余 菲，任海燕，楊 明，胡曉萍，朱廷偉

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引言

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)對(duì)位移傳感器的需求量也不斷上升，同時(shí)要求位移傳感器不斷的進(jìn)行技術(shù)革新，對(duì)位移傳感器產(chǎn)品提出了較高精度、高可靠性及耐惡劣環(huán)境條件能力要求，以適應(yīng)全彈(箭)飛行中的惡劣環(huán)境下的使用需求。差動(dòng)變壓器式位移傳感器具有小型化、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、壽命長、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在航天伺服系統(tǒng)中廣泛使用，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào), 用于伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制。

航天伺服系統(tǒng)可靠性要求比較高，現(xiàn)有的差動(dòng)變壓器式位移傳感器單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)較多，難以滿足要求，為此，設(shè)計(jì)了一種全新的串聯(lián)雙冗余差動(dòng)變壓器式位移傳感器，以滿足伺服系統(tǒng)高可靠性技術(shù)要求。

根據(jù)系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)位移傳感器進(jìn)行了串聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，對(duì)冗余結(jié)構(gòu)所帶來的信號(hào)耦合解偶及線性補(bǔ)償技術(shù)難題進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，提高了產(chǎn)品精度及可靠性，滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

1 差動(dòng)變壓器式位移傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 差動(dòng)變壓器式位移傳感器工作原理

差動(dòng)變壓器式傳感器是采用變壓器原理，將被測量的位移量變化轉(zhuǎn)換成線圈的互感變化，通過電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，傳感器本身為一個(gè)變壓器，由初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈和活動(dòng)鐵芯等組成，由于兩個(gè)次級(jí)線圈按電勢反向串聯(lián)方式連接，即以差動(dòng)方式輸出，故稱為差動(dòng)變壓器式位移傳感器。當(dāng)忽略差動(dòng)變壓器的渦流損耗、磁滯損耗和分布電容的影響，差動(dòng)變壓器可以看成一個(gè)理想的模型,其等效電路見圖1。圖中e1為初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓，M1、M2為初級(jí)線圈和兩個(gè)次級(jí)線圈之間的互感，e21和e22為兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢,L1、R1分別為初級(jí)線圈的電感和電阻，L21，L22分別為兩個(gè)補(bǔ)償線圈的電感，R21，R22分別為兩個(gè)補(bǔ)償線圈的電阻。

圖1 差動(dòng)變壓器式位移傳感器等效電路圖

根據(jù)變壓器原理，初級(jí)繞組接入交流電源之后，由于互感作用，兩個(gè)次級(jí)繞組分別產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢e21和e22。當(dāng)兩個(gè)次級(jí)線圈按電勢相反的方向串聯(lián)連接時(shí)，次級(jí)線圈中就產(chǎn)生一個(gè)與鐵芯位移量成線性函數(shù)關(guān)系的電壓。當(dāng)鐵芯處于兩次級(jí)線圈中間位置時(shí)，兩次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢大小相等，方向相反，輸出電壓為零；當(dāng)鐵芯偏離中間位置時(shí)，兩次級(jí)線圈之間的互感發(fā)生變化，兩者的感應(yīng)電勢不再相等，輸出與位移量成比例的電壓信號(hào)[1-2]，具體分析如下：

根據(jù)變壓器原理，兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電勢分別為:

(2)

輸出電勢為:

(3)

當(dāng)鐵芯偏離中心位置時(shí)，M1≠M(fèi)2,由于差動(dòng)作用，所以:

M1=M+ΔM

(4)

M2=M-ΔM

(5)

在一定范圍內(nèi)，差值(M1-M2)與鐵芯位移成正比，在負(fù)載開路情況下，輸出電勢為：

(6)

位移傳感器在工作時(shí)，可通過測量輸出電壓的變化判斷出鐵芯位置的變化進(jìn)而確定鐵芯的位移量。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本文研制的雙冗余位移傳感器主要由鐵芯組件、線圈組件Ⅰ、線圈組件Ⅱ、殼體、屏蔽罩、隔環(huán)及端蓋等部分組成，如圖2所示。為了滿足電反饋伺服作動(dòng)器的高可靠性要求，同時(shí)適應(yīng)作動(dòng)器作動(dòng)器安裝位置狹小的空間限制，位移傳感器采用串聯(lián)冗余方式，通過端蓋將兩個(gè)線圈組件固定在殼體內(nèi)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)線圈組件的幾何尺寸和電氣參數(shù)完全相同，通過采用階梯補(bǔ)償繞制方案，能夠保證產(chǎn)品在行程范圍內(nèi)的線性度。線圈組件、鐵芯組件及屏蔽罩構(gòu)成磁場回路，兩鐵芯間用不導(dǎo)磁的導(dǎo)桿串聯(lián)而成，兩線圈組件間采用隔環(huán)將兩線圈分開，減小兩線圈間磁場的相互干擾。當(dāng)鐵芯組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩線圈組件各自獨(dú)立輸出，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)串聯(lián)、功能并聯(lián)的緊湊型雙冗余高可靠的位移量測量功能。

圖2 雙冗余位移傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)研究

雙冗余差動(dòng)變壓器式位移傳感器采用了雙線圈組件串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，由兩個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的線圈組件、一個(gè)鐵芯組件(含兩個(gè)鐵芯零件，通過螺紋連接方式與無磁不銹鋼材料連接)、屏蔽罩、隔環(huán)、殼體及端蓋等構(gòu)成。提高與改善傳感器的性能的技術(shù)途徑主要有結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇，穩(wěn)定性處理，屏蔽、隔離與干擾抑制，補(bǔ)償與修正等。為滿足伺服系統(tǒng)高精度及高可靠性要求，進(jìn)一步改善和提高位移傳感器的性能，對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)技術(shù)研究主要包含以下方面：

1) 雙冗余線圈繞制方法研究，保證傳感器高精度要求；

2) 防干擾解耦設(shè)計(jì)研究，保證傳感器輸出精度；

3) 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)研究，保證傳感器可靠性要求。

4) 專用變換電路設(shè)計(jì)研究，減小位移傳感器磁路耦合干擾對(duì)輸出信號(hào)造成的影響。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

3.1 雙冗余線圈繞制方法

為滿足位移傳感器的雙冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求和全行程高精度要求，將位移傳感器的線圈組件設(shè)計(jì)為兩個(gè)線圈組件的串聯(lián)方式，并在有限的徑向安裝尺寸下，采用階梯型補(bǔ)償繞制方案保證傳感器在全行程范圍內(nèi)的高精度要求。具體實(shí)現(xiàn)方式為：單個(gè)繞線窗口設(shè)計(jì)為59mm，將長徑比縮短為1.78，傳感器長徑比很小，采用傳統(tǒng)的平行繞制法，由于線圈兩端的磁場發(fā)散及內(nèi)部磁場的不均勻性，即在傳感器零位位置兩端較小范圍內(nèi)磁場較為穩(wěn)定，在該區(qū)域傳感器輸出變化穩(wěn)定，為傳感器線性區(qū)域；在遠(yuǎn)離零位位置區(qū)域，由于該位置磁場發(fā)散且不均勻，故該區(qū)域?yàn)榉蔷€性區(qū)域，一般差動(dòng)變壓器式位移傳感器的線性工作范圍約為線圈總長度的1/4～1/5，傳感器輸出特性曲線如圖3所示，其線性范圍X較小，無法滿足傳感器全行程高精度要求。

圖3 LVDT線性測量范圍曲線

為滿足位移傳感器線性度不高于0.5%的要求，必須在有限的繞制空間中進(jìn)一步擴(kuò)大位移傳感器的線性范圍，采用線圈階梯補(bǔ)償繞法對(duì)曲線中非線性范圍內(nèi)的各點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，兩次級(jí)線圈中間部位線圈纏繞較少，兩端線圈纏繞較多，形成階梯結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器非線性范圍進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效地增大傳感器的線性范圍。

利用MAWELL電磁仿真軟件對(duì)本位移傳感器進(jìn)行電磁性能仿真，基本過程主要包括以下幾個(gè)步驟：合理簡化、建立幾何模型，根據(jù)實(shí)際指定材料屬性，設(shè)置邊界條件，添加激勵(lì)源，劃分網(wǎng)格，設(shè)置求解和后處理操作。對(duì)本次設(shè)計(jì)的位移傳感器進(jìn)行建模，如圖4所示。

圖4 傳感器二維模型結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，需多次改變次級(jí)線圈的補(bǔ)償方案來獲得最好的線性度，多次試制浪費(fèi)了時(shí)間和成本，影響了產(chǎn)品的交付進(jìn)度。為提高設(shè)計(jì)效率，快速優(yōu)化補(bǔ)償方案，提高傳感器線性度，現(xiàn)利用Maxwell電磁仿真軟件的參數(shù)化掃描功能對(duì)位移傳感器在不同補(bǔ)償方案進(jìn)行計(jì)算，分析其電磁場的分布。但如果對(duì)每層線圈的長度都進(jìn)行全程掃描，計(jì)算結(jié)果會(huì)異常龐大。為提高計(jì)算效率，避免不必要的計(jì)算過程、浪費(fèi)資源和時(shí)間，結(jié)合位移傳感器補(bǔ)償線圈的階梯形狀，有針對(duì)性的選擇補(bǔ)償線圈尺寸范圍進(jìn)行掃描(設(shè)定次級(jí)線圈繞制層數(shù)為6層)，過程如圖5所示。

圖5 對(duì)次級(jí)線圈尺寸進(jìn)行參數(shù)化掃描

對(duì)模型結(jié)合圖5中的參數(shù)化掃描功能，經(jīng)仿真計(jì)算后，提取感應(yīng)電壓進(jìn)行分析。經(jīng)過一系列篩選，選取感應(yīng)電壓有效值與位移輸出特性最好時(shí)的線圈尺寸，得到最好的補(bǔ)償方案如表1所示。該尺寸下傳感器的仿真精度為0.075%。

表1 利用參數(shù)掃描得到的線圈尺寸

通過仿真模擬及線圈試制，確定傳感器階梯補(bǔ)償位置參數(shù)，改善了傳感器輸出特性曲線，擴(kuò)大了線性范圍，保證了傳感器全行程范圍內(nèi)高精度要求。

3.2 防干擾解耦設(shè)計(jì)

位移傳感器設(shè)計(jì)有兩個(gè)線圈組件、兩個(gè)屏蔽罩及兩個(gè)鐵芯(鐵芯間通過不導(dǎo)磁材料連接)，形成了兩個(gè)磁場回路，由于兩線圈組件串聯(lián)排布，線圈組件Ⅰ、線圈組件Ⅱ兩路電磁信號(hào)間容易發(fā)生磁路耦合干擾，使兩路線圈輸出信號(hào)因磁路耦合干擾而造成輸出紋波增大，影響位移傳感器的精度，故需對(duì)位移傳感器進(jìn)行防干擾解耦設(shè)計(jì)。

為降低磁路耦合干擾對(duì)傳感器輸出特性造成的影響，圖2中，兩個(gè)線圈外均設(shè)計(jì)有屏蔽罩和短路環(huán)，屏蔽罩和短路環(huán)的材料為1J50軟磁合金材料，該材料具有高磁導(dǎo)率、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于位移傳感器設(shè)計(jì)中，兩線圈的磁場在屏蔽罩和短路環(huán)的作用下相對(duì)獨(dú)立的封閉在各自的空間內(nèi)；通過在兩串聯(lián)線圈組件間設(shè)計(jì)一個(gè)非金屬不導(dǎo)磁的隔環(huán)，來進(jìn)一步隔離左右兩個(gè)磁場回路，使線圈組件Ⅰ、線圈組件Ⅱ的線圈磁場互不干擾。磁場分布示意圖如圖6所示，兩路磁場回路間的磁場干擾被有效的降低，減小了傳感器信號(hào)輸出紋波。

圖6 磁場回路分布示意圖

通過分析變換后的直流信號(hào)交流分量，由于兩路變換器使用的變換器激磁信號(hào)頻率總有些微小差異，其差頻信號(hào)難以被變換電路的濾波器濾掉，導(dǎo)致輸出紋波較大，故設(shè)計(jì)了兩路不同激磁頻率的變換電路，使其差頻足夠大，便于被濾波器濾掉，使輸出紋波進(jìn)一步被降低。具體參見3.4節(jié)。

3.3 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)

位移傳感器采用兩線圈組件串聯(lián)而成，線圈組件Ⅰ中引出線需通過隔環(huán)及線圈組件Ⅱ引線槽后從端蓋中心孔處引出，由于裝配時(shí)線圈組件Ⅱ受摩擦力影響發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使其與線圈組件Ⅰ之間存在相對(duì)微小的轉(zhuǎn)角，可能會(huì)對(duì)線圈組件Ⅰ的引出線造成損傷進(jìn)而出現(xiàn)斷路情況引起傳感器失效。

為避免兩個(gè)串聯(lián)線圈組件之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致引出線出現(xiàn)的潛在斷線故障，設(shè)計(jì)了骨架的防扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，防止兩串聯(lián)線圈組件出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高了電氣連接可靠性。如圖7所示：兩個(gè)骨架體前端各設(shè)計(jì)有一個(gè)凸臺(tái)，在裝配時(shí)互相搭接，兩骨架通過此種方式相互限位，避免了兩骨架間出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，保護(hù)傳感器引出線。

圖7 防扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)骨架裝配圖

3.4 位移變換電路設(shè)計(jì)

為保證位移傳感器高精度要求，同時(shí)減小位移傳感器雙路線圈組件間的磁路耦合干擾對(duì)傳感器輸出造成的影響，設(shè)計(jì)了位移傳感器專用變換電路。

為了減小激磁頻率對(duì)產(chǎn)品性能的影響，變換電路核心芯片采用AD698，在外圍電路上設(shè)計(jì)有傳感器靈敏度調(diào)整電路及二階濾波電路，其原理為：由兩路核心器件(AD698)分別為兩個(gè)線圈組件提供不同頻率的激磁信號(hào)，激磁信號(hào)經(jīng)傳感器調(diào)制后，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)靈敏度調(diào)節(jié)電路調(diào)整，通過AD698電路進(jìn)行解調(diào)、濾波及放大處理，為了降低輸出紋波同時(shí)滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)要求，再經(jīng)過有源二階濾波電路進(jìn)行濾波，最終輸出一個(gè)與位移信號(hào)成比例的電壓信號(hào)送伺服系統(tǒng)完成閉環(huán)控制。位移變換電路如圖8所示,用雙失調(diào)調(diào)整端代替單失調(diào)調(diào)整端,偏置電壓與電源電壓無關(guān),通過并聯(lián)高精度電阻快速精確調(diào)整輸出信號(hào)零位；采用全差動(dòng)運(yùn)放代替反向放大器,有效抑制共模干擾,提高了電路的抗干擾能力；采用兩級(jí)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)模式,實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的大范圍和高精度幅值調(diào)整；通過外接無源元件確定激磁頻率和幅值，激磁頻率和幅值由電阻和電容分別決定，提高了激磁頻率和幅值的穩(wěn)定度。

圖8 位移變換電路

圖中，U2及U3運(yùn)算放大器及外圍電路構(gòu)成傳感器靈敏度調(diào)節(jié)電路及二階濾波電路。為減小位移傳感器雙路線圈組件間的磁路耦合干擾對(duì)傳感器輸出造成的影響，通過理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，將兩路位移變換電路的激磁頻率設(shè)計(jì)為不同頻率信號(hào)。經(jīng)計(jì)算確定了二階濾波電路電容參數(shù)，使傳感器輸出紋波滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

同時(shí)，AD698芯片采用±15 V供電，系統(tǒng)提供的±15 V電源為二次變換電源，具有一定干擾抑制能力，電源電壓相對(duì)比較穩(wěn)定，考慮到傳感器輸出紋波要求較小，故電路上設(shè)計(jì)了LC電源濾波電路，如圖9所示。

圖9 電源濾波電路

圖10 產(chǎn)品測試結(jié)果圖

由圖9所示，系統(tǒng)提供的±15 V電源經(jīng)過LCπ型濾波電路，濾波電容由大到小，分別對(duì)輸入電源的高頻、中頻及低頻干擾進(jìn)行抑制。輸入端電容采用了200 V的高耐壓電容，提高位移變換電路的抗電壓脈沖沖擊能力。

4 產(chǎn)品測試結(jié)果

通過對(duì)產(chǎn)品雙冗余線圈繞制方法、防干擾解耦設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)可靠性及位移電路變換裝置設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，試制了3套產(chǎn)品與適配變換電路進(jìn)行了測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示，產(chǎn)品線性度均小于1‰，輸出紋波為20 mV左右，性能指標(biāo)能夠滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

5 結(jié)論

本文論述了一種串聯(lián)雙冗余差動(dòng)變壓器式位移傳感器，用于測量伺服作動(dòng)器位移并參與系統(tǒng)閉環(huán)控制。位移傳感器采用兩個(gè)線圈組件串聯(lián)排布，兩路位移信號(hào)獨(dú)立輸出，通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行雙冗余線圈繞制方法、防干擾解耦設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)及專用變換電路設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品在有限的安裝空間下，滿足了高精度及高可靠性要求，同時(shí)解決了線圈組件間的干擾問題，滿足了伺服系統(tǒng)使用要求。

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