寧夏大學(xué)新華學(xué)院信息與計算機(jī)科學(xué)系 蔡元宵

針對飛機(jī)輪速傳感器低速輸出信號幅值不滿足要求和抗干擾能力較弱等問題，結(jié)合測速系統(tǒng)的測速方法進(jìn)行研究，對輪速傳感器進(jìn)行電路和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并采用M/T測速方法進(jìn)行測速。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的輪速傳感器的輸出幅值得到了有效提高，抗干擾能力明顯增強(qiáng)，結(jié)合合適的測速方法，能夠準(zhǔn)確采集飛機(jī)機(jī)輪的速度信號。

0 引言

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，目前大多數(shù)飛機(jī)都安裝了機(jī)輪防滑剎車系統(tǒng)。防滑剎車系統(tǒng)是飛機(jī)起降系統(tǒng)的核心部分，主要功能是對飛機(jī)的起降、剎車、滑行、轉(zhuǎn)彎等進(jìn)行控制。輪速傳感器作為防滑剎車系統(tǒng)的一個重要部件，用于檢測飛機(jī)機(jī)輪的速度并產(chǎn)生與輪速成正比的頻率信號，提供給剎車盒或飛行控制計算機(jī)，從而根據(jù)情況決定是否進(jìn)行剎車。如果采集的輪速信號出現(xiàn)畸變，幅值不達(dá)標(biāo)等情況，或者測速誤差太大，都可能會造成飛機(jī)在滑跑過程中出現(xiàn)防滑失效，如抱死或爆胎、剎車失效等安全事故。因此，輪速傳感器的性能以及合適的測速方法，直接影響防滑剎車系統(tǒng)的性能，進(jìn)而影響飛機(jī)的著陸安全以及飛機(jī)的各項戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)[1-4]。目前，在裝有防滑剎車系統(tǒng)的飛機(jī)上一般裝有磁阻式輪速傳感器，但是輪速傳感器的抗干擾能力比較差，并且在低速狀態(tài)下會出現(xiàn)幅值較低的現(xiàn)象，在干擾比較大時甚至發(fā)生波形畸變的問題。速度傳感器的輸出信號提供飛機(jī)機(jī)輪測速系統(tǒng)，其測速方法是否有效也影響著機(jī)輪速度信號是否能夠準(zhǔn)確采集。本文針對輪速傳感器輸出信號的問題以及測速系統(tǒng)的測速方法進(jìn)行研究，對輪速傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并提出合適的測速方法，提高輪速傳感器的抗干擾能力，確保能夠準(zhǔn)確采集飛機(jī)輪速信號。

1 輪速傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 輪速傳感器的結(jié)構(gòu)

輪速傳感器主要由定子、轉(zhuǎn)子、線圈、磁鋼組件、軸承等零組件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪速傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of wheel speed sensor

1.2 輪速傳感器的工作原理

輪速傳感器依據(jù)法拉第磁感應(yīng)原理工作，其原理圖如圖2所示。齒數(shù)相同的定子和轉(zhuǎn)子形成閉合磁路，當(dāng)輪速傳感器在一定強(qiáng)度磁場中旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生相對運動，內(nèi)外齒相互交錯，使磁路中的磁阻發(fā)生周期性的變化，從而使通過線圈的磁通量周期性增減，因而在線圈上產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢。輪速傳感器輸出峰-峰值大于0.6V的近似正弦波，輸出的信號頻率高低與輪速大小有關(guān)，其關(guān)系如式1所示[5]。

圖2 輪速傳感器工作原理圖Fig.2 Working principle of speed sensor

其中，i為傳動比；n為輪速（r/min）；p為轉(zhuǎn)子和齒環(huán)齒數(shù)。

2 輪速傳感器輸出信號出現(xiàn)的問題及原因分析

輪速傳感器安裝于飛機(jī)起落架的剎車機(jī)輪上，傳感器轉(zhuǎn)子通過撥叉與機(jī)輪上的傳動齒輪相連，當(dāng)機(jī)輪轉(zhuǎn)動時，經(jīng)傳動桿帶動傳感器轉(zhuǎn)子運動，傳感器輸出與輪速成正比的正弦波信號，速度越高，輸出信號頻率越高。在設(shè)計轉(zhuǎn)子和定子時，雖然選擇了高磁導(dǎo)率和低矯頑力的材料，但因速度傳感器的安裝空間受限，磁鋼體積不能做的太大，其磁路中的磁通量變化量已達(dá)到飽和，所以在低速狀態(tài)下該類速度傳感器都存在輸出信號幅值較低的問題，無論更換磁性能更好的導(dǎo)磁材料，或者增加安匝數(shù)，增加磁場強(qiáng)度，均無法提高輸出幅值。

輪速傳感器的轉(zhuǎn)子組件采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，有利于減輕重量，縮小體積，但當(dāng)速度傳感器的撥叉和機(jī)輪上的撥桿嚙合轉(zhuǎn)動時，因飛機(jī)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動、沖擊及加速度等因素影響，使得速度傳感器的輸出信號不穩(wěn)定，抗干擾能力比較差，甚至出現(xiàn)波形畸變的問題。

3 輪速傳感器優(yōu)化設(shè)計及其測速方法

3.1 增加幅值調(diào)節(jié)及濾波等電路

為了解決速度傳感器低速輸出信號幅值較低的問題，在原輪速傳感器增加幅值調(diào)節(jié)電路；另一方面，為了增加速度傳感器的抗干擾能力，增加濾波電路、對地濾波電路以及防雷電路，優(yōu)化設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 輪速傳感器優(yōu)化設(shè)計原理圖Fig.3 Schematic diagram of optimal design of wheel speed sensor

（1）幅值調(diào)節(jié)電路。

利用比例運算放大器原理進(jìn)行設(shè)計。

其中R13w為調(diào)整電阻，可根據(jù)速度傳感器的輸出信號進(jìn)行調(diào)整放大倍數(shù)；R10+R11w作為平衡電阻，用于消除放大器的偏流而在輸出信號產(chǎn)生的偏移。

式中:設(shè)R2=R3=R8=R9=7.5kΩ，R10+R11w=R12+R13=30 kΩ，由（4）式計算可知:

（2）濾波電路。

采用低通濾波原理，由于輪速傳感器的最高轉(zhuǎn)速頻率為5kHz，且濾波器具有衰減的特性，所以，設(shè)計10kHz濾波器，設(shè)計原理圖如圖3（a）所示。

取f0=10kHz ，R5=R6=10kΩ，計算可知:C1=0.23×1 10-2μF，C2=0.12×10-2μF 。

（3）對地濾波電路和防雷電路。

考慮到電纜上的干擾信號以及雷電等其他各種干擾信號，進(jìn)行對地濾波和防雷電路的設(shè)計。在電路輸入和輸出端增加防雷模塊和二極管接地濾波，電路原理圖如圖3（b）所示。并且在導(dǎo)磁體處增加一處大街結(jié)構(gòu)與金屬殼體等結(jié)構(gòu)件相連，達(dá)到提供較低交流阻抗，從而使雷電能量通過。

3.2 飛機(jī)輪速測速系統(tǒng)選用合適的測速方法

飛機(jī)輪速測速系統(tǒng)一般由傳感器接口電路和測速模塊組成。接口電路將速度傳感器產(chǎn)生的輪速信號進(jìn)行傳輸和變換，轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號進(jìn)入測速模塊。測速模塊將傳輸過來的方波信號轉(zhuǎn)換成與其頻率成正比的直流電壓信號，該電壓信號與輪速成正比，測速系統(tǒng)選取合適的采樣周期測速軟件中增加速度濾波模塊滿足飛機(jī)測速要求。

隨著微電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，所有微控制器都有測速需要的定時器/計數(shù)器、事件發(fā)生器。常用的測速方法有M法測速和T法測速和M/T法測速。

3.2.1 M法測速

由（5）、（6）、（7）式可以看出，當(dāng)Z和Tc一定時，機(jī)輪轉(zhuǎn)速與近似正弦波個數(shù)成正比；M法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，要提高分辨率，必須增大Z（即增加速度傳感器的齒數(shù)），或者增大采用周期Tc，但是由于現(xiàn)實條件的限制，不可能無限的增大；在選定速度傳感器后，Z一定，測量誤差與轉(zhuǎn)速和檢測周期成反比，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低的時，誤差率會變大，因此M法適合高速測量。

3.2.2 T法測速

T法測速是測量兩個脈沖之間的時間間隔來計算轉(zhuǎn)速，也被稱為周期法。

若與機(jī)輪同軸的輪速傳感器每旋轉(zhuǎn)一周輸出近似正弦波個數(shù)為Z，高頻脈沖的頻率為0f，通過的脈沖個數(shù)為M2，機(jī)輪轉(zhuǎn)速為n（r/min），則機(jī)輪的轉(zhuǎn)速為:

其中:εp%為速度傳感器輸出波形相角偏差。

由（8）、（9）、（10）式可以看出，當(dāng)Z和0f一定時，T法測速的分辨率Q與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強(qiáng)；測速誤差ε與速度傳感器的輸出信號波形質(zhì)量有關(guān)，輸出波形誤差越小，測量誤差越小。因此T法適合低速測量。

3.2.3 M/T法測速

為了兼顧高速和低速，本文采用將M法和T法結(jié)合的測速方法，即M/T法。

在采樣周期周期T內(nèi)，計算輸入脈沖的個數(shù)M1以及高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，兩個技術(shù)保持嚴(yán)格同步，檢測周期為:

其中ΔT1為采樣脈沖開始時刻到第一個輸入脈沖上升沿之間的時間間隔，ΔT2為采樣脈沖結(jié)束時刻到最后一個輸入脈沖結(jié)束時刻之間的時間間隔。綜合上述兩種算法，計算可得機(jī)輪的轉(zhuǎn)速為:

4 實驗結(jié)果

在原輪速傳感器的基礎(chǔ)上根據(jù)圖3新增電路（設(shè)置放大系數(shù)A為2），并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。輪速傳感器優(yōu)化設(shè)計前后，在振動-沖擊試驗狀態(tài)下，分別用示波器進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖4。其中（a）圖為速度傳感器改進(jìn)前測得的波形，（b）圖為優(yōu)化設(shè)計后的波形。

圖4 輪速傳感器輸出波形圖Fig.4 Output waveform of the wheel speed sensor

針對優(yōu)化設(shè)計后的輪速傳感器，在不同轉(zhuǎn)速下選用不同測試點，對其輸出波形進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 輪速傳感器不同測試點的測試結(jié)果Tab.1 Test result of wheel speed sensor at different test points

從測試結(jié)果可看出，輪速傳感器經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，輸出信號的幅值可以按照設(shè)計方案進(jìn)行放大，滿足性能指標(biāo)要求。

將優(yōu)化設(shè)計后的輪速傳感器輸出信號送入飛機(jī)輪速測速系統(tǒng)，檢測速度范圍為20km/h～100km/h，采用M/T法進(jìn)行測速，測速結(jié)果滿足要求。

5 結(jié)論

本文針對輪速傳感器輸出信號的問題以及測速系統(tǒng)的測速方法進(jìn)行研究，對輪速傳感器進(jìn)行優(yōu)化，并采用M/T法進(jìn)行測速。實驗結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計后的輪速傳感器的輸出幅值能夠有效提高，抗干擾能力增強(qiáng)，測速方法選取合適，能夠滿足精度和誤差要求。