陀螺羅經(jīng)三相電源實(shí)時(shí)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)＊

黃顯亮 錢蘭華 陳旺勇 陳華僑

（92956部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

陀螺羅經(jīng)不但是艦船及航空器一種十分重要的指向儀器，同時(shí)也是多種艦（機(jī)）載設(shè)備的重要傳感器、信息源［1］。陀螺球是主羅經(jīng)的核心部件，它的安全運(yùn)行不但關(guān)系到陀螺羅經(jīng)的安全，而且關(guān)系到整個平臺的航行安全及功能的發(fā)揮。在諸多威脅陀螺球運(yùn)行安全的因素中，三相電源相序出現(xiàn)問題導(dǎo)致陀螺球翻球是較為多見的主要故障［2～3］。因此，借助DSP開發(fā)技術(shù)研制出一種智能化、小型化、輕型化的三相電源實(shí)時(shí)監(jiān)測儀，對提高陀螺羅經(jīng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)方案中，陀螺羅經(jīng)三相電源實(shí)時(shí)監(jiān)測儀的相序檢測及自動調(diào)整過程，是基于DSP控制下由硬件電路和控制軟件共同實(shí)現(xiàn)的。

2.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件電路采用基于DSP的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括電源電路、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、相序調(diào)整及顯示電路等?？刂平Y(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測儀DSP控制結(jié)構(gòu)簡圖

首先對被檢電源進(jìn)行分壓處理，通過運(yùn)放比較電路后，進(jìn)入調(diào)理電路，經(jīng)A／D采樣模塊處理，再進(jìn)入缺相電路的判斷以及對正、逆相序檢測電路進(jìn)行檢測、判斷，并在顯示屏顯示出相序的檢測結(jié)果，DSP依據(jù)檢測結(jié)果控制五個可控硅的導(dǎo)通與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)三相電源相序的自動調(diào)整達(dá)到保護(hù)陀螺球的目的。相序監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 相序監(jiān)測框圖

圖2中三相電壓A、B、C經(jīng)過分壓后分別進(jìn)入1、2、3引腳，通過對正弦波進(jìn)行施密特檢測了解信號的存在。采樣后的輸入信號首先送入缺相檢測電路檢測，在缺相狀態(tài)下，9腳和8腳皆輸出低電平。如果三相正弦輸入正常，對應(yīng)A、B、C輸入1、2、3腳的輸出端，12、11、10腳的輸出分別為低電平；當(dāng)某一相沒有輸入信號時(shí)，對應(yīng)的輸出腳上將有高電平出現(xiàn)，送入DSP進(jìn)行判斷。根據(jù)檢測結(jié)果，在不缺相的情況下進(jìn)入相序檢測電路進(jìn)行相序判斷，具體表現(xiàn)如下：1）在按照A、B、C順序進(jìn)入1、2、3腳的情況下，9腳輸出高電平指示正相序；2）在沒有按照A、B、C順序進(jìn)入1、2、3腳的情況下，8腳輸出高電平指示逆相序。

2.1.1 缺相檢測電路的設(shè)計(jì)

缺相檢測電路的設(shè)計(jì)如圖3所示，其工作原理［4］如下：

1）當(dāng)有三相電壓輸入時(shí)，三相電壓波形如圖4所示。將一個周期分為T1、T2、T3、T4、T5、T6，三相電壓之間的關(guān)系如表1所示。

圖3 缺相檢測電路圖

表1 三相電壓關(guān)系

圖4 三相正常時(shí)檢測電路波形圖

（1）在T1內(nèi)，UA＞UC＞UB，A相電壓最大，B相電壓最小，圖3中的光藕D1和二極管VD5導(dǎo)通，控制信號UC為低電平；（2）在T2內(nèi)，UA＞UB＞UC，A相電壓最大，C相電壓最小，圖3中的光藕D1和二極管VD4導(dǎo)通，控制信號UC為低電平。依次類推，在T3、T4、T5、T6內(nèi)，控制信號UC均為低電平，也就是說當(dāng)有三相電壓輸入時(shí)（不缺相），控制信號UC一直處于低電平，缺相告警信號PHFL為低電平，表示三相電源不缺相。

2）當(dāng)三相電源缺相時(shí)（以缺C相為例），此時(shí)只有線電壓UAB，在UAB的過零點(diǎn)附近，光藕D1、D2、D3都不導(dǎo)通，此時(shí)控制信號UC為高電平，缺相告警信號PHFL為高電平，表示三相電源缺相。

2.1.2 相序檢測電路的設(shè)計(jì)

相序檢測電路如圖5所示，其工作原理如下：A、B、C分別是三相電源經(jīng)過降壓后的三相正弦電壓信號，它們之間兩兩相序互差120°。B通過減法器分別減去 A、C得到B－A、B－C信號。1）若B－A超前B－C60°，則表示三相電壓為正相序；2）若B－A滯后B－C60°，則表示三相電壓為逆相序。

2.2 控制軟件的設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，完成的主要功能包括對檢測信號的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、相序調(diào)整及顯示控制等。

首先完成DSP的初始化，啟動A／D轉(zhuǎn)換電路，DSP事件管理器的捕獲單元在捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時(shí)被觸發(fā)。當(dāng)捕獲單元使能后，控制數(shù)據(jù)采集單元完成4個周期的數(shù)據(jù)采集，求平均值作為最終的測量值。然后控制數(shù)據(jù)處理單元對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否缺相。1）如果缺相，則控制5個可控硅均不導(dǎo)通，切斷三相電源，并控制顯示器顯示檢測結(jié)果；2）如果不缺相，則進(jìn)行相序判斷，根據(jù)相序檢測結(jié)果控制相應(yīng)的可控硅導(dǎo)通，完成相序調(diào)整，并控制顯示器顯示檢測結(jié)果。軟件控制流程［5～6］如圖6所示。

圖5 相序檢測電路圖

圖6 軟件控制流程圖

3 測試試驗(yàn)

樣機(jī)研制完成后，在不同環(huán)境、不同電壓、不同頻率下進(jìn)行了基本性能和實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，包括正、逆相序及缺相等三種情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖9所示。顯示的設(shè)計(jì)方案如下：1）如果所檢測三相電路正常，且為正相序，則顯示L1L2L3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并提示正確信息“R”；2）如果所檢測三相電路正常，而為逆相序，則顯示L2L1L3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并提示逆相序信息“L”，進(jìn)行相序調(diào)整；3）如果所檢測三相電路中的某一相或某兩相缺相時(shí)，則顯示出缺相情況（圖9中是以缺B相為例），關(guān)閉可控硅，切斷電源。

圖7 正相序

圖8 逆相序

圖9 缺B相

4 結(jié)語

經(jīng)過性能測試及相關(guān)單位的試用表明：該三相電源實(shí)時(shí)監(jiān)測儀無論從檢測的準(zhǔn)確性，還是工作的穩(wěn)定性等方面均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有檢測速度快、操作使用簡單直觀、性能穩(wěn)定可靠，可有效預(yù)防由于三相電源相序故障導(dǎo)致的陀螺球翻球。

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