陀螺羅經三相電源實時監測儀的設計＊

黃顯亮 錢蘭華 陳旺勇 陳華僑

（92956部隊 大連 116041）

1 引言

陀螺羅經不但是艦船及航空器一種十分重要的指向儀器，同時也是多種艦（機）載設備的重要傳感器、信息源［1］。陀螺球是主羅經的核心部件，它的安全運行不但關系到陀螺羅經的安全，而且關系到整個平臺的航行安全及功能的發揮。在諸多威脅陀螺球運行安全的因素中，三相電源相序出現問題導致陀螺球翻球是較為多見的主要故障［2～3］。因此，借助DSP開發技術研制出一種智能化、小型化、輕型化的三相電源實時監測儀，對提高陀螺羅經的安全運行具有十分重要的意義。

2 實時監測儀的設計

在該設計方案中，陀螺羅經三相電源實時監測儀的相序檢測及自動調整過程，是基于DSP控制下由硬件電路和控制軟件共同實現的。

2.1 硬件電路的設計

硬件電路采用基于DSP的硬件系統設計，主要包括電源電路、信號調理電路、A／D轉換電路、相序調整及顯示電路等。控制結構簡圖如圖1所示。

圖1 監測儀DSP控制結構簡圖

首先對被檢電源進行分壓處理，通過運放比較電路后，進入調理電路，經A／D采樣模塊處理，再進入缺相電路的判斷以及對正、逆相序檢測電路進行檢測、判斷，并在顯示屏顯示出相序的檢測結果，DSP依據檢測結果控制五個可控硅的導通與關閉，實現三相電源相序的自動調整達到保護陀螺球的目的。相序監測的實現框圖如圖2所示。

圖2 相序監測框圖

圖2中三相電壓A、B、C經過分壓后分別進入1、2、3引腳，通過對正弦波進行施密特檢測了解信號的存在。采樣后的輸入信號首先送入缺相檢測電路檢測，在缺相狀態下，9腳和8腳皆輸出低電平。如果三相正弦輸入正常，對應A、B、C輸入1、2、3腳的輸出端，12、11、10腳的輸出分別為低電平；當某一相沒有輸入信號時，對應的輸出腳上將有高電平出現，送入DSP進行判斷。根據檢測結果，在不缺相的情況下進入相序檢測電路進行相序判斷，具體表現如下：1）在按照A、B、C順序進入1、2、3腳的情況下，9腳輸出高電平指示正相序；2）在沒有按照A、B、C順序進入1、2、3腳的情況下，8腳輸出高電平指示逆相序。

2.1.1 缺相檢測電路的設計

缺相檢測電路的設計如圖3所示，其工作原理［4］如下：

1）當有三相電壓輸入時，三相電壓波形如圖4所示。將一個周期分為T1、T2、T3、T4、T5、T6，三相電壓之間的關系如表1所示。

圖3 缺相檢測電路圖

表1 三相電壓關系

圖4 三相正常時檢測電路波形圖

（1）在T1內，UA＞UC＞UB，A相電壓最大，B相電壓最小，圖3中的光藕D1和二極管VD5導通，控制信號UC為低電平；（2）在T2內，UA＞UB＞UC，A相電壓最大，C相電壓最小，圖3中的光藕D1和二極管VD4導通，控制信號UC為低電平。依次類推，在T3、T4、T5、T6內，控制信號UC均為低電平，也就是說當有三相電壓輸入時（不缺相），控制信號UC一直處于低電平，缺相告警信號PHFL為低電平，表示三相電源不缺相。

2）當三相電源缺相時（以缺C相為例），此時只有線電壓UAB，在UAB的過零點附近，光藕D1、D2、D3都不導通，此時控制信號UC為高電平，缺相告警信號PHFL為高電平，表示三相電源缺相。

2.1.2 相序檢測電路的設計

相序檢測電路如圖5所示，其工作原理如下：A、B、C分別是三相電源經過降壓后的三相正弦電壓信號，它們之間兩兩相序互差120°。B通過減法器分別減去 A、C得到B－A、B－C信號。1）若B－A超前B－C60°，則表示三相電壓為正相序；2）若B－A滯后B－C60°，則表示三相電壓為逆相序。

2.2 控制軟件的設計

軟件采用模塊化設計，完成的主要功能包括對檢測信號的數據采集、數據處理、相序調整及顯示控制等。

首先完成DSP的初始化，啟動A／D轉換電路，DSP事件管理器的捕獲單元在捕獲引腳上出現跳變時被觸發。當捕獲單元使能后，控制數據采集單元完成4個周期的數據采集，求平均值作為最終的測量值。然后控制數據處理單元對所采集的數據進行處理，判斷是否缺相。1）如果缺相，則控制5個可控硅均不導通，切斷三相電源，并控制顯示器顯示檢測結果；2）如果不缺相，則進行相序判斷，根據相序檢測結果控制相應的可控硅導通，完成相序調整，并控制顯示器顯示檢測結果。軟件控制流程［5～6］如圖6所示。

圖5 相序檢測電路圖

圖6 軟件控制流程圖

3 測試試驗

樣機研制完成后，在不同環境、不同電壓、不同頻率下進行了基本性能和實際應用試驗，包括正、逆相序及缺相等三種情況，試驗結果如圖7～圖9所示。顯示的設計方案如下：1）如果所檢測三相電路正常，且為正相序，則顯示L1L2L3順時針旋轉，并提示正確信息“R”；2）如果所檢測三相電路正常，而為逆相序，則顯示L2L1L3逆時針旋轉，并提示逆相序信息“L”，進行相序調整；3）如果所檢測三相電路中的某一相或某兩相缺相時，則顯示出缺相情況（圖9中是以缺B相為例），關閉可控硅，切斷電源。

圖7 正相序

圖8 逆相序

圖9 缺B相

4 結語

經過性能測試及相關單位的試用表明：該三相電源實時監測儀無論從檢測的準確性，還是工作的穩定性等方面均達到了設計要求，具有檢測速度快、操作使用簡單直觀、性能穩定可靠，可有效預防由于三相電源相序故障導致的陀螺球翻球。

［1］任茂東.船用陀螺羅經［M］.大連：大連海事學院出版社，1993.

［2］韓云東.電羅經故障診斷的案例推理原理與方法研究［J］.中國航海，2010（4）.

［3］金志華，田蔚風.陀螺羅經精密電源系統［J］.船舶工程，1991（1）.

［4］林輝，王輝.電力電子技術［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2002.

［5］張衛寧.TMS320C2000系列DSPs原理及應用［M］.北京：國防工業出版社，2002.

［6］寧改娣，楊栓科.DSP控制器原理及應用［M］.北京：科學出版社，2002.

［7］李利.DSP原理及應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［8］彭啟琮，李玉柏.DSP技術［M］.成都：電子科技大學出版社，1997.