飛機(jī)電源系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) (2)

1、飛機(jī)電源系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)脈沖調(diào)頻式（PFW）飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器 組員： 黃 凱 131142610 康 琦 131142612 李言濤 131142614 劉健鈞 131142617 劉 帥 131142618 盧毅航 131142620 馬昕鵬 131142622 目錄一：任務(wù)提出 1 二：設(shè)計(jì)方案 2.1工作原理 2.2比較電路 2.3振蕩電路 2.4功率放大 三：調(diào)壓器工作過程 四：設(shè)計(jì)綜述 1 任務(wù)提出：設(shè)計(jì)題目：脈沖調(diào)頻式（PFM）飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)二設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1） 熟悉晶體管調(diào)壓器的工作原理，給出脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器原理框圖。（2） 測量比較電路的設(shè)計(jì)（電路圖、工作原

2、理）（3） 振蕩電路的設(shè)計(jì)（電路圖、工作原理）（4） 功率放大電路的設(shè)計(jì)（電路圖、工作原理）三：設(shè)計(jì)要求：調(diào)壓系統(tǒng)應(yīng)具有抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)壓精度高的特點(diǎn)，可為各種航空交流發(fā)電機(jī)電壓自動調(diào)節(jié)的工程實(shí)現(xiàn)提供參考。一：晶體晶體管管調(diào)壓的工作原理 晶體晶體管管調(diào)壓是以大功率晶體管或場效應(yīng)管作為開關(guān)原件，控制交流勵(lì)磁機(jī)的平均勵(lì)磁電流，以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。如圖所示，圖中大功率晶體管BG串聯(lián)在激磁機(jī)激磁線圈Wjj電路中，用來控制激磁機(jī)的激磁電流。通過設(shè)置晶體管基級電壓的大小，使其工作在開關(guān)狀態(tài)，等效電路如圖(b)示。 晶體管調(diào)壓器的控制方式有兩種，脈沖調(diào)寬（Pulse Width Modulation,PW

3、M）和脈沖調(diào)頻式（Pules Frequence Modulation,PFM）?，F(xiàn)在主要采用的是脈沖調(diào)寬式，但脈沖調(diào)頻擁有更高的穩(wěn)定性，所以在這介紹脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器。 根據(jù)功率管導(dǎo)通和截止期間的電壓平衡方程可解出 i on 、 i of 的表達(dá)式，從而可求得在一個(gè)工作周期內(nèi)，激磁電流的平均值為： 式中，為大功率管的導(dǎo)通比，其表達(dá)式為： =t1/(t1+t2)=t1/T 在功率管的控制下，激磁電流的平均值 I jj與功率管的導(dǎo)通比成正比。只要使功率管導(dǎo)通比隨發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的變化而作相應(yīng)的改變，就可以控制激磁機(jī)的激磁電流，從而使發(fā)電機(jī)的端電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。而改變導(dǎo)通比的方法有兩種，一是改

4、變其分子，保持工作周期不變；一是改變其分母，保持分子不變。這兩種方法對應(yīng)著電壓調(diào)節(jié)器的兩種基本形式，即脈沖調(diào)寬式電壓調(diào)節(jié)和脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)。 所以調(diào)寬電路是保證T（t1+t2)不變，改變t1的調(diào)節(jié)輸出電壓的。 調(diào)頻電路則是保證t1不變，改變t2的時(shí)間長短來調(diào)節(jié)輸出電壓。 脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器的總體設(shè)計(jì)方案如圖所示。 主要由測量比較電路、振蕩器、脈沖發(fā)生器和功率放大電路組成。 測量比較電路實(shí)時(shí)敏感發(fā)電機(jī)的輸出電壓 U F ，并與額定電壓進(jìn)行比較，輸出電壓 U 與發(fā)電機(jī)電壓的偏差成正比，該電壓輸入振蕩器，振蕩器的振蕩頻率與電壓 U 成正比，振蕩器的輸出經(jīng)脈沖發(fā)生器得到一列寬度 t 1 相等而頻率

5、與電壓 U成正比的脈沖波。這些脈沖波控制功率放大電路中的大功率晶體管的導(dǎo)通比，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的激磁電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。二測量比較電路的設(shè)計(jì) 測量比較電路由降壓變壓器、整流器和比較電橋組成，其原理電路如圖所示。三項(xiàng)交流電通過6個(gè)二極管整流成為直流電方便比較，即在D可以獲得三項(xiàng)交流電的平均電壓等效的直流電。電阻W可以并聯(lián)一個(gè)濾波電容。在A,B的電壓UAB是W上可調(diào)部分電壓與DZ穩(wěn)壓二極管電壓差。從而獲得三項(xiàng)電路的電壓變化情況。 根據(jù)交流發(fā)電機(jī)線電壓向量圖與三相橋式整流器的輸出電壓波形，可推導(dǎo)出三相全波流電路輸出電壓的平均值為： 由式(3)可知，整流器的輸出電壓 U zp 與三相線

6、電壓的平均值成正比，調(diào)壓器按三相電壓的平均值進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用該調(diào)節(jié)方式，只保證三相電壓的平均值基本不變。若三相負(fù)載不平衡，則各相電壓不同，特別是當(dāng)某一相發(fā)生短路時(shí)，其它兩相的電壓勢必過高，這是此種調(diào)節(jié)方式的不足所在。實(shí)際工程中，由于正常相的相電壓高出額定電壓的數(shù)值比固定相電壓調(diào)節(jié)時(shí)小得多，因而對用電設(shè)備的危害程度也相對較小。為了彌補(bǔ)按三相電壓的平均值進(jìn)行調(diào)壓的不足，故障狀態(tài)時(shí)可設(shè)置最高相電壓敏感電路限制最高相電壓。三：振蕩電路設(shè)計(jì) 脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)振蕩器，并使其振蕩頻率與偏差電壓 U 成正比。本文采用LM331線性集成電路(VOC)作為核心器件 3 完成振蕩電路的設(shè)計(jì)， 圖

7、是由 LM331 組成的電壓頻率變換電路。外接電阻 Rt 、Ct和定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、R-S觸發(fā)器電壓-頻率變換器工作原理等構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路。當(dāng)輸入端Vi+輸入一正電壓時(shí),輸入比較器輸出高電平,使R-S觸發(fā)器置位,Q輸出高電平,輸出驅(qū)動管導(dǎo)通,輸出端fo為邏輯低電平,同時(shí),電流開關(guān)打向右邊,電流源IR 對電容CL充電。此時(shí)由于復(fù)零晶體管截止,電源 Vcc 也通過電阻 Rt 對電容 Ct 充電。當(dāng)電容 Ct 兩端充電電壓大于 Vcc 的2/3 時(shí),定時(shí)比較器輸出一高電平, 使 R-S 觸發(fā)器復(fù)位,Q 輸出低電平,輸出驅(qū)動管截止,輸出端 fo 為邏輯高電平,同時(shí),復(fù)零晶體管導(dǎo)通,電容 Ct 通

8、過復(fù)零晶體管迅速放電;電流開關(guān)打向左邊,電容 CL 對電阻 RL放電。當(dāng)電容CL 放電電壓等于輸入電壓 Vi 時(shí),輸入比較器再次輸出高電平,使R-S觸發(fā)器置位,如此反復(fù)循環(huán),構(gòu)成自激振蕩。 右圖畫出了電容 Ct、 CL 充放電和輸出脈沖 f0 的波形。設(shè)電容 CL 的充電時(shí)間為 t1,放電時(shí)間為 t2,則根據(jù)電容 CL 上電荷平衡的原理,我們有:(IR-VL/RL)t1=t2VL/RL 上圖為電容充放電輸出波形圖：從上式可得:f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1) 實(shí)際上,該電路的VL在很少的范圍內(nèi)(大約10mV)波動,因此, 可認(rèn)為VL=Vi,故上式可以表示為:

9、f0=Vi/(RLIRt1)可見,輸出脈沖頻率 f0 與輸入電壓 Vi成正比,從而實(shí)現(xiàn)了電壓-頻率變換。式中IR由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源供給的1.90V 參考電壓和外接電阻Rs決定,IR=1.90/Rs,改變 Rs 的值,可調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益,t1 由定時(shí)元件 Rt 和 Ct 決定,其關(guān)系是：t1=1.1RtCt, 典型值Rt=6.8k,Ct=0.01µF,t1 =7.5µs。由 f0=Vi/(RLIRt)可知,電阻 Rs、RL、Rt 和電容 Ct 直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果 f0,因此對元件的精度要有一定的要求,可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電容CL 對轉(zhuǎn)

10、換結(jié)果雖然沒有直接的影響。但應(yīng)選擇漏電流小的電容器。電阻 R1 和電容 C1 組成低通濾波器, 可減少輸入電壓中的干擾脈沖, 有利于提高轉(zhuǎn)換精度。所設(shè)計(jì)的原理電路如圖4所示。結(jié)合芯片內(nèi)部電路，該振蕩電路利用比較器將7腳輸入的正電壓 V IN 與6腳電壓 V X 進(jìn)行比較。若 V IN > V X ，則比較器處于單觸發(fā)工作狀態(tài)。該狀態(tài)下觸發(fā)器的輸出接到邏輯輸出部分，即開集電極晶體管與開關(guān)構(gòu)成的電流源 I ，在周期T 期間，邏輯輸出低電平，同時(shí)電流從電流源流出。若過了單觸發(fā)器的周期 T ，邏輯輸出變?yōu)楦唠娖剑瑳]有從電流源流出電流，這時(shí)電流源結(jié)束對RL-CL充電電路供給電荷 Q ( Q = I

11、0*T )。若 Q 使電壓 V X 增大，比較器再次工作在單觸發(fā)器工作狀態(tài)，電流源再次對RL-CL充電電路供給 Q ，這個(gè)過程持續(xù)到 V X > V IN 。若 V X > V IN ，電流源斷開，則 V X下降直至 V X = V IN ，該動作延續(xù)1個(gè)周期。這樣 V / F 轉(zhuǎn)換器以穩(wěn)定狀態(tài)不斷重復(fù)振蕩，而且為保持 V X > V IN ，電流源以足夠快的速度為電容供給電荷，因此，電容CL的放電速率與 V X / R x 成比例，即電路工作頻率與輸入電壓成比例。圖中， R s 為基準(zhǔn)電流設(shè)定電阻，其阻值設(shè)為14k，這時(shí)，充電電流約為140A，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換頻率 f o = 0

12、.486×Rs × V IN /（RB R0 C0） (kHz/V)，式中， R0 C0為輸出脈沖寬度的時(shí)間常數(shù)。測量比較電路的輸出信號，經(jīng)差動放大電路放大，作為振蕩電路的輸入信號。該信號電壓可能為正，也可能為負(fù)。為滿足 V / F 轉(zhuǎn)換器只對正電壓響應(yīng)的要求，利用 R 1 、 R 2 、 R 3 和穩(wěn)壓電源E構(gòu)成分壓電路，使V/F轉(zhuǎn)換器的輸入電壓始終為正。由于輸入電壓較大或較小時(shí)，比較器的失調(diào)電壓會引起輸出誤差，因此，綜合考慮各種誤差的影響，將其輸入電壓調(diào)整在16V之間，其大小由 V = E -( E - V IN ) R 1 / ( R 1 + R 2 )決定，與輸入電

13、壓成比例。四.功率放大電路設(shè)計(jì) 功率放大電路采用LM386集成芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的電壓增益最大電路。 LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)的功率放大器。 2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端，電路采用單電源供電引腳6和4分別為電源和地，輸出端(引腳5)外接茹貝爾網(wǎng)絡(luò)輸出，與芯片內(nèi)部晶體管T 2 的發(fā)射極相連，形成反饋通路，并與內(nèi)部兩電阻( R 5 和 R 6 )構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益。引腳1

14、和8為電壓增益設(shè)定端，引腳7和地之間接旁路電容，其值為10F。調(diào)壓器的工作過程將上述各模塊電路進(jìn)行交聯(lián)，可得到基于集成電路設(shè)計(jì)的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器總的原理電路。工作過程如下：發(fā)電機(jī)負(fù)載電流減小時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓升高，經(jīng)變壓器降壓、三相全波整流濾波和橋路分壓后，測量比較電路的輸出電壓 U AB 升高。該電壓經(jīng)過一個(gè)比例積分式運(yùn)算放大器，加到圖4所示的電阻 R 2 和 R 3 之間，輸出的信號經(jīng)分壓電阻 R 1 R 3 成比例轉(zhuǎn)換成正電壓 V IN 送到LM331的腳7，LM331內(nèi)部通過比較 V IN 和 V X 大小來控制震蕩頻率。電容 C L 的放電速率與 V X / R x 成比例，也就變成

15、了電路工作頻率與輸入電壓成比例。UAB越大， V IN 越大，則頻率越高。頻率越高，在寬度一定的情況下，經(jīng)LM386功率放大電路使交流激磁機(jī)激磁線圈的導(dǎo)通比減小，所以交流激磁機(jī)的激磁電流 I jj 減小，而發(fā)電機(jī)的激磁電流 I j 與 I jj 成正比，因此， I j 減小，發(fā)電機(jī)輸出電壓降低，從而使發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)，完成調(diào)壓功能。 若負(fù)載電流增大，則 U AB 越小，V IN 越小，則頻率越低。頻率越低，在寬度一定的情況下，經(jīng)LM386功率放大電路使交流激磁機(jī)激磁線圈的導(dǎo)通比增大，所以交流激磁機(jī)的激磁電流I jj 增大，因此， I j 增大，發(fā)電機(jī)輸出電壓升高，完成電壓調(diào)節(jié)功能

16、。 當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流不變時(shí)，測量比較電路輸出電壓為0，功率放大電路輸出脈沖信號的頻率不變，所以發(fā)電機(jī)的激磁電流不變，發(fā)電機(jī)輸出電壓保持不變。 設(shè)計(jì)綜述利用飛機(jī)交流電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，與某型三級式航空交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行對接調(diào)試，試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)節(jié)器能夠長時(shí)間穩(wěn)定可靠的工作，達(dá)到穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出電壓的要求。調(diào)壓精度穩(wěn)定在 U 額定 ±0.5V內(nèi)。利用Multisim仿真工具 6 ，得到測量比較電路和振蕩器電路在發(fā)電機(jī)電壓變化時(shí)輸出的波形如圖6所示。圖6中，圖6(a)對應(yīng)發(fā)電機(jī)電壓為額定電壓時(shí)的波形；在負(fù)載變化引起發(fā)電機(jī)電壓變化時(shí)，振蕩電路的輸出波形也隨之發(fā)生變化。負(fù)載增大，發(fā)電機(jī)電壓減小，在輸出脈沖寬度一定的情況下，工作周期變窄，如圖6(c)所示)，由式(2)可知，末級大功率晶體管的通比增大，交流激磁機(jī)的激磁電流