脈沖調(diào)頻式飛機電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計研究

盧建華 ，郝凱敏 ，馬 晨 ，李 運

（1.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，煙臺 264001；2.91362部隊，舟山 316200；3.海軍駐貴陽地區(qū)軍事代表室辦事處航空總體辦公室，貴陽 561000）

飛機電源品質(zhì)關(guān)系著飛機上用電設(shè)備的安全與性能的發(fā)揮，隨著飛機的更新以及機載用電設(shè)備的換代，機載用電設(shè)備對供電品質(zhì)提出了更高的要求。為了提供高品質(zhì)的工作電源，一般通過電壓調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)激磁機的激磁電流從而實現(xiàn)對發(fā)電機輸出電壓的調(diào)節(jié)。而集成電路由于具有體積小，誤差小，調(diào)節(jié)時間快等優(yōu)點，集成化、智能化的電壓調(diào)節(jié)器成為飛機發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器的發(fā)展趨勢。

1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器的基本原理

晶體管電壓調(diào)節(jié)器是以大功率晶體管為基礎(chǔ)，將激磁繞組與大功率晶體管串接，通過控制晶體管的導(dǎo)通比，實現(xiàn)對激磁繞組中激磁電流的控制，最終實現(xiàn)對發(fā)電機電壓的調(diào)節(jié)。其等效電路如圖1所示。

設(shè)導(dǎo)通時通過晶體管電流為ion，截止時通過晶體管電流為ioff，根據(jù)晶體管導(dǎo)通與截止期間電壓平衡方程可以得到ion、ioff的表達式。從而可以得出一個周期內(nèi)激磁電流Ijj的平均值：

圖1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器原理圖Fig.1 Schematic diagram of transistor voltage regulator

式中：t1為晶體管導(dǎo)通時間；t2為晶體管截止時間；σ為控制晶體管脈沖波的導(dǎo)通比。

由式（1）、式（2）可以得出，通過激磁電流 Ijj與導(dǎo)通時間或?qū)l率成正比。因此控制激磁電流的方法有兩種，第一種方法是保持導(dǎo)通頻率不變，改變導(dǎo)通時間，即脈沖調(diào)寬式電壓調(diào)節(jié)[1]；第二種方法是保持導(dǎo)通時間不變，改變導(dǎo)通頻率，即脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)。設(shè)計中采用第二種方法，即脈沖調(diào)頻式來調(diào)節(jié)電壓。

2 總體方案設(shè)計

基于集成電路脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器總體方案[2]如圖2所示。其由電壓敏感電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路組成。

圖2 脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器總體方案Fig.2 General scheme diagram of Pulse FM voltage regulator

圖中UF為交流發(fā)電機輸出電壓；Uav為三相電壓敏感電路輸出的平均電壓；f為壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出方波的頻率；Wjj為交流發(fā)電機勵磁機的激磁線圈。

總體方案設(shè)計思路：電壓敏感電路通過敏感發(fā)電機輸出電壓UF，輸出一個與發(fā)電機電壓UF平均值成正比的電壓信號Uav，該電壓信號輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路中產(chǎn)生頻率與電壓敏感電路電壓Uav成正比的方波信號，該方波信號輸入到功率放大電路中，產(chǎn)生電流值與方波頻率成反比例系數(shù)的激磁電流。當(dāng)發(fā)電機電壓隨外界因素而電壓升高時，經(jīng)過脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生頻率較高的方波，經(jīng)過功率放大電路，產(chǎn)生電流值較小的激磁電流，使得發(fā)電機電壓降低；而當(dāng)發(fā)電機電壓隨外界因素而電壓降低時，經(jīng)過脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生頻率較低的方波，經(jīng)過功率放大電路，產(chǎn)生電流值較大的激磁電流，從而使得發(fā)電機輸出電壓升高。

3 詳細電路設(shè)計

3.1 電壓敏感電路設(shè)計

電壓敏感電路是調(diào)壓器實現(xiàn)調(diào)壓的基礎(chǔ)。飛機上常采用平均相電壓敏感電路或最高相電壓敏感電路。為了克服以往平均相電壓敏感電路無法避免短路相影響以及最高相電壓敏感電路無法監(jiān)測最高相以外兩相相電壓的缺點，設(shè)計中提出一種改進型的平均相電壓電壓敏感電路。

設(shè)計中電壓敏感電路采用基于AD536的有效值轉(zhuǎn)換電路來檢測每一相的相電壓，再將三相電壓的電壓測量值取平均值，實現(xiàn)檢測發(fā)電機輸出電壓的功能。需要指出的是，經(jīng)過變壓電路以及有效值轉(zhuǎn)換電路得到的輸出電壓變化范圍很小，僅為（n2ΔUF）/n1，過小的電壓增益不利于系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，因此在有效值電路后級加入倍壓電路。綜合考慮后級壓頻轉(zhuǎn)換電路對輸入電壓的要求，在倍壓電路之前加一級減法電路。鑒于飛機發(fā)電機三相電壓基本對稱，因此倍壓電路接在加法電路與壓頻轉(zhuǎn)換電路之間最為恰當(dāng)。

其中，每一相的電壓敏感電路由變壓電路、有效值轉(zhuǎn)換電路、減法電路組成。圖3所示的電路是用來檢測飛機發(fā)電機輸出三相電壓中某一相電壓的電路。

為了將強電與弱電分離，在發(fā)電機輸出端與有效值轉(zhuǎn)換電路之間接入合適的變壓器，使變壓后的電壓適合后級有效值轉(zhuǎn)換電路輸入電壓要求。由于飛機發(fā)電機輸出電壓變化范圍不超過±10%[3]，且AD536最大輸入電壓為7 Vrms[4]，故設(shè)置變壓器電壓比為21∶1。此時，理論上，有效值轉(zhuǎn)換電路輸出電壓范圍為4.9 V～6 V，變化范圍為1.09 V，因此減法電路可以設(shè)計為減去4 V。單相電壓檢測電路如圖3所示。經(jīng)減法電路輸出電壓有效值理論上為

式中：n1為變壓器原邊繞組匝數(shù)；n2為變壓器副邊繞組匝數(shù)。

需要指出的是，平均相電壓敏感電路[1]（三相全波整流方式）輸出電壓為

圖3 單相電壓敏感電路Fig.3 Single-phase voltage-sensitive circuit

如果發(fā)電機某相（以A相短路為例）短路，會造成Uav的輸出值降低，通過電壓調(diào)節(jié)器的反饋作用，使得其余相（B、C相）電壓升高。從而對機載用電設(shè)備造成不可逆的損害。

設(shè)計中對這種電壓測量方式做出一點改進，在每一相的電壓敏感電路和加法電路之間加入控制開關(guān)，使得當(dāng)某相短路時（A相短路為例），其對應(yīng)的2個開關(guān)（S3、S4）自動斷開，使得電壓調(diào)節(jié)器可以迅速切斷該短路相的影響，最終使得發(fā)電機輸出正常的激磁電流。由于篇幅關(guān)系，在此不給出短路開關(guān)具體控制方案，只給出控制邏輯關(guān)系，三相電壓敏感電路如圖4所示。

圖4 三相電壓敏感電路Fig.4 Three-phase voltage sensitive circuit

根據(jù)電壓傳遞關(guān)系，可以得出加法電路輸出電壓的表達式：

根據(jù)式（5），當(dāng)三相電壓都正常時，電壓輸出為（Uao+Ubo+Uco）/3；當(dāng)某一相短路時，例如 A 相短路，開關(guān) S3、S4斷開，R20、R24不接入電路，有：

由式（6）可以得出，當(dāng)A相短路時，三相電壓敏感電路輸出電壓不受短路相A相的影響。同樣的，當(dāng)有兩相短路時，可以通過式（5）得出，三相電壓敏感電路輸出電壓僅為正常相電壓相關(guān)。

在加法電路之后加入倍壓電路，根據(jù)后級壓頻轉(zhuǎn)換電路輸入電壓要求以及功率放大電路對于輸入頻率的要求，設(shè)置倍壓電路的倍數(shù)為4倍。當(dāng)A、B、C三相電都正常時，三相電壓敏感電路輸出電壓為

3.2 壓頻轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

壓頻轉(zhuǎn)換電路是調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器的核心所在。設(shè)計中壓頻轉(zhuǎn)換電路由LM324構(gòu)建的差分積分電路組成以及由555定時器搭建的脈沖發(fā)生電路組成。所設(shè)計的壓頻轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 壓頻轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Voltage-frequency conversion circuit

555定時器工作在單穩(wěn)態(tài)觸狀態(tài)時，其輸出由THR端和TRI端控制。當(dāng)THR端輸入電壓大于2/3 VCC時，555定時器輸出低電平，當(dāng)THR端輸入電壓小于2/3 VCC且TRI端輸入電壓小于1/3 VCC時，555輸出高電平。

555定時器從啟動到正常工作包含兩個階段，第一階段為初始狀態(tài)階段，第二階段為穩(wěn)定狀態(tài)階段，這兩個階段電壓波形如圖6所示。

圖6 555定時器工作階段Fig.6 555 timer work phase

初始階段：Utri、Uthr均為低電平，555 定時器輸出高電平 Uoh，555 定時器 TRI端經(jīng)過 R36，C16組成的積分電路充電，從Utri=0 V逐漸上升，通過設(shè)計R37，C14參數(shù)，使得當(dāng) Utri＞1/3 VCC 時，Uthr＜2/3 VCC，那么555定時器將輸出保持為高電平 Uoh，C17，C16，C14得以繼續(xù)充電。當(dāng)C14繼續(xù)充電使得Uthr＞2/3 VCC時，555輸出為低電平Uol。此時，C14將通過555定時器內(nèi)部器件迅速放電，直至為零，即Uthr=0 V＜2/3 VCC。C17，C16經(jīng)電阻 R38，R36放電，直到 Utri＜1/3 VCC，初始狀態(tài)階段結(jié)束，555定時器轉(zhuǎn)到穩(wěn)定狀態(tài)階段。

穩(wěn)定階段：上面分析到Utri＜1/3 VCC，Uthr=0 V＜2/3 VCC，555定時器輸出為高電平Uoh，此時，C14從Uthr=0 V 開始充電，C17，C16從 Utri=1/3 VCC 開始充電，在Uthr充電到2/3 VCC過程中，555定時器保持輸出為高電平。 C17，C14，C16繼續(xù)充電，當(dāng) C14上的電壓大于2/3 VCC時，555定時器輸出變?yōu)榈碗娖?，C14迅速通過555定時器內(nèi)部器件放電至0 V，同時C17，C16通過 R38，R36放電， 當(dāng)放電使得 Utri＜1/3 VCC時，由于此時Uthr=0 V＜2/3 VCC，555定時器輸出變?yōu)楦唠娖?。至此，完成?55定時器穩(wěn)定狀態(tài)下的第一個工作周期[5]。

555定時器工作狀態(tài)穩(wěn)定后，THR端充電時間t1=1.1R37C14，經(jīng)過分析可以得出，TRI端放電時間與輸入電壓Uav及R35C15有關(guān)。在設(shè)計中為了方便參數(shù)的確定，令τ＝R38C17=R37C14=R35C15。在確定了 τ的參數(shù)后，555定時器輸出頻率只與輸入電壓Uav成函數(shù)關(guān)系。

對圖5所示電路進行仿真，設(shè)置A、B通道輸入電壓分別為3.6V和7.2V，利用Multisim軟件進行仿真，得到仿真波形如圖7所示。其中A通道方波輸出頻率為 1.198 kHz，B通道輸出方波頻率為2.396kHz。由圖7，可以得出，壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出方波頻率與輸入電壓成線性關(guān)系。

圖7 壓頻轉(zhuǎn)換電路仿真驗證Fig.7 Simulation verification of voltage-frequency conversion circuit

3.3 功率放大電路的設(shè)計

功率放大電路是電壓調(diào)節(jié)器的最后一級，其作用是給激磁繞組提供大小合適的電流[6]。由于設(shè)計需要，功率放大電路的激磁電流與輸入方波頻率成反比。因此，功率放大電路由3只大功率晶體管組成。功率放大電路如圖8所示。

圖8 功率放大電路Fig.8 Power amplifier circuit

功率放大電路由脈沖發(fā)生電路驅(qū)動，經(jīng)過三極管Q1產(chǎn)生反相的方波，再經(jīng)過達林頓連接的Q2、Q3從而控制激磁電流。其中L2為激磁機的等效電感，R40為激磁機等效電阻，D2為保護電路而設(shè)計的續(xù)流二極管。

在大功率開關(guān)管作用下，由于激磁繞組中電感的存在，使得激磁電流按照指數(shù)規(guī)律變化。通過查閱相關(guān)資料[6]，R40=1 Ω，L2=0.02 H。 開關(guān)管導(dǎo)通時，激磁電流按照指數(shù)增長，但其在增長到最大值之前就因為開關(guān)管截止而呈指數(shù)下降，同樣地，在開關(guān)管截止時，激磁電流按指數(shù)衰減，且激磁電流在其未下降到最低時就開始呈指數(shù)增長。因此，激磁電流是一個脈動的周期電流。

根據(jù)式（1），一個周期內(nèi)激磁電流平均值為

其中σ為Q2的導(dǎo)通比，根據(jù)圖8所示電路可知，Q2與Q1的導(dǎo)通比存在以下關(guān)系：

Q1的導(dǎo)通比 σQ1為

聯(lián)立式（1）、式（9）、式（10）可以得出：

從公式可以看出激磁電流與振蕩電路的頻率f成反比例系數(shù)的一次函數(shù)。在壓頻轉(zhuǎn)換電路結(jié)尾處我們得到了555定時器輸出頻率只與輸入電壓Uav成一定的函數(shù)關(guān)系，因此激磁電流與壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓成一定的函數(shù)關(guān)系。對以上所設(shè)計的壓頻轉(zhuǎn)換電路及功率放大電路部分進行交聯(lián)仿真，統(tǒng)計仿真數(shù)據(jù)得到表1，根據(jù)表1繪得如圖9的輸入輸出曲線。

表1 輸入電壓與輸出電流關(guān)系Tab.1 Relation table of input voltage and output current

圖9 輸入電壓與輸出電流關(guān)系Fig.9 Relationship between input voltage and output current

由曲線可以看出，激磁電流與輸入電壓關(guān)系曲線斜率為負。且決定系數(shù)為0.9989，說明激磁電流與輸入電壓成線性關(guān)系。

4 系統(tǒng)集成與驗證

將三相電壓敏感電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路集成，可以得到基于集成電路的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器的總體電路如圖10所示。

需要指出的是，為了防止系統(tǒng)啟動時三相電壓敏感電路輸出負相電壓值，在三相電壓敏感電路與壓頻轉(zhuǎn)換電路之間加入二極管D1，使得輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路中的電壓值恒為正值。

對所設(shè)計的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器進行驗證：當(dāng)發(fā)電機工作在額定狀態(tài)時，飛機發(fā)電機發(fā)出三相對稱的115 V/400 Hz交流電，經(jīng)過三相電壓敏感電路輸出U0=5.9 V直流電，該電壓信號輸入到由LM324以及555定時器組成的壓頻轉(zhuǎn)換電路，輸出頻率f0=1.89 kHz的方波，再經(jīng)過功率放大電路，輸出Ijj0=12.49 A的激磁電流；當(dāng)飛機發(fā)電機的轉(zhuǎn)速增大或者負載減小時，發(fā)電機輸出的A、B、C三相電壓相應(yīng)升高，經(jīng)過三相電壓敏感電路處理，輸出一個高于參考電壓U0的電壓值，經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換電路，由于壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出頻率與輸入電壓成正比，因此輸出頻率高于設(shè)定頻率f0的方波，該方波信號經(jīng)過由Q1、Q2、Q3組成的成負比例系數(shù)的功率放大電路使得交流激磁機輸出小于設(shè)定電流值Ijj0的激磁電流Ijj。由于發(fā)電機的激磁電流Ij與交流激磁機Ijj成正比，因此當(dāng)Ijj減小時，Ij減小，發(fā)電機輸出電壓降低，實現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)功能。反之亦然。

圖10 脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器集成電路Fig.10 Pulse FM type voltage regulator integrated circuit

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的電壓調(diào)節(jié)器具有以下特點：①壓頻轉(zhuǎn)換電路[7]是由555定時器實現(xiàn)的，并不依賴于發(fā)電機整流后的三角波，因此本設(shè)計方案可以用于調(diào)節(jié)直流發(fā)電機；②采用常用芯片，造價低，可靠性高；③基于集成電路的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器，具有模塊化，小型化，集成化的特點，便于設(shè)備維護、安裝。具有一定的經(jīng)濟和軍事意義。該研究成果對于航空實踐有一定的指導(dǎo)借鑒作用。