陀螺儀測量用數(shù)字式功率計的設(shè)計

陀螺儀測量用數(shù)字式功率計的設(shè)計

摘 要：本文介紹了一種用于陀螺馬達的數(shù)字式功率計的設(shè)計。該功率計通過PCL818數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采樣，可動態(tài)顯示測得的功率、電壓和電流，重點敘述了設(shè)計原理和系統(tǒng)的組成，并進行了誤差分析。實驗結(jié)果表明這種方法能夠分辨出10mW的功率變化，而且精度比較高，可推廣至一般的微電機的功率測量。
關(guān)鍵詞：陀螺儀 功率 采樣
1 引言
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有完全自主性、全天候和抗外界干擾等特點，可以提供完整的導(dǎo)航定位參數(shù)，己廣泛地應(yīng)用于各種運載體的導(dǎo)航定位中。作為核心元件的陀螺儀，它為系統(tǒng)提供坐標基準，用于測量載體的姿態(tài)和方位信息。因此其性能將直接影響慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能否正常、可靠地工作，所以研究陀螺儀的可靠性尤其是陀螺儀的壽命是十分重要的。由于陀螺儀具有小批量、高成本的特點，人們力圖通過少量陀螺儀完整壽命試驗期間有關(guān)參數(shù)的監(jiān)控、陀螺儀運行狀態(tài)分析等，建立陀螺儀壽命預(yù)測模型和可靠性評估方法，以期研究出基于部分壽命周期(如10%）試驗數(shù)據(jù)的陀螺儀可靠性評估方法。為此，結(jié)合有關(guān)課題，以動力調(diào)諧陀螺儀為例，研制陀螺儀壽命試驗測試系統(tǒng)。本文介紹該測試系統(tǒng)中陀螺儀測量用的數(shù)字式功率計的設(shè)計和精度分析。
由于陀螺馬達的功率變化量比較小，要對其功率變化進行分析，必須能分辨出10mW的功率變化［１］。根據(jù)公式P=UI可知測量功率需要計算電壓和電流的乘積，目前常用的方法有模擬乘法器、時分割乘法器和采樣后由計算機處理即數(shù)字式方法等。其中模擬乘法器由于其線性度和溫漂等問題精度不高，一般只用于普通的功率表。時分割法將脈沖寬度與脈沖幅度調(diào)制相結(jié)合，測量精度高，但是電路復(fù)雜，研制時間長，而且誤差隨信號源頻率的增加而增大［２］。數(shù)字式方法采用數(shù)據(jù)采集卡將電壓電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后輸入計算機進行計算，具有精度高、開發(fā)周期短、后續(xù)處理方便等特點。本文介紹的數(shù)字式功率計就是采用這種方法，通過PCL818數(shù)字采集卡采集動調(diào)陀螺電機的電壓、電流來計算功率，所設(shè)計的功率計可動態(tài)顯示測得的功率、電壓和電流。實驗結(jié)果表明這種方法能夠分辨出10mW的功率變化，而且精度比較高，誤差不超過全量程的0.2％，并且這種方法可被應(yīng)用推廣到測量其他微電機的功率、電壓和電流。
2 測量原理
設(shè)信號的電壓和電流分別為v(t)和i(t)，則在測量時間T期間內(nèi)的平均功率為：

若對電壓和電流信號同時進行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，便可計算其瞬時功率，通過計算多點瞬時功率的平均值即可求得平均功率。設(shè)tk時刻的電壓和電流分別為v(tk)和i(tk)，則信號的平均功率可以表示為：

其中n是時間T內(nèi)的采樣數(shù)。如果采樣時不能保證同時性，則由式(2)所得的功率值不等于式(1)，其差值是由所謂的截斷誤差造成的。取盡可能多的采樣點數(shù)作平均可以減小截斷誤差。若陀螺馬達的激勵為正弦信號且其電壓為V電流為I，如果采樣頻率是該信號頻率的4倍以上，則最大的截斷誤差EMAX為［３］［４］：

其中c是T時間內(nèi)輸入信號的周期數(shù)，γ可由輸入信號的頻率f得到：γ=2πf／fs，fs為采樣頻率。如果能保證T-cf＜fs，則最大的截斷誤差可由下式給出：

可見此時的截斷誤差與輸入信號的周期數(shù)無關(guān)而與T時間內(nèi)的采樣點數(shù)n成反比，因此可采用加大采樣點數(shù)的方法來減小截斷誤差。
陀螺馬達相當于一個三相電機，要測量其功率一般采用二瓦計法，即需要用兩個功率表測量馬達AB相電壓和A相電流及CB相電壓和C相電流的功率，然后相加即是馬達的功率。如圖1所示三相電機的總功率為兩個功率表WA、WB的示值ＰＡ和ＰＢ之和。

3 系統(tǒng)組成
本文所設(shè)計數(shù)字式功率計的系統(tǒng)組成如圖2所示。電壓、電流必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸入范圍。模數(shù)轉(zhuǎn)換由PCL818數(shù)據(jù)采集卡來完成，該卡具有16通道(單邊輸入)／8通道(雙邊輸入)12位的A/D，通過跳線可以設(shè)置為不同的輸入模式，這里采用8通道模式。其中2個通道采集電壓，2個通道采集電流。由于PCL818采用分時采樣，所以其前面加了采樣保持電路，以保證其采樣的同時性。采樣保持電路的控制信號由主機紿出。

實際電路中待測電壓、電流并不符合PCL818的信號輸入要求，因此需要采樣電路首先將電壓電流轉(zhuǎn)換到PCL818的輸入范圍內(nèi)。PCL818的輸入范圍可根據(jù)需要選擇±5V和±10V，這里選為±5V。電壓信號和電流信號分別用電壓互感器和電流互感器轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的范圍。
整個系統(tǒng)的軟件由C語言編寫，主要功能包括：?
(1)PCL818L數(shù)據(jù)采集卡的初始化。將其設(shè)置為軟觸發(fā)模式，采樣頻率為20k。?
(2)數(shù)據(jù)的讀取和功率計算。由式(2)來計算其平均功率，并進行誤差補償。采樣點數(shù)取10000點。?
(3)數(shù)據(jù)的顯示和保存。按要求顯示功率或者電壓、電流，并將電壓、電流和功率保存起來以供后續(xù)分析。軟件程序框圖如圖3所示。
4 誤差分析
測量功率的誤差除了前面分析過的截斷誤差，還包括采樣量化過程中造成的誤差以及硬件設(shè)備的缺陷造成的誤差等。A／D轉(zhuǎn)換前的信號調(diào)理需要仔細選擇元件，電流互感器和電壓互感器的線性誤差要盡量的小。對于模數(shù)轉(zhuǎn)換造成的誤差，可以這樣來估計，由于正弦信號其電壓的峰峰值為22Vrms，若考慮到畸變波，其最高值可取2×22Vrms，12位的A／D共有4096級，考慮到量化誤差，則A／D轉(zhuǎn)換器的精度約為0.14％RMS,綜合信號調(diào)理部分，誤差應(yīng)該控制在0.2%以下。實驗結(jié)果如表1所示，可見誤差基本可以控制在0.2％以下。

5 結(jié)論
根據(jù)上述方案設(shè)計的數(shù)字式功率計，通過實驗和工程應(yīng)用表明，測量精度比較高，誤差不超過量程的0.2%。可以滿足項目需要。該方法還可適用于其他一般微電機的功率和電流、電壓的測量。如果采用16位A／D轉(zhuǎn)換器，還可以進一提高測量精度。

參考文獻：

［１］陳柏森，張玉龍.毫瓦計—功率變化量測量儀［Ｊ］．中國慣性技術(shù)學(xué)報，1997，5(3)
［２］海鷹，袁鑄鋼，孟慶金.電流型時分割乘法器的原理性誤差分析［Ｊ］．山東建材學(xué)院學(xué)報，1996年6月
［３］Gerard N. Stenbakken.High-accuracy. sampling wattmeter［Ｊ］． IEEE Transactions on　lnstrumentation and Measurement, VOL. 41,No.6December l992
［４］Gerard N.Stenbakken.A wideband sampling　wattmeter［Ｊ］.IEEE Transactions on Power. Apparatus and System,VOL,PAS-103,No.10. October l984