夏紅梅，金云翔，夏俊杰

（1.海軍兵種指揮學(xué)院 訓(xùn)練部模擬訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510430；2.海軍工程大學(xué) 導(dǎo)航工程系，湖北 武漢 430033）

陀螺電機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，廣泛運用于艦船導(dǎo)航和各種武器系統(tǒng)中[1]。陀螺電機的性能好壞，將直接影響陀螺儀的性能以及整個慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度[2-3]，因此，對于陀螺電機供電電源的設(shè)計顯得十分重要，其電壓、頻率穩(wěn)定度等都直接影響電機的工作精度。

為了模擬實際裝備中陀螺電機升壓啟動、降壓工作的啟動方式，以及在不同電源頻率和電壓下對陀螺電機的工作性能進行測試分析，本文在普通三相方波電源的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種陀螺電機專用數(shù)字可調(diào)式測試電源，并通過測試實驗進行了實用性及可靠性驗證。

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

圖1為三相方波電源電路原理圖。其中，220 V/50 Hz交流電為該電源提供能量，通過AC/DC變換，輸出最高達200 V的直流電平；16位并行信號是來自于計算機產(chǎn)生的控制信號，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晶振產(chǎn)生3.84 MHz的信號，將此頻率信號先后分別進行分頻、分相、驅(qū)動，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。

3 電路設(shè)計

1）AC/DC變換 AC/DC變換器采用FDPS開關(guān)電源[4-6]。該開關(guān)電源基本工作原理及基本電路框圖如圖2所示。

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直流電壓信號調(diào)整PWM波脈沖寬度的大小，進而調(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個輸入，1個輸出。一個輸入為220 V/50 Hz交流電；另一個輸入為0～5 V的直流電壓信號，其作用是調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，從而進一步調(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)滿足該電源對頻率信號的要求。

表1 3.84 MHz溫度補償石英晶體振蕩器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 3.84MHz crystal oscillator temperature compensation specifications

3）分頻、分相電路 分頻電路采用雙4位可編程計數(shù)器MC14569及12狀態(tài)二進制計數(shù)器MC14040的組合電路實現(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位可編程計數(shù)器 MC14569的P7～P0引腳，將晶振輸出的3.84 MHz頻率信號分頻20倍，輸出192 kHz脈沖頻率信號，該信號占空比為5%。將192 kHz脈沖頻率信號通過12狀態(tài)二進制計數(shù)器MC14040，在Q5引腳輸出占空比為50%的6 kHz頻率信號，在Q6引腳輸出占空比為50%的3 kHz在頻率信號。通過2選1開關(guān)，在6 kHz和3 kHz選擇一種頻率信號，并將所選擇的信號連接至環(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個引腳上輸出3路1 kHz或500 Hz頻率信號，該信號占空比為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，頻率穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、相位精確，滿足電源對頻率信號的要求。

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

由于CH250B輸出的信號的電流較小，一般為5～10 mA，因此需要將信號的電流進行放大，以便驅(qū)動后續(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，否則電感會發(fā)熱，嚴(yán)重時會損壞電感元件，因此信號需要隔直后才能加在電感兩端，圖4中C2、C3是兩個隔直電容。

A點是環(huán)形脈沖分配器CH250B輸出的1 kHz頻率信號，高電平約為12 V，低電平則為0 V。經(jīng)過隔直電容C2作用，頻率信號中的直流成份不通過C2，因此在B點高電平約為6 V，低電平約為-6 V。在C點，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，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)動功率放大電路中的一對橋臂。

5）開關(guān)功率放大電路 開關(guān)功率放大電路采用6個電力晶體管和6個二極管組合實現(xiàn)。通過三相驅(qū)動信號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)測試表明，其頻率穩(wěn)定度高、抗干擾能力強，電壓大小精確可調(diào)。

4 實例驗證

在實驗室條件下，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，對于某型陀螺電機，電源開機輸出120 V啟動電壓，待電機進入同步轉(zhuǎn)速后，由程序控制電源輸出降為80 V工作電壓，使得電機正常工作，在運行一段時間后斷開電源，實驗證明，該電源能輸出各種電壓值，輸出精確且時間無滯后，運行穩(wěn)定，為陀螺電機的正常運行和測試工作提供保障。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種陀螺電機數(shù)字可調(diào)式測試電源，實現(xiàn)了電源幅值、頻率的精確數(shù)字可調(diào)，能夠適應(yīng)陀螺電機不同測試功能的需要。具有操作性強、可靠性高、方便實用的特點。該電源已經(jīng)成功應(yīng)用在陀螺電機聲音信號在線監(jiān)測系統(tǒng)中，實踐證明該電源運行良好。

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