某型空空導彈二次電源深度修理

■ 程蒙蒙 高懷平 孫萍 白洪梅/國營洛陽丹城無線電廠

某型空空導彈飛控艙慣性測量分組件二次電源為慣性控制系統各組件供電,其輸出端設有電流去耦,具有很強的抗不穩定和抗波動能力。該電源是慣性測量分組件的唯一供電電源,但其故障率較高,如無額定直流電壓輸出、三相電超差等。由于缺乏二次電源的相關資料,給故障分析和修理帶來很大困難,導致常見故障一直沒有得到很好地解決。

1 二次電源組成、原理與功能

二次電源主要為陀螺、陀螺馬達及線路供電,分為三個板塊：陀螺電源逆變器板（16號板）、陀螺馬達供電電路板（17號板）和陀螺線路供電電路板（18號板）,如圖1所示。

圖1 二次電源電路

圖2 陀螺電源逆變器板塊原理圖

1.1 陀螺電源逆變器板的原理與功能

陀螺電源逆變器板生成三相22V/1200Hz的交流電壓,經差分限幅電路向慣性測量分組件的三軸陀螺組合供電,其原理如圖2所示。

陀螺電源逆變器板塊由時鐘源、計數器、ROM、移位寄存器、他激振蕩電路、三相22V/1200Hz輸出電路構成。+27V激勵電壓作為他激振蕩電路的輸入電源,為了使輸出的交流電頻率穩定和相位角對稱,采用他激振蕩方式把直流電轉換成交流電。他激振蕩的時鐘源由晶振G01PГ-05和三個與非門共同組成,其電路原理圖如圖3所示,簡化的電路原理圖如圖4所示。

假設起始輸入的脈沖為高電平Ui,其波形為圖5的(1)所示。經過第一個與非門輸出為Ua的波形,如圖5中(2)所示,其輸出相位較輸入Ui相位變化了180?。又經過一個耦合電容,經過第二與非門輸出為Ub的波形如圖5中(3)所示,其輸出相位較輸入Ua相位變化了180?,Ub的相位較初始輸入Ui相位變化了360?,即φi+φf=2nπ，滿足相位平衡條件為正反饋條件,而G01為晶振。方波振蕩電路由正反饋網絡和放大電路組成,上述條件剛好滿足晶振不間斷地產生他激振蕩,產生方波信號。

圖3 時鐘源原理圖

圖4 時鐘源原理圖簡化圖

圖5 時鐘源輸出信號波形

圖6 К133ИP13輸出6路觸發信號

圖7 三相電輸出波形

時鐘源輸出的U0,波形如圖5中(4)所示,通過三個4位異步二進制計數器U09、U11、U12的幾次分頻,最后U11、U12的8路輸出接到К556PT5的八位地址端,作為К556PT5的八位地址緩沖,通過其本身譯碼電路以及存儲矩陣處理讀出數據Y0～Y7。

Y0～Y7的每一路接入一個總電阻值為1K的上拉變阻器,然后接入К133ИP13（8位可逆移位寄存器）的輸入端A～H,通過К133ИP13內部電路處理輸出端輸出6路觸發信號,對其進行信號采集,輸出信號如圖6所示。

從圖6可以看出,在К133ИP13輸出端輸出的6路觸發信號中,4路與6路、8路與10路、14路與16路相位差為180?,4路、8路、14路相位差分別為120?,同樣,6路、10路、16路的相位差也分別為120?。4路與6路、8路與10路、14路與16路觸發形成三組控制信號,采用180?的控制方式控制他激振蕩電路,+27V激勵電壓作為他激振蕩電路的輸入電源,振蕩放大后產生幅度相等（13.5V）、頻率一定(1200Hz)的三相電,各相開始導電的角度依次相差120?。對其進行信號采集,相電壓波形圖如圖7所示。

假設該電源電路的中心點為N',用U、V、W表示三相電的三端,則電源相電壓分別為uUN、uVN、uWN'。負載線電壓 uUV、uVW、uWU可由下式求出。

把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數,得到：

式中n=6k±1,k為自然數,ω=2π/T=2πf,V0=27V 。

輸出線電壓UUV有效值為：

因此,陀螺電源逆變器板為慣性測量分組件三軸陀螺組合提供三相22V/1200Hz交流電。

1.2 陀螺馬達供電電路板的原理與功能

陀螺馬達供電電路板提供加速度以及供陀螺阻尼回路使用的二次電壓,其原理圖如圖8所示。該電路板由穩壓電路、他激振蕩電路、變壓模塊、整流濾波電路構成。

來自陀螺線路供電電路板的20V直流電作為陀螺馬達供電電路板他激振蕩電路的輸入電源,兩路觸發信號（相位差為180?）作為他激振蕩的控制信號（圖9所示）,經振蕩放大后形成一定頻率、幅值的交流電,如圖10所示。該交流電壓送入隔離變壓器T01,進行隔離變換,如圖11所示。

經過變壓器T01隔離變換,生成±5V、±18V、±15V、±70V交流電,再經過整流濾波電路輸出供加速度以及陀螺阻尼回路使用的二次電壓,為陀螺信號處理電路、溫控電路提供+5V、+18V、-18V、+15V、-15V直流電源；為陀螺供電控制板提供-18V直流電源；為陀螺阻尼回路提供+70V、-70V激勵。

圖8 陀螺馬達供電電路板塊原理圖

圖9 兩路觸發信號

圖10 振蕩后的±20V交流電

圖11 變壓器T01

圖12 陀螺線路供電電路板原理圖

1.3 陀螺線路供電電路板的原理與功能

陀螺線路供電電路板為陀螺電源逆變器板、陀螺馬達供電電路板供電,原理圖如圖12所示,主要由穩壓電路、自激振蕩電路、變壓模塊和整流濾波電路構成。其原理與陀螺馬達供電電路板原理相似,以外界給入的27V加電、加溫電壓作為輸入電源,自激振蕩電路與變壓器生成±5V交流電、20V直流電與兩路觸發信號；20V直流電經過功率放大器輸給陀螺馬達供電電路板,作為他激振蕩電路輸入電源；兩路觸發信號也輸入陀螺馬達供電電路板,作為他激振蕩電路的控制信號,±5V交流電通過整流濾波電路生成+5V直流電輸入陀螺電源逆變器板塊,供計數器和寄存器等器件使用。另外,該板還將外界給入的27V加溫電壓供給陀螺電源逆變器板塊,作為他激振蕩電路的輸入電源。

2 二次電源故障分析及修理

二次電源典型故障模式有：直流電無輸出；三相電中某相超差；27V加溫電流不穩定。

2.1 直流電無輸出故障分析與修理

用中頻組件檢測系統對直流電無輸出故障產品的慣性測量分組件進行測試,顯示陀螺輸出參數不合格。拆下慣性測量分組件的二次電源,用控制組合電路板測試臺單獨對慣性測量分組件二次電源進行供電測試。該二次電源在正常輸入DC 27V電壓時,無額定直流電壓輸出。由原理分析可知,故障的可能原因為：1）慣性測量分組件二次電源陀螺馬達供電電路板出現故障；2）陀螺線路供電電路板故障。

陀螺馬達供電電路板的主要組成模塊是他激振蕩模塊、變壓器、整流濾波電路模塊。整流濾波電路是對變壓器輸出的電壓進行整流濾波；變壓器起到了功率傳遞、電壓變換等作用,而它的電壓輸入端是他激振蕩模塊；他激振蕩模塊是生成交流電并對交流電脈寬、頻率進行調制的電路,該模塊的輸入電源由陀螺線路供電電路板提供。

圖13 三極管VT07、VT09、VT10的引腳輸出波形

表1 同類型三極管壓降比較

表2 更換后同類型三極管壓降比較

對故障產品進行逐次排查,首先使用萬用表測量陀螺馬達供電電路板和陀螺線路供電電路板的三極管和二極管導通情況,無明顯異常后對連接電纜通斷情況進行檢查,無異常后對二次電源進行加電測試。用示波器采集陀螺馬達供電電路板他激振蕩模塊的輸入端電壓,電壓輸入正常,說明陀螺線路供電電路板塊無故障；采集高頻變壓器的輸入端電壓信號波形,有電流無波形,采集高頻變壓器輸出端電壓信號波形,有電流無波形,說明高頻變壓器線圈正常工作,但未給進初始電壓。根據上述情況,可判定為高頻變壓器前級電路部分出現故障。

對變壓器的前級電路進行排查。在通電的情況下,采集他激振蕩模塊中三極管VT07、VT08、VT09、VT10的輸出波形,發現PNP型三極管VT08的b、e、c腳均有波形輸出,而VT07、VT09、VT10的b、e腳有波形輸出,c腳無波形輸出；不通電情況下測量三極管的導通壓降正常,將異常三極管拆卸后進行測量,發現VT07、VT09、VT10不導通,經確定由于該部分電路存在外電路,導致不通電時三極管壓降無異常而誤認為正常,故判斷三極管VT07、VT09、VT10故障。

更換三極管VT07、VT09、VT10后用萬用表測量,三極管壓降正常,對連接電纜通斷情況進行檢查,檢查無異常后對二次電源進行加電測試,測試結果如圖13所示,電壓輸出正常。

2.2 三相電超差、27V加溫電流不穩定

用中頻組件檢測系統對產品的慣性測量分組件進行測試,陀螺不能正常工作。拆下慣性測量分組件的二次電源,用控制組合電路板測試臺單獨對慣性測量分組件二次電源進行供電測試,該二次電源在正常輸入DC 27V電壓時,三相電中有一相輸出超差,且27V加溫電流跳動頻率過快。根據電路原理分析可知：1）陀螺電源逆變器板是把+27V直流電壓變成三相22V/1200Hz的交流電,經差分限幅電路分別輸出A、B、C三相交流電壓,向慣性測量分組件的三軸陀螺組合供電,此板故障將導致三相電輸出超差；2）陀螺電源逆變器板所需+27V直流電、供電路板上器件工作的+5V電壓均來自陀螺線路供電電路板,若陀螺線路供電電路板故障,輸出信號不合格,可能造成27V加溫電流不穩定,同時也會使陀螺電源逆變器板的輸入輸出均不合格,從而影響三相電輸出。

對連接電纜通斷情況進行檢查,無異常后對二次電源進行加電測試,用示波器采集陀螺電源逆變器板他激振蕩電路的輸入端即移位寄存器的輸出端信號,輸出波形正常,說明時鐘源、計數器、ROM、移位寄存器正常。對該振蕩電路輸出端的三極管（VT01、VT02、……、VT06）在不通電情況進行測量,測量結果如表1所示。

通過對比發現表1中PNP型三極管VT03、VT04的cb和ce間的壓降與其他三極管相比均不正常,因此判斷三極管VT03、VT04故障。更換PNP型三極管VT03、VT04,用萬用表測量更換后三極管壓降,如表2所示,測量正常后對連接電纜通斷情況進行檢查,無異常后對電源盒進行加電測試,三相電輸出正常。

表3 不同產品同一型號二極管壓降比較

表4 更換后不同產品同一型號二極管壓降比較

27V加溫電壓由外部供給,經過陀螺線路供電電路板塊,參與電壓的變換后供給陀螺電源逆變器板。在不通電的情況下測量陀螺線路供電電路板塊與27V加溫電壓有關的整流濾波電路中二極管VD29、VD30,與其他同類型正常二極管比較,結果如表3所示（編號1和2為正常產品,編號3為故障產品）。從表3中可以看出,故障產品的VD30壓降過大,因此判斷二極管VD30故障。

更換二極管VD30,用萬用表測量更換后二極管壓降,如表4所示（編號1和2為正常產品,編號3為修理后故障產品）,測量正常后對連接電纜通斷情況進行檢查,檢查無異常后對二次電源進行加電測試,+27V加溫電流為0.509A,輸出穩定。

3 總結

通過對二次電源進行數據采集、電路圖測繪等工作,對每個電路板塊工作原理進行了分析,理清了其與外部電路的關系。針對二次電源的典型故障進行分析、定位及深度修理,降低了該類產品的修理成本,提高了修理效率,解決了修理難題。要注意的是,二次電源故障可能并非其自身原因,與其相關聯的用電單元有密不可分的關系,在修理二次電源的同時,應檢查與二次電源相關聯的電路、元器件是否存在故障,確定指標都達標后再與二次電源一起通電使用。

[1] 趙濤,張春曉.空空導彈電源系統的現狀與未來[J],科技信息,2011 (16) :376-377.

[2] 趙磊.三相逆變陀螺的研究與設計[D].哈爾濱工程大學.2004.