脈沖調(diào)頻式飛機(jī)電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)研究

盧建華 ，郝凱敏 ，馬 晨 ，李 運(yùn)

（1.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，煙臺(tái) 264001；2.91362部隊(duì)，舟山 316200；3.海軍駐貴陽(yáng)地區(qū)軍事代表室辦事處航空總體辦公室，貴陽(yáng) 561000）

飛機(jī)電源品質(zhì)關(guān)系著飛機(jī)上用電設(shè)備的安全與性能的發(fā)揮，隨著飛機(jī)的更新以及機(jī)載用電設(shè)備的換代，機(jī)載用電設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)提出了更高的要求。為了提供高品質(zhì)的工作電源，一般通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)激磁機(jī)的激磁電流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)。而集成電路由于具有體積小，誤差小，調(diào)節(jié)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，集成化、智能化的電壓調(diào)節(jié)器成為飛機(jī)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的發(fā)展趨勢(shì)。

1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器的基本原理

晶體管電壓調(diào)節(jié)器是以大功率晶體管為基礎(chǔ)，將激磁繞組與大功率晶體管串接，通過(guò)控制晶體管的導(dǎo)通比，實(shí)現(xiàn)對(duì)激磁繞組中激磁電流的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)。其等效電路如圖1所示。

設(shè)導(dǎo)通時(shí)通過(guò)晶體管電流為ion，截止時(shí)通過(guò)晶體管電流為ioff，根據(jù)晶體管導(dǎo)通與截止期間電壓平衡方程可以得到ion、ioff的表達(dá)式。從而可以得出一個(gè)周期內(nèi)激磁電流Ijj的平均值：

圖1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器原理圖Fig.1 Schematic diagram of transistor voltage regulator

式中：t1為晶體管導(dǎo)通時(shí)間；t2為晶體管截止時(shí)間；σ為控制晶體管脈沖波的導(dǎo)通比。

由式（1）、式（2）可以得出，通過(guò)激磁電流 Ijj與導(dǎo)通時(shí)間或?qū)l率成正比。因此控制激磁電流的方法有兩種，第一種方法是保持導(dǎo)通頻率不變，改變導(dǎo)通時(shí)間，即脈沖調(diào)寬式電壓調(diào)節(jié)[1]；第二種方法是保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變導(dǎo)通頻率，即脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)中采用第二種方法，即脈沖調(diào)頻式來(lái)調(diào)節(jié)電壓。

2 總體方案設(shè)計(jì)

基于集成電路脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器總體方案[2]如圖2所示。其由電壓敏感電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路組成。

圖2 脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器總體方案Fig.2 General scheme diagram of Pulse FM voltage regulator

圖中UF為交流發(fā)電機(jī)輸出電壓；Uav為三相電壓敏感電路輸出的平均電壓；f為壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出方波的頻率；Wjj為交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)的激磁線(xiàn)圈。

總體方案設(shè)計(jì)思路：電壓敏感電路通過(guò)敏感發(fā)電機(jī)輸出電壓UF，輸出一個(gè)與發(fā)電機(jī)電壓UF平均值成正比的電壓信號(hào)Uav，該電壓信號(hào)輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路中產(chǎn)生頻率與電壓敏感電路電壓Uav成正比的方波信號(hào)，該方波信號(hào)輸入到功率放大電路中，產(chǎn)生電流值與方波頻率成反比例系數(shù)的激磁電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓隨外界因素而電壓升高時(shí)，經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生頻率較高的方波，經(jīng)過(guò)功率放大電路，產(chǎn)生電流值較小的激磁電流，使得發(fā)電機(jī)電壓降低；而當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓隨外界因素而電壓降低時(shí)，經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生頻率較低的方波，經(jīng)過(guò)功率放大電路，產(chǎn)生電流值較大的激磁電流，從而使得發(fā)電機(jī)輸出電壓升高。

3 詳細(xì)電路設(shè)計(jì)

3.1 電壓敏感電路設(shè)計(jì)

電壓敏感電路是調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的基礎(chǔ)。飛機(jī)上常采用平均相電壓敏感電路或最高相電壓敏感電路。為了克服以往平均相電壓敏感電路無(wú)法避免短路相影響以及最高相電壓敏感電路無(wú)法監(jiān)測(cè)最高相以外兩相相電壓的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中提出一種改進(jìn)型的平均相電壓電壓敏感電路。

設(shè)計(jì)中電壓敏感電路采用基于A(yíng)D536的有效值轉(zhuǎn)換電路來(lái)檢測(cè)每一相的相電壓，再將三相電壓的電壓測(cè)量值取平均值，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出電壓的功能。需要指出的是，經(jīng)過(guò)變壓電路以及有效值轉(zhuǎn)換電路得到的輸出電壓變化范圍很小，僅為（n2ΔUF）/n1，過(guò)小的電壓增益不利于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此在有效值電路后級(jí)加入倍壓電路。綜合考慮后級(jí)壓頻轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入電壓的要求，在倍壓電路之前加一級(jí)減法電路。鑒于飛機(jī)發(fā)電機(jī)三相電壓基本對(duì)稱(chēng)，因此倍壓電路接在加法電路與壓頻轉(zhuǎn)換電路之間最為恰當(dāng)。

其中，每一相的電壓敏感電路由變壓電路、有效值轉(zhuǎn)換電路、減法電路組成。圖3所示的電路是用來(lái)檢測(cè)飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出三相電壓中某一相電壓的電路。

為了將強(qiáng)電與弱電分離，在發(fā)電機(jī)輸出端與有效值轉(zhuǎn)換電路之間接入合適的變壓器，使變壓后的電壓適合后級(jí)有效值轉(zhuǎn)換電路輸入電壓要求。由于飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出電壓變化范圍不超過(guò)±10%[3]，且AD536最大輸入電壓為7 Vrms[4]，故設(shè)置變壓器電壓比為21∶1。此時(shí)，理論上，有效值轉(zhuǎn)換電路輸出電壓范圍為4.9 V～6 V，變化范圍為1.09 V，因此減法電路可以設(shè)計(jì)為減去4 V。單相電壓檢測(cè)電路如圖3所示。經(jīng)減法電路輸出電壓有效值理論上為

式中：n1為變壓器原邊繞組匝數(shù)；n2為變壓器副邊繞組匝數(shù)。

需要指出的是，平均相電壓敏感電路[1]（三相全波整流方式）輸出電壓為

圖3 單相電壓敏感電路Fig.3 Single-phase voltage-sensitive circuit

如果發(fā)電機(jī)某相（以A相短路為例）短路，會(huì)造成Uav的輸出值降低，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器的反饋?zhàn)饔茫沟闷溆嘞啵˙、C相）電壓升高。從而對(duì)機(jī)載用電設(shè)備造成不可逆的損害。

設(shè)計(jì)中對(duì)這種電壓測(cè)量方式做出一點(diǎn)改進(jìn)，在每一相的電壓敏感電路和加法電路之間加入控制開(kāi)關(guān)，使得當(dāng)某相短路時(shí)（A相短路為例），其對(duì)應(yīng)的2個(gè)開(kāi)關(guān)（S3、S4）自動(dòng)斷開(kāi)，使得電壓調(diào)節(jié)器可以迅速切斷該短路相的影響，最終使得發(fā)電機(jī)輸出正常的激磁電流。由于篇幅關(guān)系，在此不給出短路開(kāi)關(guān)具體控制方案，只給出控制邏輯關(guān)系，三相電壓敏感電路如圖4所示。

圖4 三相電壓敏感電路Fig.4 Three-phase voltage sensitive circuit

根據(jù)電壓傳遞關(guān)系，可以得出加法電路輸出電壓的表達(dá)式：

根據(jù)式（5），當(dāng)三相電壓都正常時(shí)，電壓輸出為（Uao+Ubo+Uco）/3；當(dāng)某一相短路時(shí)，例如 A 相短路，開(kāi)關(guān) S3、S4斷開(kāi)，R20、R24不接入電路，有：

由式（6）可以得出，當(dāng)A相短路時(shí)，三相電壓敏感電路輸出電壓不受短路相A相的影響。同樣的，當(dāng)有兩相短路時(shí)，可以通過(guò)式（5）得出，三相電壓敏感電路輸出電壓僅為正常相電壓相關(guān)。

在加法電路之后加入倍壓電路，根據(jù)后級(jí)壓頻轉(zhuǎn)換電路輸入電壓要求以及功率放大電路對(duì)于輸入頻率的要求，設(shè)置倍壓電路的倍數(shù)為4倍。當(dāng)A、B、C三相電都正常時(shí)，三相電壓敏感電路輸出電壓為

3.2 壓頻轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

壓頻轉(zhuǎn)換電路是調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器的核心所在。設(shè)計(jì)中壓頻轉(zhuǎn)換電路由LM324構(gòu)建的差分積分電路組成以及由555定時(shí)器搭建的脈沖發(fā)生電路組成。所設(shè)計(jì)的壓頻轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 壓頻轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Voltage-frequency conversion circuit

555定時(shí)器工作在單穩(wěn)態(tài)觸狀態(tài)時(shí)，其輸出由THR端和TRI端控制。當(dāng)THR端輸入電壓大于2/3 VCC時(shí)，555定時(shí)器輸出低電平，當(dāng)THR端輸入電壓小于2/3 VCC且TRI端輸入電壓小于1/3 VCC時(shí)，555輸出高電平。

555定時(shí)器從啟動(dòng)到正常工作包含兩個(gè)階段，第一階段為初始狀態(tài)階段，第二階段為穩(wěn)定狀態(tài)階段，這兩個(gè)階段電壓波形如圖6所示。

圖6 555定時(shí)器工作階段Fig.6 555 timer work phase

初始階段：Utri、Uthr均為低電平，555 定時(shí)器輸出高電平 Uoh，555 定時(shí)器 TRI端經(jīng)過(guò) R36，C16組成的積分電路充電，從Utri=0 V逐漸上升，通過(guò)設(shè)計(jì)R37，C14參數(shù)，使得當(dāng) Utri＞1/3 VCC 時(shí)，Uthr＜2/3 VCC，那么555定時(shí)器將輸出保持為高電平 Uoh，C17，C16，C14得以繼續(xù)充電。當(dāng)C14繼續(xù)充電使得Uthr＞2/3 VCC時(shí)，555輸出為低電平Uol。此時(shí)，C14將通過(guò)555定時(shí)器內(nèi)部器件迅速放電，直至為零，即Uthr=0 V＜2/3 VCC。C17，C16經(jīng)電阻 R38，R36放電，直到 Utri＜1/3 VCC，初始狀態(tài)階段結(jié)束，555定時(shí)器轉(zhuǎn)到穩(wěn)定狀態(tài)階段。

穩(wěn)定階段：上面分析到Utri＜1/3 VCC，Uthr=0 V＜2/3 VCC，555定時(shí)器輸出為高電平Uoh，此時(shí)，C14從Uthr=0 V 開(kāi)始充電，C17，C16從 Utri=1/3 VCC 開(kāi)始充電，在Uthr充電到2/3 VCC過(guò)程中，555定時(shí)器保持輸出為高電平。 C17，C14，C16繼續(xù)充電，當(dāng) C14上的電壓大于2/3 VCC時(shí)，555定時(shí)器輸出變?yōu)榈碗娖剑珻14迅速通過(guò)555定時(shí)器內(nèi)部器件放電至0 V，同時(shí)C17，C16通過(guò) R38，R36放電， 當(dāng)放電使得 Utri＜1/3 VCC時(shí)，由于此時(shí)Uthr=0 V＜2/3 VCC，555定時(shí)器輸出變?yōu)楦唠娖健Ｖ链耍瓿闪?55定時(shí)器穩(wěn)定狀態(tài)下的第一個(gè)工作周期[5]。

555定時(shí)器工作狀態(tài)穩(wěn)定后，THR端充電時(shí)間t1=1.1R37C14，經(jīng)過(guò)分析可以得出，TRI端放電時(shí)間與輸入電壓Uav及R35C15有關(guān)。在設(shè)計(jì)中為了方便參數(shù)的確定，令τ＝R38C17=R37C14=R35C15。在確定了 τ的參數(shù)后，555定時(shí)器輸出頻率只與輸入電壓Uav成函數(shù)關(guān)系。

對(duì)圖5所示電路進(jìn)行仿真，設(shè)置A、B通道輸入電壓分別為3.6V和7.2V，利用Multisim軟件進(jìn)行仿真，得到仿真波形如圖7所示。其中A通道方波輸出頻率為 1.198 kHz，B通道輸出方波頻率為2.396kHz。由圖7，可以得出，壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出方波頻率與輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系。

圖7 壓頻轉(zhuǎn)換電路仿真驗(yàn)證Fig.7 Simulation verification of voltage-frequency conversion circuit

3.3 功率放大電路的設(shè)計(jì)

功率放大電路是電壓調(diào)節(jié)器的最后一級(jí)，其作用是給激磁繞組提供大小合適的電流[6]。由于設(shè)計(jì)需要，功率放大電路的激磁電流與輸入方波頻率成反比。因此，功率放大電路由3只大功率晶體管組成。功率放大電路如圖8所示。

圖8 功率放大電路Fig.8 Power amplifier circuit

功率放大電路由脈沖發(fā)生電路驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)三極管Q1產(chǎn)生反相的方波，再經(jīng)過(guò)達(dá)林頓連接的Q2、Q3從而控制激磁電流。其中L2為激磁機(jī)的等效電感，R40為激磁機(jī)等效電阻，D2為保護(hù)電路而設(shè)計(jì)的續(xù)流二極管。

在大功率開(kāi)關(guān)管作用下，由于激磁繞組中電感的存在，使得激磁電流按照指數(shù)規(guī)律變化。通過(guò)查閱相關(guān)資料[6]，R40=1 Ω，L2=0.02 H。 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，激磁電流按照指數(shù)增長(zhǎng)，但其在增長(zhǎng)到最大值之前就因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管截止而呈指數(shù)下降，同樣地，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，激磁電流按指數(shù)衰減，且激磁電流在其未下降到最低時(shí)就開(kāi)始呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，激磁電流是一個(gè)脈動(dòng)的周期電流。

根據(jù)式（1），一個(gè)周期內(nèi)激磁電流平均值為

其中σ為Q2的導(dǎo)通比，根據(jù)圖8所示電路可知，Q2與Q1的導(dǎo)通比存在以下關(guān)系：

Q1的導(dǎo)通比 σQ1為

聯(lián)立式（1）、式（9）、式（10）可以得出：

從公式可以看出激磁電流與振蕩電路的頻率f成反比例系數(shù)的一次函數(shù)。在壓頻轉(zhuǎn)換電路結(jié)尾處我們得到了555定時(shí)器輸出頻率只與輸入電壓Uav成一定的函數(shù)關(guān)系，因此激磁電流與壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓成一定的函數(shù)關(guān)系。對(duì)以上所設(shè)計(jì)的壓頻轉(zhuǎn)換電路及功率放大電路部分進(jìn)行交聯(lián)仿真，統(tǒng)計(jì)仿真數(shù)據(jù)得到表1，根據(jù)表1繪得如圖9的輸入輸出曲線(xiàn)。

表1 輸入電壓與輸出電流關(guān)系Tab.1 Relation table of input voltage and output current

圖9 輸入電壓與輸出電流關(guān)系Fig.9 Relationship between input voltage and output current

由曲線(xiàn)可以看出，激磁電流與輸入電壓關(guān)系曲線(xiàn)斜率為負(fù)。且決定系數(shù)為0.9989，說(shuō)明激磁電流與輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系。

4 系統(tǒng)集成與驗(yàn)證

將三相電壓敏感電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路集成，可以得到基于集成電路的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器的總體電路如圖10所示。

需要指出的是，為了防止系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)三相電壓敏感電路輸出負(fù)相電壓值，在三相電壓敏感電路與壓頻轉(zhuǎn)換電路之間加入二極管D1，使得輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路中的電壓值恒為正值。

對(duì)所設(shè)計(jì)的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行驗(yàn)證：當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出三相對(duì)稱(chēng)的115 V/400 Hz交流電，經(jīng)過(guò)三相電壓敏感電路輸出U0=5.9 V直流電，該電壓信號(hào)輸入到由LM324以及555定時(shí)器組成的壓頻轉(zhuǎn)換電路，輸出頻率f0=1.89 kHz的方波，再經(jīng)過(guò)功率放大電路，輸出Ijj0=12.49 A的激磁電流；當(dāng)飛機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增大或者負(fù)載減小時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的A、B、C三相電壓相應(yīng)升高，經(jīng)過(guò)三相電壓敏感電路處理，輸出一個(gè)高于參考電壓U0的電壓值，經(jīng)過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換電路，由于壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出頻率與輸入電壓成正比，因此輸出頻率高于設(shè)定頻率f0的方波，該方波信號(hào)經(jīng)過(guò)由Q1、Q2、Q3組成的成負(fù)比例系數(shù)的功率放大電路使得交流激磁機(jī)輸出小于設(shè)定電流值Ijj0的激磁電流Ijj。由于發(fā)電機(jī)的激磁電流Ij與交流激磁機(jī)Ijj成正比，因此當(dāng)Ijj減小時(shí)，Ij減小，發(fā)電機(jī)輸出電壓降低，實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)功能。反之亦然。

圖10 脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器集成電路Fig.10 Pulse FM type voltage regulator integrated circuit

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器具有以下特點(diǎn)：①壓頻轉(zhuǎn)換電路[7]是由555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的，并不依賴(lài)于發(fā)電機(jī)整流后的三角波，因此本設(shè)計(jì)方案可以用于調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)；②采用常用芯片，造價(jià)低，可靠性高；③基于集成電路的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器，具有模塊化，小型化，集成化的特點(diǎn)，便于設(shè)備維護(hù)、安裝。具有一定的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。該研究成果對(duì)于航空實(shí)踐有一定的指導(dǎo)借鑒作用。