精溫控回路在慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳虹　李軍

摘 要：為保證慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性敏感元件工作在一個(gè)理想的環(huán)境溫度，確保慣導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，為慣導(dǎo)系統(tǒng)建立一個(gè)一致性良好的工作環(huán)境，是慣導(dǎo)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。主要介紹了精溫控回路的工作原理，精溫控回路的基本組成和精溫控在慣導(dǎo)設(shè)計(jì)中的成功應(yīng)用等內(nèi)容。應(yīng)用實(shí)踐證明，精溫控回路的設(shè)計(jì)滿足慣導(dǎo)對(duì)環(huán)境溫度的要求。

關(guān)鍵詞：精溫控回路；慣導(dǎo)系統(tǒng)；溫度傳感器；撓性陀螺

中圖分類號(hào)：TN966 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.147

慣性導(dǎo)航已成為當(dāng)代先進(jìn)飛機(jī)不可缺少的機(jī)載電子設(shè)備，也是飛機(jī)最重要的系統(tǒng)之一，導(dǎo)航精度與工作穩(wěn)定性直接關(guān)系到空管系統(tǒng)管理和飛行安全。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，撓性陀螺、加速度計(jì)這些慣性敏感元件的性能一致性及參數(shù)穩(wěn)定性對(duì)其所處的環(huán)境有較高要求，它們直接影響導(dǎo)航精度和工作穩(wěn)定性。因此對(duì)其工作環(huán)境進(jìn)行溫度控制是保證撓性陀螺、加速度計(jì)這些慣性敏感元件工作在較高精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，常用的控溫方式是采用溫控分系統(tǒng)控溫，包括溫度傳感器、溫控電路、導(dǎo)電環(huán)、加熱片及系統(tǒng)內(nèi)部的熱環(huán)境。其中，溫控電路是溫控分系統(tǒng)的核心，通過(guò)溫控電路的控溫功能實(shí)現(xiàn)了溫控回路的閉環(huán)控制，為確保慣導(dǎo)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性提供了保障。

1 精溫控回路的基本組成

精溫控回路主要由R/V轉(zhuǎn)換、A/D采集、計(jì)算機(jī)處理、精溫控電路、加熱片加溫、溫度傳感器等系統(tǒng)組成。通過(guò)精溫控回路實(shí)現(xiàn)了對(duì)撓性陀螺、加速度計(jì)等慣性敏感元件所處環(huán)境的高精度閉環(huán)溫度控制。精溫控回路的組成如圖1所示。

R/V轉(zhuǎn)換電路的核心由運(yùn)放電路組成，運(yùn)放電路的輸入為由溫度傳感器得到的阻值R，輸出端為電壓信號(hào)V，輸出電壓值隨著輸入阻值的減小而相應(yīng)減小。溫度傳感器為一負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。該熱敏電阻為溫度敏感元件，其電阻值隨所處環(huán)境溫度的升高而相應(yīng)減小。

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，熱敏電阻初始值為R1，對(duì)應(yīng)慣性敏感元件所處的環(huán)境溫度為T1。假定在輸入阻值為R1的時(shí)候輸出電壓值為V1，該輸出電壓值V1通過(guò)A/D采集量化為數(shù)字量送至計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)將該數(shù)字量解算為占空比W1%的脈沖調(diào)寬波后通過(guò)精溫控電路實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱片的加溫。此時(shí)，在加溫電流I1的影響下，被控慣性敏感元件的環(huán)境溫度升高至T2（T2>T1）。

環(huán)境溫度的升高使得溫度傳感器電阻值減小為R2（R2W1%），使得精溫控電路加溫功率減小，相應(yīng)加熱片加溫電流I2減?。↖2

由以上的分析可以得出，計(jì)算機(jī)輸出的脈沖調(diào)寬波正是通過(guò)精溫控電路的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電流可變的調(diào)節(jié)。該特性使被控加熱片加熱功率隨溫度傳感器進(jìn)行同步變化，從而滿足了對(duì)慣性敏感元件所處環(huán)境的溫度控制。

下面，我們將對(duì)精溫控電路的基本原理展開描述。

2 精溫控電路的基本原理

圖2所示的電路為精溫控電路基本原理。在精溫控電路中，其需用到的電源有115 V/400 Hz及27 V 2種且需低端共地。輸入信號(hào)為陀螺脈沖調(diào)寬波與加速度計(jì)脈沖調(diào)寬波。該脈沖調(diào)寬波由計(jì)算機(jī)輸出，經(jīng)光電耦合器隔離送至精溫控電路。輸出信號(hào)為陀螺調(diào)寬出與加計(jì)調(diào)寬出，輸出信號(hào)的最大帶載能力取決于負(fù)載，即加熱片的阻值。

輸出最大電流計(jì)算公式為：

由表1可知，只有在V2-C、V3-C均為27 V時(shí)，三極管V4方可導(dǎo)通。因此在圖2中，二極管VD3、VD4組成一與門。

不難看出，在輸入調(diào)寬波（在實(shí)際的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，該調(diào)寬波有全5 V波、全0 V波及占空比可調(diào)的脈沖調(diào)寬波3種。本文中為便于電路分析，我們假定了該調(diào)寬波是一固定占空比寬度的調(diào)寬波）的作用下，三極管V4將在導(dǎo)通與截止2種工作狀態(tài)之間來(lái)回切換。這使V4的輸出電流受輸入調(diào)寬波控制。只有在V4導(dǎo)通時(shí)，V4的后級(jí)電路（即加溫電路）才能工作。

那么，三極管V4的輸出電流是如何作用于負(fù)載加熱片RJRP上，RJRP對(duì)該電流又是如何響應(yīng)的呢？這需要注意以下2個(gè)特性：①在圖2中，V5、V6均為2個(gè)單向?qū)ǖ目煽毓?。該可控硅在滿足觸發(fā)端有電流，且陽(yáng)極電位高于陰極電位時(shí)單向?qū)?。?15 V/400 Hz的波形包括115 V/400 Hz的正半周波形與115 V/400 Hz的負(fù)半周波形2部分，加溫電源在負(fù)載加熱片RJRP的導(dǎo)通也將分115 V/400 Hz的正半周導(dǎo)通與115 V/400 Hz的負(fù)半周導(dǎo)通2部分。

我們首先來(lái)討論115 V/40 Hz正半周的導(dǎo)通原理。在V4導(dǎo)通的情況下，V4的發(fā)射極（e極）有電流，那么，V5控制端V5-1也有觸發(fā)電流，且滿足V5的陽(yáng)極電壓V5-2（115 V/400 Hz正半周）高于陰極電壓V5-3（115 VL）。由概念一可知，可控硅V5導(dǎo)通，V5的陽(yáng)極電壓V5-2為115 VL。此時(shí)，負(fù)載加熱片RJRP上115 V/400 Hz的正半周通過(guò)。

在115 V/400 Hz正半周電壓的作用下，二極管VD5導(dǎo)通，由于V5在導(dǎo)通時(shí)陽(yáng)極電壓V5-2為115 VL，按照?qǐng)D2中的接線關(guān)系，不難得出電容C3的2端也為115 VL，此時(shí)電容C3充電。當(dāng)115 V/400 Hz負(fù)半周來(lái)臨時(shí)，二極管VD5不導(dǎo)通，此時(shí)電容C3放電，V6的控制端V6-4有電流通過(guò)，同時(shí)滿足V6的陽(yáng)極電壓V6-3（115 VL）高于陰極電壓V6-2（115 V/400 Hz負(fù)半周），因此可控硅V6導(dǎo)通。此時(shí)，負(fù)載加熱片RJRP上115 V/400 Hz的負(fù)半周通過(guò)。

可見，V5和V6的電路搭建形式組成了一個(gè)雙向?qū)ǖ目煽毓?。該可控硅可以滿足交流電源115 V/400 Hz需雙向?qū)ǖ奶匦浴?/p>

3 精溫控回路的具體應(yīng)用

精溫控回路的設(shè)計(jì)已成功地應(yīng)用于某型慣導(dǎo)的設(shè)計(jì)中。試驗(yàn)結(jié)果表明，加熱片上溫度傳感器通過(guò)R/V轉(zhuǎn)換生成的輸入調(diào)寬波通過(guò)占空比的即時(shí)改變使得加熱片能夠得到精準(zhǔn)的溫度控制。該型慣導(dǎo)系統(tǒng)在未到溫時(shí)為一隨動(dòng)系統(tǒng)，在到溫后為一穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。

至此，慣導(dǎo)系統(tǒng)中撓性陀螺及加速度計(jì)在精溫控回路的作用下，在其被控對(duì)象（加熱片）工作時(shí)會(huì)形成一完整的占空比可調(diào)的115 V/400 Hz加溫波形。由于加溫電壓高，在慣導(dǎo)系統(tǒng)使用中可以有效減少導(dǎo)電環(huán)數(shù)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速到溫（在某型慣導(dǎo)系統(tǒng)中，到溫時(shí)間為3 min）。且由于控溫方式為精溫控，受控對(duì)象控溫精度較高，控溫精度可達(dá)±0.1 ℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)精溫控回路在慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)中重要慣性敏感元件（撓性陀螺、加速度計(jì)）的精確溫度控制，在使得慣性敏感元件工作性能穩(wěn)定的同時(shí)縮短了慣導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)備時(shí)間。采用精溫控回路控溫，具有能使控溫環(huán)境溫度穩(wěn)定、控溫精度高等優(yōu)勢(shì)，它為整個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)的熱容量設(shè)計(jì)和將慣導(dǎo)系統(tǒng)工作在一個(gè)理想的環(huán)境溫度條件中均奠定了基礎(chǔ)。試驗(yàn)證明，精溫控回路控溫系統(tǒng)滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度控制的要求，其工作狀態(tài)良好，可為其他相關(guān)應(yīng)用提供有益的借鑒。

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〔編輯：劉曉芳〕