基于集成電路的航空交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器設計

（海軍裝備部 航空技術保障部，北京 100083）

飛機同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、負載（負載的大小或功率因素）變化時，其電壓將隨之變化。為保證用電設備的正常工作，就需要通過改變激磁機的激磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的電壓。集成運算放大器式的電壓調(diào)節(jié)器是航空發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)的發(fā)展趨勢。

1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器的基本原理

集成運算放大器式的電壓調(diào)節(jié)器以晶體管電壓調(diào)節(jié)為基礎，其基本原理如圖1a）所示。[1]圖中大功率晶體管BG 串聯(lián)在激磁機激磁線圈Wjj電路中，用來控制激磁機的激磁電流。通過合理設置大功率晶體管的工作條件，使其工作在開關狀態(tài)，等效電路如圖1b）所示。

圖1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器原理圖

設Rjj和L為激磁機繞組的電阻和電感，E為電源電壓，t1為功率管導通時間，導通期間的電流為ion，t2為功率管截止時間，截止期間的電流為iof，則功率管導通和截止期間的電壓平衡方程式為：

上面方程的解為：

式中：T=t1+t2；A、B為積分常數(shù)。

式(3)、(4)反映了發(fā)電機在大功率晶體管的控制作用下，激磁電流按照指數(shù)規(guī)律變化。

在一個工作周期內(nèi)，激磁電流的平均值可由以下積分公式求出：

在功率管的控制下，激磁電流的平均值Ijj與功率管的導通比σ成正比。只要使功率管導通比隨發(fā)電機工作狀態(tài)的變化而作相應的改變，就可以控制激磁機的激磁電流，從而使發(fā)電機的端電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

2 硬件電路設計

該調(diào)節(jié)器針對三級式無刷交流發(fā)電機進行設計。

所謂三級式交流發(fā)電機，即是指交流發(fā)電機由永磁式付激磁機、激磁機、發(fā)電機組成。所設計的調(diào)壓器原理電路如圖2所示。圖中，A1、A2、A3采用一片集成運放LM124[2]進行設計。

圖2 基于集成電路航空交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器原理電路

由于采用集成芯片和大功率管進行電路的設計，首先必須解決整個電路的工作電壓。本設計利用航空發(fā)動機經(jīng)過恒速傳動裝置帶動永磁機的永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在三相定子繞組中產(chǎn)生三相交流電，再由全波整流器進行整流、降壓，為調(diào)壓系統(tǒng)提供所需的直流工作電源。

2.1 測量比較電路

飛機交流發(fā)電機輸出的三相交流電經(jīng)變壓器B降壓，三相橋式整流器整流和阻容濾波后，加在R2、R3和電位計W的串聯(lián)電路上。由于濾波電路的時間常數(shù)較大，濾波后的電壓基本上是平穩(wěn)的直流。電位計W的活動觸點A 經(jīng)電阻R4接在集成運算放大器A1的反相端，穩(wěn)壓管DZ1接在集成運算放大器A1的同相輸入端，穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓作為基準電壓。該電路檢測三相電壓的平均值。

2.2 差動放大和校正電路

A1的外圍電路聯(lián)接成比例放大環(huán)節(jié)，發(fā)電機端電壓越高，測量比較電路的輸出電壓UAB越高，放大器輸出端D點的電位越低。該電路提高放大器前向通道的放大倍數(shù)，減小系統(tǒng)調(diào)壓的靜態(tài)誤差。

電阻R8、R9和電容C2、C3組成串聯(lián)超前校正電路，提高調(diào)壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反應的快速性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.3 三角波發(fā)生器

因為測量比較電路輸出電壓UAB為平穩(wěn)的直流電壓，為了進行調(diào)制而設計該電路。A3輸出端E點的電位被穩(wěn)壓管DZ2和DZ3限制在UZ的范圍內(nèi)，F(xiàn)點的電位為UZ為穩(wěn)壓管DZ2、DZ3的穩(wěn)定電壓。假定開始瞬間E點電位為+UZ，F(xiàn)點的電位為+βUZ，b點的電位為?βUZ。集成運算放大器A3由E點經(jīng)電阻R14向電容C9充電，使b點電位不斷升高。b點電位與時間的關系是則：

由初始條件t=0時，Ub=UZ?A=?βUZ可得A=(1 +β) UZ，所以：

可見電壓Ub是按指數(shù)曲線上升的。

電壓Ub加在A3的反相輸入端，當Ub上升到略大于βUZ時，A3立即翻轉(zhuǎn)，E點電位變?yōu)?UZ，F(xiàn)點電位為UF=?βUZ。

Ub由?βUZ上升到βUZ的時間t1，由式(7)求出：

此后電容器C5通過電阻R14放電，b點電位逐漸降低。在經(jīng)過時間t1后，b點電壓又降低為?βUZ，A3輸出端電壓UE又返回到+UZ。如此不斷循環(huán)，每個循環(huán)的周期為：

設計過程中，使參數(shù)R14C5＞＞T，電壓Ub的上升曲線與下降曲線近似直線，所以該電路的輸出電壓的波形近似為三角波。參看圖3a）。三角波發(fā)生器的輸出電壓加在比較放大器A2的同相輸入端。

2.4 比較放大器

集成運放A2用作比較放大器。差動放大器的輸出電壓UD加在A2的反相輸入端，三角波的輸出電壓Ub加在A2的同相輸入端。A2的輸出電壓UH取決于兩個輸入電壓的相對大小。當Ub＞UD時，A2輸出電壓UH為正，當Ub＜UD時，A2輸出電壓UH為負。該電路完成對差動放大器輸出電壓的調(diào)制作用，即把數(shù)值不同的UD轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑢挾鹊妮敵雒}沖。輸入電壓UD越高，比較放大器輸出的正脈沖的寬度越窄；反之則越寬。比較放大器的輸入與輸出電壓波形參看圖3b）。

2.5 整形放大和功率放大電路

晶體管BG1對前級輸入的脈沖信號進行整形，輸出標準的矩形波，參看圖3c）。

大功率晶體管BG2、BG3采用達林頓聯(lián)接[3]，串聯(lián)在激磁機激磁線圈Wjj的電路中，改變其導通比，即可控制激磁電流的大小。二極管D13為續(xù)流二極管，在功率管截止期間，它為激磁電流提供續(xù)流通路，以防止功率管由導通轉(zhuǎn)為截止時，在激磁繞組中產(chǎn)生過高的自感電勢將功率管擊穿，同時又可使激磁電流平滑。R12為加速電阻，改善調(diào)壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.6 調(diào)壓器的工作過程

當發(fā)電機負載電流減小，端電壓升高時，測量比較電路的電位計W 活動觸點A的電位升高，差動放大器A1的輸出電壓UD降低，比較放大器A2輸出的正脈沖寬度增大，使功率管BG2、BG3的導通比下降，激磁機的激磁電流下降，發(fā)電機電壓降低，從而使發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)；當發(fā)電機負載電流增大，發(fā)電機端電壓降低時，調(diào)節(jié)過程與上述過程相反。

3 仿真試驗、系統(tǒng)對接調(diào)試

新研制的電壓調(diào)節(jié)器采用Multisim 10 軟件工具對所設計的調(diào)壓器電路進行仿真驗證，[4]該軟件作為電路設計的輔助設計工具，得到了廣泛的應用，具備以下突出特點：① 集成環(huán)境簡潔易用；② 虛擬實驗儀器豐富；③分析功能多樣；④ 輸入輸出接口具有廣泛的兼容性；⑤可自定義設計環(huán)境。

另外，Multisim 10 還支持VHDL 和Verilog 語言的電路仿真與設計。

通過仿真，系統(tǒng)中各模塊電路的輸出電壓波形見圖3，其中，左側(cè)為UF＞UFe時波形，右側(cè)為UF＜UFe時波形（UF為發(fā)電機的實際輸出電壓、UFe為發(fā)電機的額定電壓）。當UF＞UFe時，整形放大電路輸出波形寬度變窄，末級大功率晶體管σ減小，Ijj減小，從而使發(fā)電機輸出電壓降低；當 UF＜UFe時，與UF＞UFe的調(diào)壓過程相反，滿足了電壓調(diào)節(jié)的要求。

電路參數(shù)經(jīng)反復計算和利用仿真手段選優(yōu)，保證了信號輸出的精度。所設計的電壓調(diào)節(jié)器與某型三級式交流發(fā)電機配套工作，長時間工作穩(wěn)定可靠，達到穩(wěn)定發(fā)電機輸出電壓的要求。調(diào)壓精度穩(wěn)定在U額定±0.5 V 內(nèi)。

該調(diào)壓器與以往基于分立元器件所設計的電壓調(diào)節(jié)器相比，具有以下特點：

1）因為它的調(diào)制電路不是利用發(fā)電機電壓經(jīng)濾波整流后的三角波，而是由專門的電路產(chǎn)生的三角波來完成調(diào)制，因此這種調(diào)壓器也可用于直流發(fā)電機電壓的調(diào)節(jié)。

2）三角波的幅值與濾波電容器C1的電容量無關。因此，當環(huán)境溫度變化引起C1的電容量變化時，不會造成溫度誤差。[5]

3）測量比較電路的變壓器B 接成Y/△形式，次級繞組輸出電壓中出現(xiàn)3次及3的倍數(shù)次諧波，因此其波形較好，受負載變動的影響小，因而測量比較電路的輸出電壓UAB受負載變動的影響小，有利于提高調(diào)壓精度。

4 結(jié)束語

基于集成運放設計飛機交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器，不僅使設備的體積小、重量輕、價格低廉，而且具有抗干擾能力強、可靠性好、調(diào)壓精度高等特點；同時，由于調(diào)壓器內(nèi)部電路信號傳遞關系簡單，便于地面維護人員的校驗和維修，因此具有顯著的經(jīng)濟和軍事效益。

[1]劉愛元,盧建華.飛機電源與電氣控制[M].北京:海潮出版社,2008:63-64.

[2]龍忠琪,金燕.模擬集成電路教程[M].北京:科學出版社,2004:224.

[3]沃爾夫?qū)?施姆希.基本電路[M].北京:科學出版社,1997:97.

[4]常華,袁剛,常敏嘉.仿真軟件教程—Multisim 和MATLAB[M].北京:清華大學出版社,2006:35-75.

[5]PHILLIP E ALLEN,DOUGLAS R HOLBERG.CMOS模擬集成電路設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:163.