一种新的精密陀螺电源

1引言

高精度陀螺广泛用于航天、航空等领域，它的精度和使用寿命很大程度上取决于陀螺轴承，因此对轴承工作状态的研究是很关键的。一般是使用专用精密电源和功率计，在它稳定工作时测量电源输出功率的变化，以此反映轴承的工作状态。传统的电源采用振荡器产生三相正弦波，通过功率放大后输出。但这种电源功耗很大，散热困难，由此引起的元件参数变化使输出精度、稳定性很难保证。而且电源体积较大，和功率计分体，使用起来很不方便。

美国从20世纪60年代起,研制了一种陀螺电源,内附精密差分毫瓦计。利用它可以精确测出高速旋转中陀螺性能的各种细微变化,从而确定轴承的性能是否满足要求。但是该电源售价高达16490美元，约合人民币14万元。

根据有关部门提出的技术参数，我们采用SPWM、双单片机和开关电源等多种技术研制了内附毫瓦计的精密陀螺电源。

2技术指标

本电源技术指标是按现使用的部分航天陀螺电机的特性确定的，详细资料见表1。

表1陀螺电机特性

为了精确测出由于陀螺电机内部状态变化而导致的电源输出功率变化,必须保证陀螺电机供电电源的高度稳定性。由表1可见,电机的正常功率约为2～16W,而要求测出的功率变化量在50mW以下,分辨率暂定为1mW,因此其相对功率变化量应达到3‰～25‰。

据此确定本电源基本技术指标如下:

?输出功率不超过20W

?输出功率分辨率1mW

?输出功率精度10mW

?输出电压12～40V三相交流，有效值

?输出电压稳定度5×10－4

?输出电压精度±2％可校准到±0.1％

?输出波形正弦波（包络）

?输出电流1A短时2A

?输出频率167，200，250，400，500Hz

?输出频率稳定度1×10－5/d

3系统结构

系统采用SPWM技术产生三相输出，使功率器件工作在开关状态，故只有极低的功率耗散。既使整机功耗降低，机箱温度变化减小，又使器件因温度变化带来的误差变小，有利于提高整机的精度和稳定性。同时，SPWM波形的谐波含量较小，电机电流波形接近正弦，陀螺电机的谐波损耗也小。

系统由开关稳压器、直流稳压器、三相逆变器、波形发生以及测量控制等几部分构成，结构如图1所示。

因为需要实时地产生三相SPWM波形，同时又

图1系统结构图

进行实时测量，所以使用一个单片机是很难实现的。本系统用了两片8031来完成上述功能的。[page]

为保证系统输出电压的超高稳定度，直流母线电压必须非常稳定。因此首先采用开关稳压器将输入的交流进行粗稳（即相当于开关电源），然后用串联型直流稳压器进行精密稳压。只有这样才能满足系统性能要求。

4硬件设计

4.1开关稳压和串联稳压电路

通常的直流串联型稳压电路,其调整管工作在线性区,在一定负载电流下,当输出电压最高、输入电压最低时，管耗最小；当输出电压最低、输入电压最高时，管耗最大。如果系统设计为多种陀螺电机都能使用，则电压变化范围大，调整管压差以及功耗往往会大到无法接受。但本机不允许机内功耗过大和机箱内温度变化过大。如果仅采用开关稳压电路稳压,则会造成输出有高频纹波的干扰，这使得仅用单一的稳压电路是无法实现要求的。

为此我们设计了一种独特的稳压电路,先用由TL494控制的开关稳压器进行预稳压,再由后续的直流稳压器将输出电压稳定到规定的数值,装在仪器面板上的多圈精密电位器可将输出电压设定到所需的数值,此电位器同时控制了直流稳压器的输出电压及开关稳压器的输出电压,并从电路上保证了前一点电压始终跟踪后一点电压，压差稳定且很小,所以直流稳压器在任何情况下都能保证调整管功耗不大。

TL494是一种很成熟的PWM控制芯片，内有两路误差放大器。通常使用时一路用于电压反馈，一路用于电流反馈，控制输出脉冲的占空比。在这里两路都用于电压反馈控制，只是一个从串联稳压器输出取作为基准，另一个从开关稳压器输出取，用来跟踪基准的变化。这样，不论设定如何变化，TL494都会调整输出占空比，达到开关稳压器输出跟踪上串联稳压器的输出变化。

串联稳压电路为完成系统的要求，必须有高稳定度的电压基准。我们采用了LM399H（6.95V的电压基准）,其温度系数为2ppm/℃。电源的稳定度除取决于LM399外,其关键在取样电阻分压器的稳定度。为保证其分压比不随环境温度而变,同样选用了高稳定度电阻,电路中的24k电阻实际是由同样的3.9k的电阻6只串联而成,10k电位器也是精密多圈线绕电位器,这样所有电阻功耗相等,温升也相等,而且其本身温度系数很小,只有±5ppm，所以其分压比固定不变,于是直流稳压器的输出电压不会变化,实测稳定度优于1×10－4,完全满足要求。

图2逆变电路

4.2逆变电路

逆变电路结构如图2所示：

逆变桥的三个桥臂驱动信号必须保证上下相互让开一定的时间，即死区时间。如果能在8031产生波形同时形成死区时间是最为理想，但这很难实现。为此我们采用硬件实现，见图3。每一路波形信号经延时、整形，其导通时间会缩短，就得到了死区时间T，这里T=100kΩ×15pF=1.5μs，实验证明这一方法简单有效。

图3死区时间形成电路

驱动电路采用美国IR公司的集成驱动芯片IR2110三片，电路简单可靠，输出驱动能力强，且具有过流保护功能。2110内部有电流比较器，当电流取样值超过设定值时，比较器输出翻转，将驱动信号锁死，逆变器没有输出，保护了电路免受破坏。

逆变器选用6只IRF540功率场效应管，IRF540内阻低、热阻小，很适合输出级使用。例如当输出电流0.2A时，其管压降只有15.4mV，功耗3mW，几乎可以忽略不计。

4.3单片机系统

图4 过流保护电路框图

单片机系统分两部分,每一部分用一片8031控制：8031A只是用来产生SPWM波形，8031B完成键盘、显示、测功和计算、打印的功能。结构如图4。

系统要求输出的频率稳定性很高，因此单片机8031A专门用来发波形。波形是先离线计算好，每一种频率对应一组数据，包括输出电平为高为低以及脉冲的时间宽度，全存在存储器中。当收到8031B的起动命令和输出频率后，从存储器取出输出值送到IO口。同时，打开定时器，到设定时间后送新数。因此，电源输出频率的稳定度基本是由单片机的晶体振荡器稳定度决定的，而晶振的频率定度远远高过系统要求。

8031B扫描键盘，得到输入命令后，与8031A通信。在起动之后，实时检测母线电压和电流，实时计算，显示功率及其变化量，记录以备打印输出。这里主要是要求系统测出功率变化量，以此反映陀螺电机内部状态的变化量，所以对功率绝对值并无很高要求。取直流母线的电压和电流相乘计算功率。这个值基本与实际值相等，且省去了测功率因数。电流和电压经高精度模拟开关MAX301送入ICL7135进行A/D转换，ICL7135是4位半双积分A/D转换器。单片机从7135取出转换结果，进行乘法计算，得出结果。

5结束语

本文重点介绍了电源硬件，对软件未作叙述。综上所述，本系统有诸多特色，如双单片机，正弦脉宽调制，带开关稳压器的高精度直流可调电源等等。经长期使用，未出现任何问题，可靠性很高，因此本电源对精密陀螺的研制开发具有重大的意义。