高曉琴

(西安航天精密機(jī)電研究所，西安710100)

?

變壓器隔離式高精度陀螺儀表直流溫控系統(tǒng)

高曉琴*

(西安航天精密機(jī)電研究所，西安710100)

摘要:液浮陀螺儀表對溫度十分敏感，采用高精度溫控系統(tǒng)能有效改善和提高液浮陀螺儀表的性能指標(biāo)，為此，研制了一種變壓器隔離式高精度陀螺儀表直流溫控系統(tǒng):該系統(tǒng)采用溫度采集電路控制調(diào)壓電路(即DC－DC電源變換電路)的輸出直流電壓(即加溫電壓)的特性，以實現(xiàn)溫控功能，溫控精度高達(dá)0.004℃。試驗證明該方法可行。

關(guān)鍵詞:直流溫控;變壓器隔離;調(diào)壓;溫度采集;電路

高精度的溫度控制是高精度液浮陀螺關(guān)鍵問題之一，所以高精度溫控系統(tǒng)的研究成為高精度液浮陀螺的一個重要課題，液浮陀螺對溫度十分敏感主要表現(xiàn)在: (1)浮液溫度波動，使輸出軸承產(chǎn)生隨機(jī)摩擦力矩; (2)溫度變化引起浮子組件質(zhì)心位移，結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力、力矩器磁缸磁性能產(chǎn)生變化; (3)浮液軸向與徑向溫度梯度產(chǎn)生對流力矩，是陀螺產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)常值漂移力矩。因此，陀螺溫度控制要求:浮液溫度控制在允許工作溫度精度內(nèi)，溫度場要均勻，并對其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。為此，采用溫度采集電路和DC －DC變換技術(shù)，研制了一種高精度直流溫控電路，對溫控系統(tǒng)進(jìn)行了精心設(shè)計，包括選擇性能穩(wěn)定的鉑熱敏感元件、低漂移高輸入阻抗的前置放大器并合理設(shè)計了隔離變壓器及濾波電感器參數(shù)，經(jīng)試驗證明溫控精度高，性能穩(wěn)定，具一定的實用價值。

1　變壓器隔離式直流溫控系統(tǒng)的組成

1.1溫度采集電路

為了保證溫度采集電路精度，熱敏感電阻采用性能穩(wěn)定的鉑電阻，在整個溫度范圍內(nèi)線性度良好，但鉑電阻溫度系數(shù)小，故使溫控精度受到限制，在前置放大器中提高放大倍數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償;為了減小引線電阻的影響，電橋與鉑電阻采用三線制接法，電橋中其他電阻采用RCK電阻精密電阻器，前置放大器采用低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。

1.2脈寬調(diào)制器

為了保證溫控精度，選用SG1525AJ脈寬調(diào)制器，內(nèi)部設(shè)置5.1 V±1%精度基準(zhǔn)源。電路設(shè)置欠壓鎖定，當(dāng)輸入電壓低于正常工作電壓時，關(guān)斷輸出脈沖，PWM比較器后設(shè)置鎖存器，防止一個周期內(nèi)多個脈沖輸出。溫度采集電路輸出信號作為脈寬調(diào)制器的輸入信號，控制脈寬調(diào)制器同時產(chǎn)生兩路相差180°的調(diào)寬方波送給隔離變壓器。

1.3隔離變壓器

隔離變壓器在電路中既起到功率傳遞的目的，同時起到溫控系統(tǒng)供電電源與加溫電源的隔離作用，提高了整個溫控系統(tǒng)的抗干擾能力，使溫控系統(tǒng)采用單電源供電也具有高的溫控精度。變壓器的參數(shù)設(shè)計決定了整個溫控系統(tǒng)的最大加溫功率。而且，可以有效控制溫控系統(tǒng)超調(diào)量、快速性及穩(wěn)定時間。

1.4整流濾波

確保溫控系統(tǒng)加熱片加溫電壓平穩(wěn)，無波動，輸出低紋波的直流電壓，提高溫控精度，采用了經(jīng)全橋整流及電感和電容濾波，對濾波電容、電感參數(shù)進(jìn)行了多次實驗驗證，使加溫電壓紋波在精度要求范圍之內(nèi)。當(dāng)溫度穩(wěn)定在欲設(shè)值以后，加溫電流為直流(即溫控系統(tǒng)發(fā)熱量與散熱量達(dá)到平衡時，系統(tǒng)為恒壓、恒流加溫，不會在陀螺儀表周圍空間產(chǎn)生周期變化磁場)。

2　直流溫控系統(tǒng)電路

直流溫控系統(tǒng)是一個利用溫度信號控制直流電壓的，負(fù)反饋溫度控制系統(tǒng)，加溫功率為直流線性變化功率，其原理框圖，如圖1所示。

圖1　變壓器隔離式慣性儀直流溫控系統(tǒng)框圖

2.1溫度采集電路

溫度采集電路如圖2所示，R5*用來調(diào)整溫控系統(tǒng)放大倍數(shù)即改變系統(tǒng)響應(yīng)快速性，根據(jù)系統(tǒng)綜合指標(biāo)合理設(shè)置R5*，可以補(bǔ)償鉑熱敏電阻溫度系數(shù)小的缺點(diǎn)。運(yùn)放選用高精度F07 A:輸入偏置電流為±0.7 nA，輸入差模阻抗為80 MΩ，輸入共模阻抗為200 GΩ，超低失調(diào)電壓10 μV、超低失調(diào)電壓漂移0.2 μV/℃，不需要外部元件調(diào)整，是一種低噪聲的雙極性運(yùn)算放大器，高精度特性使它特別適用于放大傳感器的微弱信號。

圖2　溫度采集電路原理

2.2調(diào)壓電路(DC－DC電源變換電路)

調(diào)壓電路是由脈寬調(diào)制器、隔離變壓器、整流濾波等組成。調(diào)壓電路詳細(xì)工作原理如圖3所示。

圖3　調(diào)壓電路原理圖

調(diào)壓電路是整個溫控系統(tǒng)的核心，溫度信號控制加溫功率線性變化的功能由該部件實現(xiàn)。其控制過程為:隨著陀螺儀溫度的變化，引起脈寬調(diào)制器輸出的兩路相差180°的方波的變化，使用該調(diào)寬方波推動兩個VMOS管工作，VMOS管帶動隔離變壓器工作，再經(jīng)全橋整流及電感和電容濾波后變成低紋波的直流電壓，該電壓作用于加熱片。溫度采集電路將當(dāng)前實時溫度不斷反饋給脈寬調(diào)制器輸入端，重復(fù)上述過程，最終實現(xiàn)陀螺儀溫度精確控制功能。調(diào)壓電路(DC－DC電源變換電路)輸出電壓及其紋波由隔離變壓器、整流橋和濾波電路決定，合適的參數(shù)設(shè)計可以有效提高溫控精度。

3　變壓器隔離式直流溫控系統(tǒng)的測試與結(jié)果

變壓器隔離式高精度直流溫控系統(tǒng)，分別在低溫(－40℃)、常溫(23℃)、高溫(55℃)情況下進(jìn)行了環(huán)境可靠性試驗(將溫度控制電路與陀螺儀表同時置于溫箱內(nèi)，并用導(dǎo)線引出陀螺儀內(nèi)置測溫電阻至溫箱外，用數(shù)字萬用表測試并記錄測溫電阻阻值，該阻值能實時反應(yīng)液浮陀螺儀溫度)，溫箱顯示到溫后保溫2 h，給該溫控系統(tǒng)通電，通電12 min后，測得溫控精度分別為: 0.004℃、數(shù)據(jù)不變、0.004℃，將實驗記錄數(shù)據(jù)(測溫電阻阻值與時間)繪制響應(yīng)曲線如圖4所示;全溫范圍內(nèi)溫控精度為±0.5℃。該系統(tǒng)精度高、加溫功耗小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定時間短、超調(diào)小。

圖4　變壓器隔離式高精度直流溫控系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)圖

4　結(jié)束語

利用溫度采集電路控制脈寬調(diào)制器輸出波形的方法和利用變壓器隔離及電能轉(zhuǎn)換的特性，實現(xiàn)對高精度慣性儀的直流溫控功能。以線性變化功率實現(xiàn)加溫，不會在陀螺儀表周圍產(chǎn)生交變磁場，同時避免了開關(guān)式控制加溫功率使液浮溫度場周期變化的問題。經(jīng)試驗驗證低溫、常溫、高溫三種情況下測試溫控精度分別為: 0.004℃、數(shù)據(jù)不變及0.004℃;全溫范圍內(nèi)溫控精度為±0.5℃。本系統(tǒng)利用溫度采集電路控制調(diào)壓電路是一種新的溫控方式，該電路可推廣至物理實驗或其他領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn):

［1］梁波，譚新洪.MEMS慣性測量裝置溫度控制技術(shù)研究［J］.航天控制，2010(3) : 89－91.

［2］賀永，傅建中，陳子辰.熱壓成型裝備精密溫控研究［J］.光學(xué)精密工程，2008(5) : 845－850.

［3］余麗霞，馬社，崔云俊.小型高精度恒溫箱設(shè)計［J］.電子世界，2012年(8) : 102－103.

［4］鄒莉.基于MSP430F149單片機(jī)的實驗用溫控對象模擬器的設(shè)計［J］.黃石理工學(xué)院學(xué)報，2011(4) : 2.

［5］李國強(qiáng)，耿利寅，童葉龍.航天器銣鐘的一種精密控溫系統(tǒng)［J］.航天器工程，2011(7) : 4.

［6］牟永鵬，黃梅珍，黃晉卿.小型快速響應(yīng)恒溫樣品池設(shè)計［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2009(8) : 8.

［7］候志林.過程控制與自動化儀表［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［8］王兆安，張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

高曉琴(1977－)，女，漢族，陜西延安人，陜西蒼松機(jī)械廠工程師，主要從事電路設(shè)計與分析，1216928837@ qq.com。

Design of a 3.3 V Low Supply Voltage 1553B Bus Transceiver*

YIN Qin1，YU Zongguang1，2*，WEI Jinghe1，2，HU Shuigen2
(1.School of Internet of Things，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China;
2.China Electronics Technology Group Corporation，No. 58 Research Institute Wuxi Jiangsu 214035，China)

Abstract:A system structure of bus transceiver based on 1553B bus is presented，and a 3.3 V low supply voltage 1553B bus transceiver which dynamic power dissipation is decreased effectively is designed.The simulation and test results show that all the transmitting and receiving function of this bus transceiver are realized with 3.3 V supply voltage.The maximum dynamic power dissipation of 100% duty transmitter cycle is 0.5 W，which declines 1.7 W compared to the 5 V supply voltage 1553B bus transceiver.The chip is fabricated at 0.5 μm DPTM BCD(15 V) CMOS processes，and is adopted in low supply voltage 1553B bus product.

Key words:transceiver; low power dissipation; low voltage supply; 1553B bus

中圖分類號:O318; V241.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0643－03

收稿日期:2014－06－06修改日期: 2014－07－30

doi:EEACC: 121010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.035