何宴輝，汪理虎，劉 濤

(1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109;3.中國商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108)

基于幅頻自校準(zhǔn)的高精度LVDT模擬器設(shè)計(jì)

何宴輝1，汪理虎2，劉 濤3

(1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109;3.中國商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108)

電路模擬LVDT傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測試中有著廣泛的應(yīng)用，相對于機(jī)械傳感器其降低了使用難度和維護(hù)費(fèi)用；傳統(tǒng)模擬器由于電路中變壓器的影響，仿真精度較差導(dǎo)致系統(tǒng)測試準(zhǔn)確性降低，研制高精度LVDT模擬器存在著較大的工程需求；文章從LVDT傳感器工作原理出發(fā)，基于乘法型DAC芯片實(shí)現(xiàn)了電路合成模擬LVDT傳感器；同時(shí)在模擬器中設(shè)計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)單元，利用離線擬合并存儲到FPGA中的模板曲線對不同通道進(jìn)行在線校準(zhǔn)，消除了變壓器幅頻響應(yīng)的影響，提高了模擬器在寬頻率范圍內(nèi)的仿真精度；文章通過理論推導(dǎo)證明了模板曲線的有效性，通過測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模擬器在0.36～10 kHz范圍內(nèi)可達(dá)到優(yōu)于0.1%的設(shè)計(jì)精度；該模擬器能夠逼真模擬LVDT傳感器的電氣行為，已成功應(yīng)用于某型號發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的地面仿真測試平臺中，達(dá)到了預(yù)期效果。

LVDT 模擬器； 校準(zhǔn)；幅頻響應(yīng)

0 引言

LVDT 傳感器(linear variable differential transformer)，即線性可變差動(dòng)變壓器，是一種機(jī)械—電信號傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)特性好、精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。LVDT傳感器由一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反向串聯(lián)的次級線圈以及鐵芯組成，鐵芯可在一定的線性范圍內(nèi)自由移動(dòng)，通過鐵芯的移動(dòng)將被測位移量轉(zhuǎn)換為傳感器互感的變化，使次級線圈感應(yīng)電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化[1]。LVDT 傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等多個(gè)行業(yè)中被用作精密的位移檢測部件。但在發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真測試等應(yīng)用場合，如果使用真實(shí)的LVDT傳感器，其運(yùn)行和校準(zhǔn)需要配備復(fù)雜的位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加了使用難度和維護(hù)費(fèi)用，所以使用電路合成方法來模擬LVDT傳感器是自動(dòng)化測試與仿真技術(shù)中的一個(gè)發(fā)展方向。

LVDT模擬器實(shí)現(xiàn)中一般需要進(jìn)行通道間或激勵(lì)與響應(yīng)間的電氣隔離，變壓器是不可或缺的部件，眾所周知，變壓器存在幅頻響應(yīng)，其變換信號幅值會隨頻率而改變，導(dǎo)致傳統(tǒng)LVDT模擬器只能在某一固定頻率點(diǎn)上保證設(shè)計(jì)精度，為克服上述問題，本文基于乘法型DAC并結(jié)合一種幅頻自校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)了0.36 kHz～10 kHz 寬頻率范圍內(nèi)LVDT模擬器0.1%的輸出仿真精度。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

圖1 模擬器系統(tǒng)原理圖

模擬器主要由LVDT信號實(shí)現(xiàn)單元，自校準(zhǔn)單元以及FPGA控制單元組成，其中LVDT信號實(shí)現(xiàn)單元是LVDT功能模擬通道，用于根據(jù)激勵(lì)輸出響應(yīng)信號，包含激勵(lì)信號調(diào)理模塊、乘法器模塊、響應(yīng)信號調(diào)理模塊等。自校準(zhǔn)單元包括校準(zhǔn)頻率源、模擬/校準(zhǔn)的切換控制電路和信號采集模塊，用于實(shí)現(xiàn)LVDT模擬器各通道的自動(dòng)在線校準(zhǔn)，保證仿真精度。FPGA控制單元主要完成LVDT位置信號到乘法器輸入的變換，校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)以及和上位機(jī)通信等功能，如在FPGA中可以利用USB IP核實(shí)現(xiàn)USB接口的LVDT模擬器等。

外部提供的激勵(lì)信號經(jīng)過激勵(lì)信號調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換為單端信號后，進(jìn)入乘法器模塊，F(xiàn)PGA控制單元根據(jù)需要模擬的位置信息，將位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為乘法器的一項(xiàng)輸入，與激勵(lì)信號相乘產(chǎn)生需要的A相、B相電壓信號，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)LVDT信號通道間以及激勵(lì)與響應(yīng)的隔離引入電流互感器進(jìn)行隔離，變壓器輸出的弱信號經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路成為模擬器的輸出。為保證模擬器精度，模擬器在出廠時(shí)必須進(jìn)行校準(zhǔn)，必要時(shí)用戶也可以自行進(jìn)行校準(zhǔn)，上位計(jì)算機(jī)通過FPGA單元控制繼電器將模擬器切換至校準(zhǔn)狀態(tài)，校準(zhǔn)時(shí)模擬器自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，該信號同時(shí)輸入校準(zhǔn)單元的有效值變換模塊和待校準(zhǔn)通道信號實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)的激勵(lì)模塊，如圖1。將乘法器模塊設(shè)置到1倍放大輸出狀態(tài)，經(jīng)響應(yīng)信號調(diào)理模塊和有效值轉(zhuǎn)換模塊變換后，交流信號變?yōu)橹绷餍盘?。FPGA單元將上述兩個(gè)不同途徑獲得的直流信號進(jìn)行比較，可得到此通道的誤差校準(zhǔn)參數(shù)，然后將該參數(shù)在FPGA的配置芯片內(nèi)進(jìn)行存儲，正常使用時(shí)FPGA控制單元自動(dòng)按照這個(gè)參數(shù)對設(shè)定的位移參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 信號實(shí)現(xiàn)單元設(shè)計(jì)

信號實(shí)現(xiàn)單元是LVDT模擬功能的實(shí)現(xiàn)部分，通過上位機(jī)向模擬器注入期望的位置信息，經(jīng)過解算后，模擬器根據(jù)位置信息和輸入的激勵(lì)信號輸出期望的響應(yīng)值。

激勵(lì)信號調(diào)理模塊和響應(yīng)信號調(diào)理模塊均為放大器調(diào)理電路，其中激勵(lì)調(diào)理模塊將模擬器外部提供的差分激勵(lì)信號轉(zhuǎn)換為單端信號，同時(shí)進(jìn)行阻抗變換，以增強(qiáng)模擬器對外部輸入信號的適應(yīng)性。響應(yīng)信號調(diào)理模塊通過單端到差分的轉(zhuǎn)換提高輸出信號的共模抑制比并實(shí)現(xiàn)輸出信號阻抗變換，并通過在輸出端設(shè)計(jì)防浪涌二極管等保護(hù)措施，增強(qiáng)LVDT模擬器的可靠性[2]。

LVDT傳感器作為變壓器的一種，它的初級激勵(lì)信號和次級響應(yīng)信號是完全隔離的，LVDT模擬器工作的測試環(huán)境中，為增加系統(tǒng)抗干擾能力和模擬真實(shí)環(huán)境，LVDT模擬器的信號線與電源地線及各個(gè)通道間一般都是電氣隔離的，為此在模擬器實(shí)現(xiàn)過程中需要采用變壓器實(shí)現(xiàn)激勵(lì)與響應(yīng)、各通道間的電氣隔離。一般的變壓器非線性較差，為了達(dá)到較好的設(shè)計(jì)精度，本文采用毫安級的精密電流互感器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，變壓器隔離電路如圖2所示。

圖2 變壓器隔離電路

電流互感器系數(shù)為1:1，額定輸入電流和額定輸出電流均為2 mA，乘法器的輸出信號為電壓信號，利用壓流轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電壓到電流的變換，其變換公式為i=Vi/R′，電流信號由變壓器的初級線圈等比例傳輸?shù)酱渭壘€圈，因LVDT模擬器的輸出要求為電壓信號，所以在互感器后級需要設(shè)計(jì)流壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電流到電壓信號的變換，其輸出公式為 Vo=-i·R，i為互感器中的電流。在應(yīng)用中結(jié)合模擬器輸出需要實(shí)現(xiàn)最高2倍變壓比的需求，將R選取為R=2R′，可知 V0=2 Vi，在工程中R的值可按照V0/0.002進(jìn)行選取，電容C1及可調(diào)電阻r'用來補(bǔ)償相位，建議C1取約為65/R(μF)，r選取為200 KΩ。電容C2和C3取400至1 000 pF，用來去耦和濾波，兩個(gè)反接的二極管可保護(hù)運(yùn)算放大器，使用性能較好的運(yùn)算放大器，較容易達(dá)到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。

3 自校準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)

工程應(yīng)用中，LVDT模擬器的精度對使用至關(guān)重要，應(yīng)用中需要根據(jù)情況進(jìn)行校準(zhǔn)以滿足使用要求。校準(zhǔn)分為自動(dòng)校準(zhǔn)和外部校準(zhǔn)兩種，顯然自動(dòng)校準(zhǔn)具有更廣泛的應(yīng)用性，如發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)應(yīng)用中就需要LVDT模擬器在不連接外部激勵(lì)時(shí)實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。根據(jù)圖1可知，LVDT模擬器的主要誤差來源包括：激勵(lì)和響應(yīng)信號調(diào)理模塊的線性誤差、乘法器的轉(zhuǎn)換誤差、變壓器模塊的線性放大誤差及頻率響應(yīng)非線性誤差、校準(zhǔn)電路中有效值轉(zhuǎn)換模塊和ADC采集模塊的固定誤差。

①節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目地下水取水水源論證及其取水影響分析應(yīng)包括論證范圍內(nèi)地下水資源評價(jià)、論證范圍內(nèi)地下水可采量計(jì)算、取水可靠性分析、提出布井方案及分析取水影響等內(nèi)容。

為消除上述誤差的影響，設(shè)計(jì)如圖1的校準(zhǔn)電路以保證各通道的仿真精度。在模擬器上設(shè)計(jì)一個(gè)校準(zhǔn)激勵(lì)源，該校準(zhǔn)源可以產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3 kHz的正弦波信號，當(dāng)LVDT模擬器處于校準(zhǔn)狀態(tài)下，繼電器開關(guān)由正常模式切換至校準(zhǔn)模式，LVDT模擬器的輸入接入自動(dòng)校準(zhǔn)電路中，由板載的校準(zhǔn)源來驅(qū)動(dòng)待校準(zhǔn)的LVDT通道，同時(shí)該校準(zhǔn)源的信號也經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換模塊和ADC采集模塊被轉(zhuǎn)換為固定的數(shù)字量。板載校準(zhǔn)源信號經(jīng)過待校準(zhǔn)的LVDT通道實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換后輸出到自動(dòng)校準(zhǔn)電路中，同時(shí)設(shè)置校準(zhǔn)通道的放大倍數(shù)為1，響應(yīng)信號經(jīng)過同樣的有效值轉(zhuǎn)換模塊和ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，如實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)只要將兩個(gè)數(shù)字量做比值即可完成。

根據(jù)原理框圖及校準(zhǔn)原理，輸入與輸出的關(guān)系如下：

Out=K1·K2·K(f)·K3·K4·In

(1)

校準(zhǔn)時(shí)In為模擬器的校準(zhǔn)源激勵(lì)，Out為校準(zhǔn)源經(jīng)過待校準(zhǔn)的LVDT通道后的響應(yīng)。K1為乘法型DAC的變換參數(shù)，它的值是模擬器位置信息的反映，通過調(diào)節(jié)K1，模擬器可以模擬不同位置，它的值受DAC的輸入數(shù)字量控制，在校準(zhǔn)時(shí)該參數(shù)為固定值，即1/2。K2為乘法型DAC的轉(zhuǎn)換誤差，對于每一個(gè)固定的DAC，K2的值是固定的，該參數(shù)由DAC器件保證，由于設(shè)計(jì)中使用了高精度DAC，該誤差可忽略不計(jì)。K(f)為精密電流互感器的放大倍數(shù)，設(shè)計(jì)中采用的是1:1的電流互感器，其標(biāo)稱值為1，工程實(shí)際中K(f)為頻率的函數(shù)，其放大倍數(shù)會跟隨頻率變化。K3為變壓器兩端電壓-電流變換和電流-電壓變換系數(shù)，其標(biāo)稱值為2，其值由圖2中匹配電阻R和R′決定，根據(jù)電阻特性，可知該誤差為線性誤差。K4為校準(zhǔn)模塊中有效值轉(zhuǎn)換模塊和ADC采集模塊的固定誤差系數(shù)，由校準(zhǔn)原理和公式(1)知，激勵(lì)和響應(yīng)信號都經(jīng)過了有效值轉(zhuǎn)換模塊和ADC采集模塊，即采集到的校準(zhǔn)源信號中也包含該誤差，所以該部分引入的固定誤差會在校準(zhǔn)中會自動(dòng)抵消。由上述可知：

(2)

其中，Dout，Din為激勵(lì)和響應(yīng)所對應(yīng)的數(shù)字量。

如不考慮變壓器的頻率響應(yīng)，即將K(f)作為常數(shù)，按照公式(2)，在進(jìn)行通道校準(zhǔn)時(shí)，將Dout與Din做比值即可得到該通道的校準(zhǔn)參數(shù)。但實(shí)際中絕大部分變壓器K(f)與頻率是相關(guān)的，它是頻率的函數(shù)，如圖3。

圖3 變壓器頻響曲線

可見如不考慮變壓器的頻率響應(yīng)，當(dāng)LVDT模擬器工作在6 kHz頻率下，如采用在3 kHz得到的校準(zhǔn)參數(shù)將會引入較大的誤差，模擬器的精度會受到影響，若考慮變壓器的頻率響應(yīng)， 則必須在多個(gè)頻率點(diǎn)下進(jìn)行校準(zhǔn)擬合，實(shí)現(xiàn)起來較為困難，因此必須對校準(zhǔn)方法加以改進(jìn)，以保證一定頻率范圍內(nèi)模擬器的仿真精度。

(3)

對Ch1_A通道，首先將繼電器開關(guān)切換至外部輸入模式，從模擬器外部施加不同頻率的正弦信號，對該激勵(lì)信號的處理方式同板載頻率源，根據(jù)測量數(shù)據(jù)可擬合成包含頻率響應(yīng)的二次曲線:

K(f)·KA=af2+bf+c

(4)

當(dāng)外部激勵(lì)信號的頻率f=3 kHz時(shí)，輸出與輸入的比值為K(3k).KA，根據(jù)式(4):

(5)

其中:af2+bf+c為由式(4)得到的不同頻率下Ch1_A通道的擬合曲線，K(3k).KA為Ch1_A通道在3 KHz頻率下的校準(zhǔn)系數(shù)，在板載的FPGA模塊中存儲K′(f)曲線，這條曲線將作為校準(zhǔn)其他通道的模板曲線。

完成上述工作后，我們選取Ch1_B通道進(jìn)行校準(zhǔn)。假設(shè)兩個(gè)通道的變壓器為同一批次，頻響曲線是基本一致的，均為K(f)，由式(3)和式(5)知:

(6)

其中:K′(f)為已知的模板曲線，K(3k).KB為Ch1_B通道在3 kHz下變換系數(shù)，是可以通過自動(dòng)測量得到的值，從而實(shí)現(xiàn)Ch1_B通道的校準(zhǔn)。依次類推，可以得到其他通道的校準(zhǔn)公式。

可見采用此校準(zhǔn)方法，只需要在模擬器出廠前，由廠家施加一次不同頻率的激勵(lì)信號，得到一個(gè)模板擬合曲線，用戶便可以根據(jù)模板曲線實(shí)現(xiàn)LVDT模擬器在不同頻率下的自動(dòng)校準(zhǔn)。

4 LVDT模擬器性能測試

完成LVDT模擬器的電路設(shè)計(jì)后，對模擬器進(jìn)行了電路測試，以驗(yàn)證模擬器性能。根據(jù)設(shè)計(jì)原理，模擬器的位置信息是通過乘法型DAC的數(shù)字量參數(shù)反映的，在設(shè)計(jì)中通過上位機(jī)軟件將欲模擬的位置信息寫入模擬器FPGA內(nèi)的FIFO存儲區(qū)，然后由FPGA控制單元將該數(shù)據(jù)周期性連續(xù)控制乘法型DAC輸出的信號幅度，即將0～1位置信息轉(zhuǎn)換為0～0xFFFF 間16 bit數(shù)字量。進(jìn)行測試前，先對模擬器進(jìn)行自校準(zhǔn)，分為兩種情況，一種是只對幅值進(jìn)行校準(zhǔn)，不考慮變壓器的幅頻響應(yīng)，另外一種是按照文中所述方法考慮變壓器的幅頻響應(yīng)進(jìn)行幅頻校準(zhǔn)。使用信號發(fā)生器向模擬器輸入正弦波信號，信號幅值、頻率可調(diào)。通過上位機(jī)控制模擬0, 0.5, 1等位置信息，測量模擬器的A路輸出，測試結(jié)果如表1。

表1 LVDT模擬器測試表激勵(lì)信號

可知，在3 kHz下，兩種校準(zhǔn)方法都可以達(dá)到所需的精度要求，當(dāng)模擬器的頻率發(fā)生變化時(shí)，必須使用幅頻自校準(zhǔn)方法才可以實(shí)現(xiàn)0.1%的精度要求。

5 結(jié)論

本文提出的LVDT模擬器自校準(zhǔn)方法，克服了原有模擬器中變壓器幅頻響應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)了0.36～10 kHz 頻率范圍0.1%的模擬精度，該模擬器還具有控制方便，接口靈活等特點(diǎn)，該模擬器產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在某型號國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)測試仿真試驗(yàn)臺中，運(yùn)行良好，標(biāo)明其具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，期望能對國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面有效的測試驗(yàn)證。

[1] 李 稷，李 玲 LVDT傳感器仿真電路的設(shè)計(jì)與研究[J]. 儀表技術(shù), 2011, 9: 67-70.

[2] 劉 濤，張大鵬 一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)仿真平臺的線性可變差動(dòng)變壓器模擬器的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制， 2014，22(3):956-958.

[3] 羅旗舞，黎福海 基于FPGA雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制, 2010, 18(11):2656-2658.

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Design of High Accuracy LVDT Simulator Based on Amplitude-frequency Calibration

He Yanhui1，Wang Lihu2, Liu Tao3

(1.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China;2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China;3.AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., Shanghai 201108, China )

Electronically simulated LVDT sensor is widely used in the aviation engine test field, which lowered use difficulty and maintenance charge relative to mechanical sensor. Conventional simulator’s poor accuracy lowered the test accuracy because of transformers. So there are big engineering requirements in designing high-accuracy LVDT simulator. From LVDT simulator’s working principles, the paper realized to simulate LVDT sensor based on multiplying DAC chips. Simultaneously we designed auto-calibration unit and utilized fitting template curve to on-line calibration stored in FPGA, which eliminated the impact of amplitude-frequency response and increased simulation accuracy in wide frequency range. The validity of the template curve was proved by theoretical deduction. The excelled 0.1% design accuracy in 0.36～10 kHz range was verified by test data. The simulator can simulate LVDT sensor’s electrical character, which has been used successfully in some aircraft engine control system simulation test platform, achieving expected effect.

LVDT simulator; calibration; amplitude-frequency response

2016-01-18；

2016-02-24。

何宴輝(1978-)，男，河北冀州人，高級工程師，主要從事導(dǎo)彈彈上電子設(shè)備及相關(guān)測試技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0268-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.072

TN919

A