CN1195200C - 旋转件非接触式双向多路信号和功率同步传输***及方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转件非接触式双向多路信号和功率同步传输***及方法，属旋转件机械结构***的监测和主动控制技术。包括传感器、驱动器、信号放大器、功率放大器、调制器、多路复用器、解调器、分路器、电源所组成的固定于旋转件上的综合信号调理电路；由计算机数据采集及控制***、解调器、分路器、调制器、多路复用器、电源所组成的置于固定件上的综合信号调理电路及非接触信号耦合器。本***采用频率调制方式进行信号的调制，采用频分多路复用的方式在一个物理通道上进行多路信号的传输，并直接利用电磁耦合实现功率的耦合。本发明用于旋转件***的测量和控制，例如转矩测量，转子温度，压力和动态应变测量，振动主动控制，旋转机械的健康监控等。

Description

旋转件非接触式双向多路信号和功率同步传输***及方法

技术领域：

本发明的旋转件非接触式双向多路信号和功率同步传输***及方法属旋转件机械结构***的监测和控制技术。

背景技术：

要对旋转件机械***进行结构健康监测和闭环实时振动主动控制，就需要将多路测量信号、多路控制信号以及控制所需的电源等在旋转部件和固定机座之间进行相互传递。迄今为止，进行旋转件信号传输的主要有集流环方式和遥测遥控方式两种。利用集流环方式进行数据传输存在工作可靠性差、信号容易受干扰，需要经常维护和更换，增加传输通道数需要对结构进行更改等缺点；遥测遥控方式，一般是用来将采集到的旋转部件的多路信号传输到地面，但对多路的实时模拟控制信号作反向传输还很困难，特别是不能进行功率传输，不能为旋转部件提供控制所需能源，因而也无法对旋转件进行实时的闭环控制。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是研制一种工作可靠，抗干扰能力强，可长期免于维护，能对旋转件进行监测和控制的非接触式双向多路信号与功率同步传输***及方法，以满足各种旋转机构的健康监测、闭环振动主动控制和其它闭环主动控制的需要。为解决上述技术问题，本***的组成包括固定于旋转件上随转轴一起转动的旋转件上的综合信号调理电路，包括传感器连于信号放大器后再连于与非接触信号耦合器下行通道动圈相连的调制器，和驱动器连于功率放大器后再连于与非接触信号耦合器上行通道动圈相连的调制器，信号放大器，功率放大器还分别连于电源耦合***副边；与置于固定件或壳体上的不能旋转的固定件上的综合信号调理电路，包括计算机数据采集及控制***分别连于与非接触信号耦合器上、下两个不动圈相连的解调器和调制器及与电源耦合***原边相连；以及置于旋转件与固定件之间的包括上行耦合通道、下行耦合通道和功率耦合通道所组成的非接触信号耦合器所构成。

多路基带信号，包括测量信号和控制信号，经过调制和多路复用，变成适合于在一个物理通道上进行耦合传输的信号进行传输，从而将多路测量信号从旋转件传至固定件上或将多路控制信号作反向传输，这是本***采用的基本方法。

本***采用的频率调制方式(FM)进行信号调制，而采用频分多路复用的方式在一个物理通道上进行多路信号的传输。调制是指使一个高频信号的幅值，频率和相角随低频信号幅值变化而变化。调制方法一般分为幅值调制方式(AM)，频率调制方式(FM)和脉冲编码调制方式(PCM)等。

PCM编码方式是比较先进的信号传输方式，但PCM***复杂，造价高，调幅(AM)方式的抗干扰能力传输精度比较低，因而本***中测量信号传输采用调频方式，为了发挥AM方式电路简单，信号传输中的相位滞后小，容易实现的优点，本***控制信号的传输采用AM方式。因为在电磁耦合***中，传输信号强，磁路封闭，因而信噪比高，解决了使传输精度和抗干扰能力都得到较大提高。

本***的工作原理是：埋入旋转件上的压电传感元件的多路输出信号，经过旋转件上的综合信号调理电路进行放大、滤波、调制和多路复用后，通过非接触信号耦合器的下行耦合通道耦合至固定件上，固定件上的信号调理电路将信号进行解调分路后，还原成原多路测量信号；计算机将还原成原多路测量信号进行采集，经过自适应控制运算后输出多路控制信号，该控制信号通过固定件上的综合调理电路进行调制和多路复用后，通过非接触耦合器的上行通道耦合至旋转件上综合信号调理电路上，在该处经过解调、分路、放大(通常是高压放大)后，驱动旋转件上的执行器，完成对旋转件上的主动控制；另一方面旋转件上所需的所有电源，都通过功率耦合通道提供；这样就组成了一个基于非接触信号传输的旋转机械的多路测量与控制***。

由于非接触信号传输***没有滑动触点，因而不需要经常维护更换，对环境条件要求不高，可以长期可靠运行。

本***的核心部件是非接触信号耦合器，需要同时传输高压功率信号和多路低压高频测量和控制信号。它包括耦合圈和相应磁路两部分，需要通过耦合传输信号有低压测控信号和高压功率信号。具体的结构是，在外壳与旋转中心轴之间装有三组非接触耦合通道，由上磁罐对和动圈与不动圈组成的上耦合线圈对构成的上行耦合通道，由下磁罐对和动圈与不动圈组成的线圈对构成的下行耦合通道和由电源磁路内、外磁环及电源耦合***原、副边所构成的功率耦合通道；每组可分为两部分，一部分与旋转中心轴相连，并与之一起旋转，另一部分与外壳相连，它相对于外壳静止。该两部分实际上是耦合通道的原边和副边，它们互相配对，该三组耦合通道的基本原理相同，但根据不同的要求，要选择合适的磁芯材料，磁路结构和线圈参数。

附图说明：

图1、旋转件非接触式双向多路信号和功率同步传输***的组成框图。

图2、非接触信号耦合器结构示意图。

图3、(a)功率放大器组成框图，(b)功率放大器实施电路原理图。

图4、调制电路原理图。

图5、线性检波原理图。

图6、利用非接触耦合电路实现频分多路信号传输的原理框图。

图7、本***及方法用于直升机智能旋翼模型试验***。

图1中标号名称：1、压电传感元件，2、压电驱动元件，3、信号放大器，4、功率放大器，5、调制器和多路复用器，6、电源，7、解调器和分路器，8、非接触信号耦合器，9、解调器和分路器，10、电源，11、调制器和多路复用器，12、计算机数据条集及控制***。

图2中标号说明：21、外壳，22、上磁罐对，23、上耦合线圈对，24、电源磁路外磁环，25、电源耦合***原边，26、下磁罐对，27、下耦合线圈对，28、旋转轴，29、电源耦合副边，30、电源磁路内磁环，31、引线槽。

图7(a)中标号说明：32、旋转件上的综合信号调理电路，33、非接触信号耦合器，34、基座，35、旋转轴，36、变速箱，37、调速电机，38、电机控制器，39、***总控制台，40、测控计算机，41、旋转件试件，42、43、压电传感元件及压电驱动元件。

具体实施方式：

图1所示的是本***的原理框图，包括传感器、驱动器、信号放大器、功率放大器、调制器和多路复用器、解调器和分路器、电源、计算机控制器、自适应算法等。下面分别叙述：

(1)传感器和驱动器是两个功能元件，作为功能元件的压电材料，要求同时具有正逆压电效应、频响宽、易于在复合材料中布置，相容性好。因此，可采用压电陶瓷材料，这种材料具有上述特点。功率元件在旋转件中如何布置是非常重要的，如果被布置在节点或节线上，振动控制就不会达到很好的效果。另外，为了综合考虑控制***的重量，成本及控制的复杂程度，还必须对压电传感元件和压电驱动元件的数量进行优化设计。在扭转驱动的旋转件中，应把分布式压电传感元件与压电驱动元件，粘贴在同一部位的两侧表面，构成模态传感/驱动器。利用这种组合元件，对结构的振动实现同位控制，可避免控制溢出。

(2)信号放大器

传感器一般采用压电传感元件，这类元件受力后表面产生电荷，因此最好采用电荷放大器将电荷转化为标准电压信号，提供给调制器。

(3)功率放大器

驱动器最好采用压电陶瓷片，在压电陶瓷片两个电极上加上一定电压后，由于逆压电效应的作用，在压电片的某一方向上会产生变形。实验表明在一定的驱动电压下，变形与驱动电压之间存在很好的线性，施加的电压值越大，所产生的变形也越大。压电作动器必须用高电压来激励，但是，控制电路的输出电压一般在0-5V、-5-5V、0-10V、-10-10V等范围内，因而需要设计高压功率放大器将控制信号进行电压放大。为满足驱动压电陶瓷驱动的需要，对高压功率放大器的最基本的要求应是：

(a)、能够将控制器输出的低电压信号放大成满足要求的信号，而且要有较好的精度；

(b)、放大后的信号应有较小的相位失真，这一点对高频信号的放大更为重要。

本功率放大器的组成原理框图如图3(a)所示，它由低压电源、高压电源、浮动电源、前置放大级、高低压隔离级和高压功率放大等组成。

(3.1)、低、高电源：

高压功率放大器是将低压信号放大成高压信号的放大器，对低压放大部分必须提供低压电源，该电源幅值为-15V和+15V。而对高压放大部分，必须提供高压电源，该电源幅值为-600及+600V。高、低电源之间还必须采用光电隔离器进行隔离，以防高压部分对低压部分的漏电造成干扰甚至破坏。同时高压功率管上必须加上浮动的偏置电压以使其正常工作，也必须提供两个浮动的电源，该电源幅值为10V。

(3.2)、前置放大及功率放大：

高压功率放大器的放大部分原理图如图3(b)所示。图中，运放U5：A的同相输入端接功率放大器的输入，并有两只背靠背放置的稳压管用来提供输入保护，限制过高的输入电压。其反向输入端通过相应电路与功放的输出端形成反馈。两只光耦H11B1完成高低压之间的电气隔离和电平转换，DC-DC变换器给三极管提供偏置电压。对管T₅、T₆组成推挽输出，T₃、T₄提供了过流保护功能。另外在三极管的散热片上还安装有热保护继电器，以提供三极管的过热保护。

(3.3)调制电路：

调幅电路采用MC1596的平衡调制解调器，其电路原理如图4所示。MC1596相当于一个乘法器。需要+12V电源和-8V的偏置电压。图中C₂将载波信号耦合到调制器的载波输入端并进行电平移动，C₃隔离输出端的直流分量，使输出得到对称的交流信号。为了能驱动耦合线圈，输出经过一个由运算放大器和两个推挽三极管组成的功率放大器进行适当的功率放大。R₁控制调制器的增益。为了避免在一定的输入信号范围内出现过调幅现象。可用电位器P₁进行输出波形的零点调整。图中左半部分由双运放O₃和相应元件组成的电路是一个正弦波发生器，用来给MC1596提供载波信号。其中R₂₂、C₈、C₇、R₂₁组成正反馈选频网络。二极管D₃、电阻R₁₉、电容C₆和电位器P₃控制工作在可变电阻状态的场效应管的漏源电阻达到自动稳定输出正弦波幅值的目的。

(3.4)、线性检波器

信号的解调也可用MC1596来实现，电路形式与调幅电路相似，只不过后面加了一级滤波器来滤除无用载波分量。

对于普通调幅方式，可用二极管包迹检波和线性检波进行解调，其电路简单，原理直观。其线性检波电路原理图如图5所示。当输入为正时，O₂：A的输出为负，D₁截止、D₂导通由R₁₄形成负反馈，检波器的输出为负，当R₁₂＝R₁₄时，其值等于输入值；当输入为负时，运放输出为正，D₁导通、D₂截止，此时也形成负反馈，由于运放虚短路使运放负输入端电位为0，导致输出为零。因而调幅波经过检波后输出波形的包迹就是被调制的低频信号，以上检波器的最低检波工作电压可达几微伏。将该信号进行低通滤波，便可滤去高频信号，得到正比于调幅波包迹的平均值，电位器P₅分别与正电源和地相连，用来给运放提供直流偏置，同时输出的零点也通过它调节。

(3.5)、调频及多路复用：

本***中采用FM技术进行信号的调制，采用频分复用(FDM)技术进行多路信号的传输。FDM技术是指采用频率划分的方法，将多路信号复合在一个信道中传送到接受端的技术。其基本原理是，采用某种信号的调制方式，将多路信号的频谱搬移到互不重叠的频段上。

利用非接触耦合电路来实现FDM多路信号传输的原理框图如图6所示。

将N路信号选用N个不同频率的副载波分别进行调制，使得调制后的N路信号都搬移到各副载的频率上，然后送入复用器综合成复合信号进行传送，接受端接到信号后，利用N个中心频率为相应副载波频率的带通分路器来分离各路信号，分路器的带波器的带宽应大于或等于各信号的带宽。最后，经过解调器进行信号解调便得到基本带信号。

本***的非接触信号耦合器，是实现非接触信号传输的关键部件，对于功率耦合而言，关键问题是保证小体积、大功率以及高传输效率。为此，将工频交流电源通过AC-DC-AC变换成高频交流电，再通过线圈进行耦合，就能够减小耦合器的体积，提高其效率。然而，高频信号的传输相应的高频磁性材料，要求导磁率高、电阻率大，使高频信号通过时产生的涡流损耗小。但适合高频信号传输的磁性材料难以保证足够的加工精度，因而不能保证足够小的气隙，也就不能保证足够大功率传输比，为此采用纯铁作为非接触耦合器的磁芯材料。为了保证传输高功率的需要，在设计加工中，要提高加工精度，减小磁隙；对于信号耦合，关键要考虑信号传输的带宽和在旋转件主轴旋转时保证磁路不变，由于需要耦合的信号是经过高频载波调制后的信号，因而选择铁氧体作为相应磁芯材料。要保证信号的传输精度，还要求软磁材料的工作区在线性范围内，因此要对线圈的匝数和磁路进行设计和试验。通过设计磁路结构，以保证在旋转件转动时不改变磁路参数，为此设计了圆环型铁氧体磁芯和圆环型的耦合线圈，使得其磁力线关于旋转轴对称。其具体结构如图2所示，包括3组由环形线圈和磁芯组成的电磁耦合单元。每一组耦合单元包括一个动圈(与轴一起旋转)和不动圈(与机座相连)，3组耦合单元中一组用于测量信号的传输，一组用于控制信号的传输，另一组用于传输高压功率。

图7是本***及方法用于直升机智能旋翼振动与噪声主动控制试验***。由图7(a)可知，该试验***在浆叶上埋入有测量浆叶振动的压电传感器42和驱动浆叶变形的驱动器43，还有为了进行数据采集、数据处理和自适应控制的计算机测控***40以及使旋翼旋转的驱动机构，包括机座34、电机37、电机控制器38和传动机构36等。在***中与埋入浆叶上的压电传感器相连的电荷放大器，用以配合压电传感器元件42进行旋转件的应变测量，电荷放大器的输出接至信号调制器进行幅度调制，然后将信号通过线圈和磁芯组成的电磁耦合***传输到安装在机体上的信号解调器上，经过解调后，进行滤波，得到被测信号，送至计算机数据采集卡，计算机通过一定的控制，策略，计算出相应的控制输出，将控制信号经过同样的方法传至旋转件上的高压功率放大器，用来激励旋转件上的压电驱动元件，使旋转件产生周期性变形，改变旋转件的气动载荷，抑制旋转件的振动。

调速电机经过减速换向后，驱动旋转件旋转，从旋转变压器可获得简谐信号，提供给自适应控制器作为参考信号。

图7(b)所示的是本试验***的组成框图，包括由埋入旋转件试件上的压电传感器连于电荷放大器输入端，其输出端连于调制器和埋入旋转件试件上的压电驱动元件的输入端与功率放大器的输出端相连，功率放大器的输入端与解调器输出端相连及分别连于电荷放大器和功率放大器的电源所组成的旋转件上的综合信号调理电路；由解调器的输出端连于放大器输入端，其输出端与计算机控制器相连，计算机控制输出连于调制器，控制算法控制计算机控制器及电源所组成的固定件上的综合调理电路以及由上行耦合通道，下行耦合通道，功率耦合通道所组成的非接触信号耦合器。

结合图7(a)和(b)叙述本试验***的工作过程：埋入旋转件试件—直升机桨叶上的压电传感器42感受桨叶的多路振动测量信号，经置于直升机桨叶上的综合信号调理电路32中的电荷放大器放大后，送入调制器进行幅度调制和多路复用后，通过非接触信号耦合器33的耦合通道传输至固定件上的综合信号调理电路中的解调器进行解调和分路还原成原多路振动被测量信号，再经放大器放大送入计算机40进行数据采集，计算机经过自适应控制算法产生控制输出至调制器进行调制和多路复用后，再通过非接触信号耦合器33耦合通道传输至直升机桨叶(旋转件)上的综合信号调理电路中的解调器进行解调分路，经功率放大器放人后传输至埋入直升机桨叶上的压电驱动元件43的激励驱动元件，驱动直升机桨叶产生周期性变形，引起桨距变化，改变桨叶的气动特性，抑制直升机的振动。

调速电机37经变速箱36减速换向后，驱动直升机桨叶旋转。

本发明用于旋转件***的测量和控制，例如转矩测量、转子温度压力和动态应变测量、振动主动控制、旋转机械的健康监控等。在军用和民用工业领域都有很好的应用前景。

Claims (5)

1、一种旋转件非接触双向多路信号和功率同步传输***，其特征在于，包括置于旋转件上随旋转件一起转动的综合信号调理电路和置于固定件上的综合信号调理电路以及置于旋转件与固定件之间的非接触信号耦合器，所述置于旋转件上的综合信号调理电路的组成是，粘贴于旋转件上的压电传感元件(1)连于信号放大器(3)的输入端其输出端连于与非接触信号耦合器(8)下行通道动圈相连的调制器和多路复用器(5)，与非接触信号耦合器上行通道动圈相连的解调器和分路器(7)连于功率放大器(4)输入端，其输出端连于粘贴于旋转件上的压电驱动元件(2)，绕制在非接触信号耦合器(8)上的电源耦合***副边(6)分别连于信号放大器(3)和功率放大器(4)；所述置于固定件上的综合信号调理电路的组成是，与非接触信号耦合器下行通道不动圈相连的解调器和分路器(9)连于计算机数据采集及控制***(12)，计算机数据采集及控制***(12)还与非接触信号耦合器上行通道不动圈相连的调制器和多路复用器(11)相连，电源耦合***原边(10)绕制在非接触信号耦合器(8)上；所述非接触信号耦合器由上行耦合通道、下行耦合通道和功率耦合通道所组成。

2、依据权利要求1所述的旋转件非接触双向多路信号和功率同步传输***，其特征在于，非接触信号耦合器包括安装在旋转中心轴(28)上且置于外壳(21)内的三组非接触耦合通道：由上磁罐对(22)和动圈与不动圈组成的上耦线圈对(23)构成的上行耦合通道；由下磁罐对(26)和动圈与不动圈组成的下耦合线圈对(27)构成的下行耦合通道；由电源磁路内磁环(30)、外磁环(24)及电源耦合***原边(25)、副边(29)所组成的功率耦合通道。

3、依据权利要求1或2所述的旋转件非接触双向多路信号和功率同步传输***，其特征在于，功率放大器的组成是前置放大电路与低压电源相连，高压功放电路分别与高压电源和浮动电源相连，置于前置放大电路与高压功放电路之间的光电隔离电路其输入端与前置放大电路输出端相连，输出端与高压功放电路输入端相连。

4、一种旋转件非接触双向多路信号和功率同步传输***的传输方法，其特征在于，将包括测量信号和控制信号的多路基带信号，经调制和多路复用，变成适合于在一个物理通道上利用非接触信号耦合电路进行耦合传输的信号进行传输，从而将多路测量信号从旋转件传至固定件上或将多路控制信号作反向传输。

5、依据权利要求4所述的旋转件非接触双向多路信号和功率同步传输***的传输方法，其特征在于，利用非接触耦合电路实现频分多路信号传输的方法是，多路信号分别经各自的调制器后送入多路复用器综合成复合信号，通过非接触耦合通道传输到解调器和分路器，经过分路和解调后，信号被还原多路基带信号。

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