一種新的精密陀螺電源

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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將輸入的交流進(jìn)行粗穩(wěn)（即相當(dāng)于開(kāi)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(mǎn)足系統(tǒng)性能要求。

4硬件設(shè)計(jì)

4.1開(kāi)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)，管耗最小；當(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(wú)法接受。但本機(jī)不允許機(jī)內(nèi)功耗過(guò)大和機(jī)箱內(nèi)溫度變化過(guò)大。如果僅采用開(kāi)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出取，用來(lái)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(kāi)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(mǎn)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(kāi)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(jiàn)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(guó)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(lái)產(chǎn)生SPWM波形，8031B完成鍵盤(pán)、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(zhuān)門(mén)用來(lái)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(kāi)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(guò)系統(tǒng)要求。

8031B掃描鍵盤(pán)，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(wú)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(kāi)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(yǔ)

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(kāi)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(wèn)題，可靠性很高，因此本電源對(duì)精密陀螺的研制開(kāi)發(fā)具有重大的意義。