陀螺仪数字可调式测试电源方案设计

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  作者:夏红梅,金云翔,夏俊杰 海军工程大学

  陀螺电机是惯性器件陀螺仪的主要构成部分,而陀螺仪是惯性导航系统的核心元件,广泛运用于舰船导航和各种武器系统中。陀螺电机的性能好坏,将直接影响陀螺仪的性能以及整个惯导系统的导航精度,因此,对于陀螺电机供电电源的设计显得十分重要,其电压、频率稳定度等都直接影响电机的工作精度。

  为了模拟实际装备中陀螺电机升压启动、降压工作的启动方式,以及在不同电源频率和电压下对陀螺电机的工作性能进行测试分析,本文在普通三相方波电源的基础上,设计了一种陀螺电机专用数字可调式测试电源,并通过测试实验进行了实用性及可靠性验证。

  1 主要技术指标

  1)输入电源:交流220 V±20%,50 Hz;

  2)输出电源:三相方波,0~120 V可调(电压);1 KHz/500 Hz(频率);频率稳定度小于0.1 Hz相位差为120°±0.5°。

  2 方案设计

  图l为三相方波电源电路原理图。其中,220 V/50Hz交流电为该电源提供能量,通过AC/DC变换,输出最高达200V的直流电平;16位并行信号是来自于计算机产生的控制信号,为AC/DC变换提供参考电压,控制输出直流电压大小。电路的频率是通过温补晶振产生3.84 MHz的信号,将此频率信号先后分别进行分频、分相、驱动,以控制开关功率器件的导通和关断。该电源最终输出的信号是三相1 kHz/500 Hz、电压幅值在0~150 V内线性可调的方波信号。

3 电路设计

  1)AC/DC变换 AC/DC变换器采用FDPS开关电源。该开关电源基本工作原理及基本电路框图如图2所示。

  对于图2(a)中的单极性矩形脉冲,其直流电压平均值取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流电压平均值也越高。其中

  。当Um和T均不变时,输出直流电压平均值与矩形脉冲宽度成正比。因此,通过调节PWM脉冲宽度调节输出直流电压的大小。

  图2(b)所示开关电源基本电路框图就是基于此原理,通过0~5 V直流电压信号调整PWM波脉冲宽度的大小,进而调节开关电源输出直流电压的大小。

  在该三相方波电源中,所采用的开关电源有2个输入,1个输出。一个输入为220 V/50 Hz交流电;另一个输入为0~5 V的直流电压信号,其作用是调节PWM脉冲宽度,从而进一步调节开关电源的输出直流电压。

  2)晶振选择 该电源采用3.84 MHz的高精度温度补偿石英晶体振荡器,其技术指标如表1所示,各技术指标满足该电源对频率信号的要求。

  3)分频、分相电路 分频电路采用双4位可编程计数器MCl4569及12状态二进制计数器MCl4040的组合电路实现;分相电路采用环形脉冲分配器CH250B,如图3所示。

  通过设定双4位可编程计数器MCl4569的P7~PO引脚,将晶振输出的3.84MHz频率信号分频20倍,输出192 kHz脉冲频率信号,该信号占空比为5%。将192 kHz脉冲频率信号通过12状态二进制计数器MCl4040,在Q5引脚输出占空比为50%的6 kHz频率信号,在Q6引脚输出占空比为50%的3 kHz在频率信号。通过2选1开关,在6 kHz和3 kHz选择一种频率信号,并将所选择的信号连接至环形脉冲分配器CH250B。设置CH250B为单6拍工作方式,在其A、B、C3个引脚上输出3路1 kHz或500Hz频率信号,该信号占空比为50%,两两之间的相位差为120°。

  通过该电路输出的三相频率信号,频率稳定性好、抗干扰能力强、相位精确,满足电源对频率信号的要求。

  4)驱动电路 三相驱动电路由三极管电路和电流互感器电路2部分组成,其中一相信号的驱动电路如图4所示。

  由于CH250B输出的信号的电流较小,一般为5~1O mA,因此需要将信号的电流进行放大,以便驱动后续电路中的元器件。电流互感器为电感元件,电感两端不能含有直流成份,否则电感会发热,严重时会损坏电感元件,因此信号需要隔直后才能加在电感两端,图4中C2、C3是两个隔直电容。

  A点是环形脉冲分配器CH250B输出的1 kHz频率信号,高电平约为12 V,低电平则为0 V。经过隔直电容C2作用,频率信号中的直流成份不通过C2,因此在B点高电平约为6 V,低电平约为-6 V。在C点,由于三极管基极与发射极之间的压降和接地的零电平限制,高电平约为5.3 V,低电平则为0 V。通过,经过隔直电容C3的作用,在D点,高电平约为2.65 V,低电平约为-2.65 V。

  电流互感器变比为1:1:1,同名端如图4中标注。因此VuP与VuN的频率相同,但是其相位差为180°,可分别驱动功率放大电路中的一对桥臂。

  5)开关功率放大电路 开关功率放大电路采用6个电力晶体管和6个二极管组合实现。通过三相驱动信号控制电力晶体管的导通和关断,将开关电源输出的直流电压逆变成三相交流方波电压,其A相电压、B相电压和C相电压波形如图5所示。图中,UA表示A相输出电压,UB表示B相输出电压,UC表示C相输出电压,UAB表示A相和B相之间的线电压。

  根据上述分析,如图6所示,在原有模拟调压式三相方波电源基础上(图6中右边电源),设计并制造了新的数字可调式电源(图6中左边电源)。经测试表明,其频率稳定度高、抗干扰能力强,电压大小精确可调。

  4 实例验证

  在实验室条件下,利用NI-6070多功能输入输出卡输出0~5 V直流电压至该电源,采用LabVIEW编程调压,对于某型陀螺电机,电源开机输出120 V启动电压,待电机进入同步转速后,由程序控制电源输出降为80 V工作电压,使得电机正常工作,在运行一段时间后断开电源,实验证明,该电源能输出各种电压值,输出精确且时间无滞后,运行稳定,为陀螺电机的正常运行和测试工作提供保障。

  5 结束语

  本文设计了一种陀螺电机数字可调式测试电源,实现了电源幅值、频率的精确数字可调,能够适应陀螺电机不同测试功能的需要。具有操作性强、可靠性高、方便实用的特点。该电源已经成功应用在陀螺电机声音信号在线监测系统中,实践证明该电源运行良好。