精温控回路在惯导系统设计中的应用

1、    精温控回路在惯导系统设计中的应用    陈虹李军摘 要：为保证惯性导航系统的惯性敏感元件工作在一个理想的环境温度，确保惯导系统的稳定性和精度，为惯导系统建立一个一致性良好的工作环境，是惯导设计中的一个重要组成部分。主要介绍了精温控回路的工作原理，精温控回路的基本组成和精温控在惯导设计中的成功应用等内容。应用实践证明，精温控回路的设计满足惯导对环境温度的要求。关键词：精温控回路；惯导系统；温度传感器；挠性陀螺：tn966 ：a doi：10.15913/ki.kjycx.2017.05.147惯性导航已成为当代先进飞机不可缺少的机载电子设备，也是飞

2、机最重要的系统之一，导航精度与工作稳定性直接关系到空管系统管理和飞行安全。在惯性导航系统中，挠性陀螺、加速度计这些惯性敏感元件的性能一致性及参数稳定性对其所处的环境有较高要求，它们直接影响导航精度和工作稳定性。因此对其工作环境进行温度控制是保证挠性陀螺、加速度计这些惯性敏感元件工作在较高精度的一个重要环节。在惯性导航系统中，常用的控温方式是采用温控分系统控温，包括温度传感器、温控电路、导电环、加热片及系统内部的热环境。其中，温控电路是温控分系统的核心，通过温控电路的控温功能实现了温控回路的闭环控制，为确保惯导系统工作的稳定性提供了保障。1 精温控回路的基本组成精温控回路主要由r/v转换、a/d

3、采集、计算机处理、精温控电路、加热片加温、温度传感器等系统组成。通过精温控回路实现了对挠性陀螺、加速度计等惯性敏感元件所处环境的高精度闭环温度控制。精温控回路的组成如图1所示。r/v转换电路的核心由运放电路组成，运放电路的输入为由温度传感器得到的阻值r，输出端为电压信号v，输出电压值随着输入阻值的减小而相应减小。温度传感器为一负温度系数的热敏电阻。该热敏电阻为温度敏感元件，其电阻值随所处环境温度的升高而相应减小。在闭环控制系统中，热敏电阻初始值为r1，对应惯性敏感元件所处的环境温度为t1。假定在输入阻值为r1的时候输出电压值为v1，该输出电压值v1通过a/d采集量化为数字量送至计算机处理，计算

4、机将该数字量解算为占空比w1%的脉冲调宽波后通过精温控电路实现对加热片的加温。此时，在加温电流i1的影响下，被控惯性敏感元件的环境温度升高至t2（t2>t1）。环境温度的升高使得温度传感器电阻值减小为r2（r2w1%），使得精温控电路加温功率减小，相应加热片加温电流i2减小（i2< p>由以上的分析可以得出，计算机输出的脉冲调宽波正是通过精温控电路的转化实现了对输出电流可变的调节。该特性使被控加热片加热功率随温度传感器进行同步变化，从而满足了对惯性敏感元件所处环境的温度控制。下面，我们将对精温控电路的基本原理展开描述。2 精温控电路的基本原理图2所示的电路为精温控电路基本原理

5、。在精温控电路中，其需用到的电源有115 v/400 hz及27 v 2种且需低端共地。输入信号为陀螺脉冲调宽波与加速度计脉冲调宽波。该脉冲调宽波由计算机输出，经光电耦合器隔离送至精温控电路。输出信号为陀螺调宽出与加计调宽出，输出信号的最大带载能力取决于负载，即加热片的阻值。输出最大电流计算公式为：由表1可知，只有在v2-c、v3-c均为27 v时，三极管v4方可导通。因此在图2中，二极管vd3、vd4组成一与门。不难看出，在输入调宽波（在实际的惯导系统中，该调宽波有全5 v波、全0 v波及占空比可调的脉冲调宽波3种。本文中为便于电路分析，我们假定了该调宽波是一固定占空比宽度的调宽波）的作用下

6、，三极管v4将在导通与截止2种工作状态之间来回切换。这使v4的输出电流受输入调宽波控制。只有在v4导通时，v4的后级电路（即加温电路）才能工作。那么，三极管v4的输出电流是如何作用于负载加热片rjrp上，rjrp对该电流又是如何响应的呢？这需要注意以下2个特性：在图2中，v5、v6均为2个单向导通的可控硅。该可控硅在满足触发端有电流，且阳极电位高于阴极电位时单向导通。115 v/400 hz的波形包括115 v/400 hz的正半周波形与115 v/400 hz的负半周波形2部分，加温电源在负载加热片rjrp的导通也将分115 v/400 hz的正半周导通与115 v/400 hz的负半周导通

7、2部分。我们首先来讨论115 v/40 hz正半周的导通原理。在v4导通的情况下，v4的发射极（e极）有电流，那么，v5控制端v5-1也有触发电流，且满足v5的阳极电压v5-2（115 v/400 hz正半周）高于阴极电压v5-3（115 vl）。由概念一可知，可控硅v5導通，v5的阳极电压v5-2为115 vl。此时，负载加热片rjrp上115 v/400 hz的正半周通过。在115 v/400 hz正半周电压的作用下，二极管vd5导通，由于v5在导通时阳极电压v5-2为115 vl，按照图2中的接线关系，不难得出电容c3的2端也为115 vl，此时电容c3充电。当115 v/400 hz负

8、半周来临时，二极管vd5不导通，此时电容c3放电，v6的控制端v6-4有电流通过，同时满足v6的阳极电压v6-3（115 vl）高于阴极电压v6-2（115 v/400 hz负半周），因此可控硅v6导通。此时，负载加热片rjrp上115 v/400 hz的负半周通过。可见，v5和v6的电路搭建形式组成了一个双向导通的可控硅。该可控硅可以满足交流电源115 v/400 hz需双向导通的特性。3 精温控回路的具体应用精温控回路的设计已成功地应用于某型惯导的设计中。试验结果表明，加热片上温度传感器通过r/v转换生成的输入调宽波通过占空比的即时改变使得加热片能够得到精准的温度控制。该型惯导系统在未到温

9、时为一随动系统，在到温后为一稳态系统。至此，惯导系统中挠性陀螺及加速度计在精温控回路的作用下，在其被控对象（加热片）工作时会形成一完整的占空比可调的115 v/400 hz加温波形。由于加温电压高，在惯导系统使用中可以有效减少导电环数量，同时实现系统的快速到温（在某型惯导系统中，到温时间为3 min）。且由于控温方式为精温控，受控对象控温精度较高，控温精度可达±0.1 。4 结束语通过精温控回路在惯导系统设计中的应用，实现了对惯导系统中重要惯性敏感元件（挠性陀螺、加速度计）的精确温度控制，在使得惯性敏感元件工作性能稳定的同时缩短了惯导系统的准备时间。采用精温控回路控温，具有能使控温环境温度稳定、控温精度高等优势，它为整个惯导系统的热容量设计和将惯导系统工作在一个理想的环境温度条件中均奠定了基础。试验证明，精温控回路控温系统满足惯导系统对环境温度控制的要求，其工作状态良好，可为其他相关应用提供有益的借鉴。参考文献1刘宝坤.计算机过程控制系统