陀螺電機數字可調式測試電源設計

夏紅梅，金云翔，夏俊杰

（1.海軍兵種指揮學院 訓練部模擬訓練中心，廣東 廣州 510430；2.海軍工程大學 導航工程系，湖北 武漢 430033）

陀螺電機是慣性器件陀螺儀的主要構成部分，而陀螺儀是慣性導航系統的核心元件，廣泛運用于艦船導航和各種武器系統中[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系統的導航精度[2-3]，因此，對于陀螺電機供電電源的設計顯得十分重要，其電壓、頻率穩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上，設計了一種陀螺電機專用數字可調式測試電源，并通過測試實驗進行了實用性及可靠性驗證。

1 主要技術指標

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（電壓）；1 KHz/500 Hz（頻率）；頻率穩定度小于0.1 Hz；相位差為120°±0.5°。

2 方案設計

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生3.84 MHz的信號，將此頻率信號先后分別進行分頻、分相、驅動，以控制開關功率器件的導通和關斷。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內線性可調的方波信號。

3 電路設計

1）AC/DC變換 AC/DC變換器采用FDPS開關電源[4-6]。該開關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直流電壓信號調整PWM波脈沖寬度的大小，進而調節開關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，其作用是調節PWM脈沖寬度，從而進一步調節開關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，其技術指標如表1所示，各技術指標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指標Tab.1 3.84MHz crystal oscillator temperature compensation specifications

3）分頻、分相電路 分頻電路采用雙4位可編程計數器MC14569及12狀態二進制計數器MC14040的組合電路實現；分相電路采用環形脈沖分配器CH250B，如圖3所示。

通過設定雙4位可編程計數器 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狀態二進制計數器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，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形脈沖分配器CH250B。設置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）驅動電路 三相驅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，以便驅動后續電路中的元器件。電流互感器為電感元件，電感兩端不能含有直流成份，否則電感會發熱，嚴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中標注。因此VuP與VuN的頻率相同，但是其相位差為180°，可分別驅動功率放大電路中的一對橋臂。

5）開關功率放大電路 開關功率放大電路采用6個電力晶體管和6個二極管組合實現。通過三相驅動信號控制電力晶體管的導通和關斷，將開關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。

根據上述分析，如圖6所示，在原有模擬調壓式三相方波電源基礎上（圖6中右邊電源），設計并制造了新的數字可調式電源（圖6中左邊電源）。經測試表明，其頻率穩定度高、抗干擾能力強，電壓大小精確可調。

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，運行穩定，為陀螺電機的正常運行和測試工作提供保障。

5 結束語

本文設計了一種陀螺電機數字可調式測試電源，實現了電源幅值、頻率的精確數字可調，能夠適應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。該電源已經成功應用在陀螺電機聲音信號在線監測系統中，實踐證明該電源運行良好。

[1]秦永元.慣性導航[M].北京:科學出版社，2005.

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[4]邱關源.電路[M].北京:高等教育出版社，1999.

[5]劉祖剛.模擬電路分析與設計基礎[M].北京:機械工業出版社，2008.

[6]康華光.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，1995.