测量系统以霍尔角度传感器为核心， 霍尔角度传感器连续测量旋转轴角位移，同时等待微处理器发送的控制命令， 将角位移数据通过SPI 同步串口发送给微处理器。 微处理接收数据后进行有效性分析， 并将最终结果通过RS232 总线协议发送给其他数据采集器。 微处理器还提供一个USB 接口用于连接计算机实现对微控制器的编程和调试。

测量系统所用的霍尔角度传感器选用迈尔欣(Melexis) 的MLX90316 型霍尔芯片。 该芯片使用Triaxis 霍尔技术， 可测量0°～360°旋转角度， 其输出最高能达到12bit 角分辨率， 10bit角度精度。 并且在一定程度上可以改善外围温度变化对输出精度的影响。

MLX90316 可以选择三种数据输出模式，一种是经12 位D/A 转换后的模拟量输出; 另一种是频率可调的PWM 输出; 最后一种是通过同步串行协议的数字量输出。

通过串行通信模式输出角位移数据， 可省去外围的A/D 转换电路， 简化配套硬件设计。 因此角位移测量系统选用具有串行通信方式的霍尔角度传感器。 需要注意的是有别于标准SPI 接口， MLX90316 的MOSI (上位机输出下位机输入) 和MISO (上位机输入下位机输出) 共用一个针脚。

微处理器选用宏晶科技基于增强型8051 处理核的STC15W1K16S 芯片。 该芯片内部集成高精度R/C 时钟和可靠复位电路， 因此无需外部晶振和外部复位电路， 还拥有一组高速异步串行通信端口 (UART)， 以及一组高速同步串行通信端口(SPI)， 可在3 组管脚之间切换， 分时复用可作为3 组串口使用。

角位移测量系统硬件电路如图2 所示， 采用SP3232 芯片将微处理器的串口电压转换成标准RS232 电压， 同时通过PL2303 芯片实现串口至USB 端口的电压转换。

图2 角位移测量系统框图

在角位移测量系统中， STC15W1K16S 芯片为主机， MLX90316 芯片为从机。 两者之间的同步时钟SCLK 和数据帧同步信号/SS 都由主机产生， 其通信过程如下所示:

1) 主机先拉高数据帧同步信号/SS， 并至少维持1.5ms， 使从机准备好接收新的数据帧， 然后再拉低/SS;

2) 主机发送请求数据命令， 该命令由同步头0xAA 0xFF 和8 个0xFF 共10 个字节组成;

3) 从机发送数据包， 数据包由同步头(0xFF 0xFF)、 4 字节角位移数据和4 字节的高电平(0xFF 0xFF 0xFF 0xFF) 组成。

4) 重复步骤1) ～步骤3)

MLX90316 芯片的角位移测量具有两种速度模式: 低速模式(1.5ms 测量一次) 和高速模式(350ms 测量一次)， 而且芯片的串口通讯和角位移测量是相互独立、 异步进行的。 同时考虑到直升机操纵杆的角位移测量需求， 将主机和从机的通讯周期设置为20ms。

当从机发送完毕数据包后， 主机对数据包进行校验。 在MLX90316 的串口数据格式中， 角位移数据由4 个字节组成， 前两个字节是角位移信息或错误信息(高字节在先)， 后两个字节是角位移信息或错误信息的取反值(高字节在先)。只有前2 个字节的取反值和后两个字节一致时，接收的数据才是有效的。

当数据有效时， 可以通过两字节数据的最低两位的值， 区分数据类型。 当值为1 时， 数据是角位移信息; 当值为2 时， 数据是错误信息。

角位移测量系统的软件流程如下所示:

1) 系统上电初始化;

2) MLX90316 芯片以低速模式进行角位移测量;

3) STC15W1K16S 芯片发送请求数据命令;

4) MLX90316 芯片返回数据包;

5) STC15W1K16S 芯片对数据包进行校验，如果是角位移数据则将其写入异步串口寄存器;

6) 重复步骤3) ～步骤5)， 注意时间间隔为20ms。

以MLX90316 霍尔角度传感器为核心的测量系统能够实现精度很高的非接触式测量， 同时该系统体积小、 能耗低还具备易安装的特性。 以宏晶STC15W1K16S 微处理器为控制核心， 能够减少外部的复位和晶振电路， 实现角位移数据的高速传输。