一種新穎的精密陀螺電源

摘要:文章介紹一種采用SPWM、雙單片機(jī)和開關(guān)電源等技術(shù)研制開發(fā)的精密陀螺電源，內(nèi)附毫瓦計(jì)，性能優(yōu)良，可廣泛用于高精度的陀螺中。

關(guān)鍵詞:陀螺SPWM調(diào)制開關(guān)電源毫瓦計(jì)

1引言

高精度陀螺廣泛用于航天、航空等領(lǐng)域，它的精度和使用壽命很大程度上取決于陀螺軸承，因此對(duì)軸承工作狀態(tài)的研究是很關(guān)鍵的。一般是使用專用精密電源和功率計(jì)，在它穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)量電源輸出功率的變化，以此反映軸承的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的電源采用振蕩器產(chǎn)生三相正弦波，通過功率放大后輸出。但這種電源功耗很大，散熱困難，由此引起的元件參數(shù)變化使輸出精度、穩(wěn)定性很難保證。而且電源體積較大，和功率計(jì)分體，使用起來很不方便。

美國從20世紀(jì)60年代起,研制了一種陀螺電源,內(nèi)附精密差分毫瓦計(jì)。利用它可以精確測(cè)出高速旋轉(zhuǎn)中陀螺性能的各種細(xì)微變化,從而確定軸承的性能是否滿足要求。但是該電源售價(jià)高達(dá)16490美元，約合人民幣14萬元。

根據(jù)有關(guān)部門提出的技術(shù)參數(shù)，我們采用SPWM、雙單片機(jī)和開關(guān)電源等多種技術(shù)研制了內(nèi)附毫瓦計(jì)的精密陀螺電源。

2技術(shù)指標(biāo)

本電源技術(shù)指標(biāo)是按現(xiàn)使用的部分航天陀螺電機(jī)的特性確定的，詳細(xì)資料見表1。

表1陀螺電機(jī)特性

為了精確測(cè)出由于陀螺電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)變化而導(dǎo)致的電源輸出功率變化,必須保證陀螺電機(jī)供電電源的高度穩(wěn)定性。由表1可見,電機(jī)的正常功率約為2～16W,而要求測(cè)出的功率變化量在50mW以下,分辨率暫定為1mW,因此其相對(duì)功率變化量應(yīng)達(dá)到3‰～25‰。

據(jù)此確定本電源基本技術(shù)指標(biāo)如下:

?輸出功率不超過20W

?輸出功率分辨率1mW

?輸出功率精度10mW

?輸出電壓12～40V三相交流，有效值

?輸出電壓穩(wěn)定度5×10－4

?輸出電壓精度±2％可校準(zhǔn)到±0.1％

?輸出波形正弦波（包絡(luò)）

?輸出電流1A短時(shí)2A

?輸出頻率167，200，250，400，500Hz

?輸出頻率穩(wěn)定度1×10－5/d

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用SPWM技術(shù)產(chǎn)生三相輸出，使功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，故只有極低的功率耗散。既使整機(jī)功耗降低，機(jī)箱溫度變化減小，又使器件因溫度變化帶來的誤差變小，有利于提高整機(jī)的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)，SPWM波形的諧波含量較小，電機(jī)電流波形接近正弦，陀螺電機(jī)的諧波損耗也小。

系統(tǒng)由開關(guān)穩(wěn)壓器、直流穩(wěn)壓器、三相逆變器、波形發(fā)生以及測(cè)量控制等幾部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)地產(chǎn)生三相SPWM波形，同時(shí)又

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，所以使用一個(gè)單片機(jī)是很難實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)用了兩片8031來完成上述功能的。

為保證系統(tǒng)輸出電壓的超高穩(wěn)定度，直流母線電壓必須非常穩(wěn)定。因此首先采用開關(guān)穩(wěn)壓器將輸入的交流進(jìn)行粗穩(wěn)（即相當(dāng)于開關(guān)電源），然后用串聯(lián)型直流穩(wěn)壓器進(jìn)行精密穩(wěn)壓。只有這樣才能滿足系統(tǒng)性能要求。

4硬件設(shè)計(jì)

4.1開關(guān)穩(wěn)壓和串聯(lián)穩(wěn)壓電路

通常的直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,其調(diào)整管工作在線性區(qū),在一定負(fù)載電流下,當(dāng)輸出電壓最高、輸入電壓最低時(shí)，管耗最?。划?dāng)輸出電壓最低、輸入電壓最高時(shí)，管耗最大。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多種陀螺電機(jī)都能使用，則電壓變化范圍大，調(diào)整管壓差以及功耗往往會(huì)大到無法接受。但本機(jī)不允許機(jī)內(nèi)功耗過大和機(jī)箱內(nèi)溫度變化過大。如果僅采用開關(guān)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓,則會(huì)造成輸出有高頻紋波的干擾，這使得僅用單一的穩(wěn)壓電路是無法實(shí)現(xiàn)要求的。

為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的穩(wěn)壓電路,先用由TL494控制的開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行預(yù)穩(wěn)壓,再由后續(xù)的直流穩(wěn)壓器將輸出電壓穩(wěn)定到規(guī)定的數(shù)值,裝在儀器面板上的多圈精密電位器可將輸出電壓設(shè)定到所需的數(shù)值,此電位器同時(shí)控制了直流穩(wěn)壓器的輸出電壓及開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓,并從電路上保證了前一點(diǎn)電壓始終跟蹤后一點(diǎn)電壓，壓差穩(wěn)定且很小,所以直流穩(wěn)壓器在任何情況下都能保證調(diào)整管功耗不大。

TL494是一種很成熟的PWM控制芯片，內(nèi)有兩路誤差放大器。通常使用時(shí)一路用于電壓反饋，一路用于電流反饋，控制輸出脈沖的占空比。在這里兩路都用于電壓反饋控制，只是一個(gè)從串聯(lián)穩(wěn)壓器輸出取作為基準(zhǔn)，另一個(gè)從開關(guān)穩(wěn)壓器輸出取，用來跟蹤基準(zhǔn)的變化。這樣，不論設(shè)定如何變化，TL494都會(huì)調(diào)整輸出占空比，達(dá)到開關(guān)穩(wěn)壓器輸出跟蹤上串聯(lián)穩(wěn)壓器的輸出變化。

串聯(lián)穩(wěn)壓電路為完成系統(tǒng)的要求，必須有高穩(wěn)定度的電壓基準(zhǔn)。我們采用了LM399H（6.95V的電壓基準(zhǔn)）,其溫度系數(shù)為2ppm/℃。電源的穩(wěn)定度除取決于LM399外,其關(guān)鍵在取樣電阻分壓器的穩(wěn)定度。為保證其分壓比不隨環(huán)境溫度而變,同樣選用了高穩(wěn)定度電阻,電路中的24k電阻實(shí)際是由同樣的3.9k的電阻6只串聯(lián)而成,10k電位器也是精密多圈線繞電位器,這樣所有電阻功耗相等,溫升也相等,而且其本身溫度系數(shù)很小,只有±5ppm，所以其分壓比固定不變,于是直流穩(wěn)壓器的輸出電壓不會(huì)變化,實(shí)測(cè)穩(wěn)定度優(yōu)于1×10－4,完全滿足要求。

圖2逆變電路

4.2逆變電路

逆變電路結(jié)構(gòu)如圖2所示：

逆變橋的三個(gè)橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須保證上下相互讓開一定的時(shí)間，即死區(qū)時(shí)間。如果能在8031產(chǎn)生波形同時(shí)形成死區(qū)時(shí)間是最為理想，但這很難實(shí)現(xiàn)。為此我們采用硬件實(shí)現(xiàn)，見圖3。每一路波形信號(hào)經(jīng)延時(shí)、整形，其導(dǎo)通時(shí)間會(huì)縮短，就得到了死區(qū)時(shí)間T，這里T=100kΩ×15pF=1.5μs，實(shí)驗(yàn)證明這一方法簡(jiǎn)單有效。

圖3死區(qū)時(shí)間形成電路

驅(qū)動(dòng)電路采用美國IR公司的集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110三片，電路簡(jiǎn)單可靠，輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，且具有過流保護(hù)功能。2110內(nèi)部有電流比較器，當(dāng)電流取樣值超過設(shè)定值時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖死，逆變器沒有輸出，保護(hù)了電路免受破壞。

逆變器選用6只IRF540功率場(chǎng)效應(yīng)管，IRF540內(nèi)阻低、熱阻小，很適合輸出級(jí)使用。例如當(dāng)輸出電流0.2A時(shí)，其管壓降只有15.4mV，功耗3mW，幾乎可以忽略不計(jì)。

4.3單片機(jī)系統(tǒng)

圖4 過流保護(hù)電路框圖

單片機(jī)系統(tǒng)分兩部分,每一部分用一片8031控制：8031A只是用來產(chǎn)生SPWM波形，8031B完成鍵盤、顯示、測(cè)功和計(jì)算、打印的功能。結(jié)構(gòu)如圖4。

系統(tǒng)要求輸出的頻率穩(wěn)定性很高，因此單片機(jī)8031A專門用來發(fā)波形。波形是先離線計(jì)算好，每一種頻率對(duì)應(yīng)一組數(shù)據(jù)，包括輸出電平為高為低以及脈沖的時(shí)間寬度，全存在存儲(chǔ)器中。當(dāng)收到8031B的起動(dòng)命令和輸出頻率后，從存儲(chǔ)器取出輸出值送到IO口。同時(shí)，打開定時(shí)器，到設(shè)定時(shí)間后送新數(shù)。因此，電源輸出頻率的穩(wěn)定度基本是由單片機(jī)的晶體振蕩器穩(wěn)定度決定的，而晶振的頻率定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過系統(tǒng)要求。

8031B掃描鍵盤，得到輸入命令后，與8031A通信。在起動(dòng)之后，實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓和電流，實(shí)時(shí)計(jì)算，顯示功率及其變化量，記錄以備打印輸出。這里主要是要求系統(tǒng)測(cè)出功率變化量，以此反映陀螺電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)的變化量，所以對(duì)功率絕對(duì)值并無很高要求。取直流母線的電壓和電流相乘計(jì)算功率。這個(gè)值基本與實(shí)際值相等，且省去了測(cè)功率因數(shù)。電流和電壓經(jīng)高精度模擬開關(guān)MAX301送入ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ICL7135是4位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)從7135取出轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行乘法計(jì)算，得出結(jié)果。

5結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了電源硬件，對(duì)軟件未作敘述。綜上所述，本系統(tǒng)有諸多特色，如雙單片機(jī)，正弦脈寬調(diào)制，帶開關(guān)穩(wěn)壓器的高精度直流可調(diào)電源等等。經(jīng)長(zhǎng)期使用，未出現(xiàn)任何問題，可靠性很高，因此本電源對(duì)精密陀螺的研制開發(fā)具有重大的意義。