陀螺儀數(shù)字可調(diào)式測(cè)試電源方案設(shè)計(jì)

　　陀螺電機(jī)是慣性器件陀螺儀的主要構(gòu)成部分，而陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件，廣泛運(yùn)用于艦船導(dǎo)航和各種武器系統(tǒng)中。陀螺電機(jī)的性能好壞，將直接影響陀螺儀的性能以及整個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，因此，對(duì)于陀螺電機(jī)供電電源的設(shè)計(jì)顯得十分重要，其電壓、頻率穩(wěn)定度等都直接影響電機(jī)的工作精度。

　　為了模擬實(shí)際裝備中陀螺電機(jī)升壓?jiǎn)?dòng)、降壓工作的啟動(dòng)方式，以及在不同電源頻率和電壓下對(duì)陀螺電機(jī)的工作性能進(jìn)行測(cè)試分析，本文在普通三相方波電源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種陀螺電機(jī)專用數(shù)字可調(diào)式測(cè)試電源，并通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)用性及可靠性驗(yàn)證。

　　1 主要技術(shù)指標(biāo)

　　1)輸入電源：交流220 V±20%，50 Hz;

　　2)輸出電源：三相方波，0～120 V可調(diào)(電壓);1 KHz/500 Hz(頻率);頻率穩(wěn)定度小于0.1 Hz相位差為120°±0.5°。

　　2 方案設(shè)計(jì)

　　圖l為三相方波電源電路原理圖。其中，220 V/50Hz交流電為該電源提供能量，通過AC/DC變換，輸出最高達(dá)200V的直流電平;16位并行信號(hào)是來(lái)自于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)，為AC/DC變換提供參考電壓，控制輸出直流電壓大小。電路的頻率是通過溫補(bǔ)晶振產(chǎn)生3.84 MHz的信號(hào)，將此頻率信號(hào)先后分別進(jìn)行分頻、分相、驅(qū)動(dòng)，以控制開關(guān)功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。該電源最終輸出的信號(hào)是三相1 kHz/500 Hz、電壓幅值在0～150 V內(nèi)線性可調(diào)的方波信號(hào)。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　1)AC/DC變換 AC/DC變換器采用FDPS開關(guān)電源。該開關(guān)電源基本工作原理及基本電路框圖如圖2所示。

　　對(duì)于圖2(a)中的單極性矩形脈沖，其直流電壓平均值取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流電壓平均值也越高。其中

　　。當(dāng)Um和T均不變時(shí)，輸出直流電壓平均值與矩形脈沖寬度成正比。因此，通過調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)輸出直流電壓的大小。

　　圖2(b)所示開關(guān)電源基本電路框圖就是基于此原理，通過0～5 V直流電壓信號(hào)調(diào)整PWM波脈沖寬度的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出直流電壓的大小。

　　在該三相方波電源中，所采用的開關(guān)電源有2個(gè)輸入，1個(gè)輸出。一個(gè)輸入為220 V/50 Hz交流電;另一個(gè)輸入為0～5 V的直流電壓信號(hào)，其作用是調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸出直流電壓。

　　2)晶振選擇 該電源采用3.84 MHz的高精度溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示，各技術(shù)指標(biāo)滿足該電源對(duì)頻率信號(hào)的要求。

　　3)分頻、分相電路 分頻電路采用雙4位可編程計(jì)數(shù)器MCl4569及12狀態(tài)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器MCl4040的組合電路實(shí)現(xiàn);分相電路采用環(huán)形脈沖分配器CH250B，如圖3所示。

　　通過設(shè)定雙4位可編程計(jì)數(shù)器MCl4569的P7～PO引腳，將晶振輸出的3.84MHz頻率信號(hào)分頻20倍，輸出192 kHz脈沖頻率信號(hào)，該信號(hào)占空比為5%。將192 kHz脈沖頻率信號(hào)通過12狀態(tài)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器MCl4040，在Q5引腳輸出占空比為50%的6 kHz頻率信號(hào)，在Q6引腳輸出占空比為50%的3 kHz在頻率信號(hào)。通過2選1開關(guān)，在6 kHz和3 kHz選擇一種頻率信號(hào)，并將所選擇的信號(hào)連接至環(huán)形脈沖分配器CH250B。設(shè)置CH250B為單6拍工作方式，在其A、B、C3個(gè)引腳上輸出3路1 kHz或500Hz頻率信號(hào)，該信號(hào)占空比為50%，兩兩之間的相位差為120°。

　　通過該電路輸出的三相頻率信號(hào)，頻率穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、相位精確，滿足電源對(duì)頻率信號(hào)的要求。

　　4)驅(qū)動(dòng)電路 三相驅(qū)動(dòng)電路由三極管電路和電流互感器電路2部分組成，其中一相信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

　　由于CH250B輸出的信號(hào)的電流較小，一般為5～1O mA，因此需要將信號(hào)的電流進(jìn)行放大，以便驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路中的元器件。電流互感器為電感元件，電感兩端不能含有直流成份，否則電感會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電感元件，因此信號(hào)需要隔直后才能加在電感兩端，圖4中C2、C3是兩個(gè)隔直電容。

　　A點(diǎn)是環(huán)形脈沖分配器CH250B輸出的1 kHz頻率信號(hào)，高電平約為12 V，低電平則為0 V。經(jīng)過隔直電容C2作用，頻率信號(hào)中的直流成份不通過C2，因此在B點(diǎn)高電平約為6 V，低電平約為-6 V。在C點(diǎn)，由于三極管基極與發(fā)射極之間的壓降和接地的零電平限制，高電平約為5.3 V，低電平則為0 V。通過，經(jīng)過隔直電容C3的作用，在D點(diǎn)，高電平約為2.65 V，低電平約為-2.65 V。

　　電流互感器變比為1：1：1，同名端如圖4中標(biāo)注。因此VuP與VuN的頻率相同，但是其相位差為180°，可分別驅(qū)動(dòng)功率放大電路中的一對(duì)橋臂。

　　5)開關(guān)功率放大電路 開關(guān)功率放大電路采用6個(gè)電力晶體管和6個(gè)二極管組合實(shí)現(xiàn)。通過三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電力晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，將開關(guān)電源輸出的直流電壓逆變成三相交流方波電壓，其A相電壓、B相電壓和C相電壓波形如圖5所示。圖中，UA表示A相輸出電壓，UB表示B相輸出電壓，UC表示C相輸出電壓，UAB表示A相和B相之間的線電壓。

　　根據(jù)上述分析，如圖6所示，在原有模擬調(diào)壓式三相方波電源基礎(chǔ)上(圖6中右邊電源)，設(shè)計(jì)并制造了新的數(shù)字可調(diào)式電源(圖6中左邊電源)。經(jīng)測(cè)試表明，其頻率穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)，電壓大小精確可調(diào)。

　　4 實(shí)例驗(yàn)證

　　在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用NI-6070多功能輸入輸出卡輸出0～5 V直流電壓至該電源，采用LabVIEW編程調(diào)壓，對(duì)于某型陀螺電機(jī)，電源開機(jī)輸出120 V啟動(dòng)電壓，待電機(jī)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速后，由程序控制電源輸出降為80 V工作電壓，使得電機(jī)正常工作，在運(yùn)行一段時(shí)間后斷開電源，實(shí)驗(yàn)證明，該電源能輸出各種電壓值，輸出精確且時(shí)間無(wú)滯后，運(yùn)行穩(wěn)定，為陀螺電機(jī)的正常運(yùn)行和測(cè)試工作提供保障。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一種陀螺電機(jī)數(shù)字可調(diào)式測(cè)試電源，實(shí)現(xiàn)了電源幅值、頻率的精確數(shù)字可調(diào)，能夠適應(yīng)陀螺電機(jī)不同測(cè)試功能的需要。具有操作性強(qiáng)、可靠性高、方便實(shí)用的特點(diǎn)。該電源已經(jīng)成功應(yīng)用在陀螺電機(jī)聲音信號(hào)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)踐證明該電源運(yùn)行良好。