飞机电源系统课程设计

飞机电源系统课程设计脉冲调频式（PFW）飞机交流发电机电压调节器成员：黄凯康琦李言涛刘健钧刘帅卢毅航马昕鹏目录一：任务提出……………1二：设计方案2.1工作原理……………2.2比较电路……………2.3振荡电路……………2.4功率放大……………三：调压器工作过程……四：设计综述……………任务提出：设计题目：脉冲调频式（PFM）飞机交流发电机电压调节器设计二．设计内容：熟悉晶体管调压器的工作原理，给出脉冲调频式电压调节器原理框图。测量比较电路的设计（电路图、工作原理）振荡电路的设计（电路图、工作原理）功率放大电路的设计（电路图、工作原理）三：设计规定：调压系统应具有抗干扰能力强、调压精度高的特点，可为各种航空交流发电机电压自动调节的工程实现提供参考。一：晶体晶体管管调压的工作原理晶体晶体管管调压是以大功率晶体管或场效应管作为开关原件，控制交流励磁机的平均励磁电流，以达成调节电压的目的。如图所示，图中大功率晶体管BG串联在激磁机激磁线圈Wjj电路中，用来控制激磁机的激磁电流。通过设立晶体管基级电压的大小，使其工作在开关状态，等效电路如图(b)示。晶体管调压器的控制方式有两种，脉冲调宽（PulseWidthModulation,PWM）和脉冲调频式（PulesFrequenceModulation,PFM）。现在重要采用的是脉冲调宽式，但脉冲调频拥有更高的稳定性，所以在这介绍脉冲调频式电压调节器。根据功率管导通和截止期间的电压平衡方程可解出ion、iof的表达式，从而可求得在一个工作周期内，激磁电流的平均值为：式中，σ为大功率管的导通比，其表达式为：σ=t1/(t1+t2)=t1/T在功率管的控制下，激磁电流的平均值Ijj与功率管的导通比σ成正比。只要使功率管导通比随发电机工作状态的变化而作相应的改变，就可以控制激磁机的激磁电流，从而使发电机的端电压在一定范围内可调。而改变导通比的方法有两种，一是改变其分子，保持工作周期不变；一是改变其分母，保持分子不变。这两种方法相应着电压调节器的两种基本形式，即脉冲调宽式电压调节和脉冲调频式电压调节。所以调宽电路是保证T（t1+t2)不变，改变t1的调节输出电压的。调频电路则是保证t1不变，改变t2的时间长短来调节输出电压。脉冲调频式电压调节器的总体设计方案如图所示。重要由测量比较电路、振荡器、脉冲发生器和功率放大电路组成。测量比较电路实时敏感发电机的输出电压UF，并与额定电压进行比较，输出电压ΔU与发电机电压的偏差成正比，该电压输入振荡器，振荡器的振荡频率与电压ΔU成正比，振荡器的输出经脉冲发生器得到一列宽度t1相等而频率与电压ΔU成正比的脉冲波。这些脉冲波控制功率放大电路中的大功率晶体管的导通比，以调节发电机的激磁电流，从而达成调节发电机输出电压的目的。二．测量比较电路的设计测量比较电路由降压变压器、整流器和比较电桥组成，其原理电路如图所示。三项交流电通过6个二极管整流成为直流电方便比较，即在D可以获得三项交流电的平均电压等效的直流电。电阻W可以并联一个滤波电容。在A,B的电压UAB是W上可调部分电压与DZ稳压二极管电压差。从而获得三项电路的电压变化情况。根据交流发电机线电压向量图与三相桥式整流器的输出电压波形，可推导出三相全波流电路输出电压的平均值为：由式(3)可知，整流器的输出电压ΔUzp与三相线电压的平均值成正比，调压器按三相电压的平均值进行调节。采用该调节方式，只保证三相电压的平均值基本不变。若三相负载不平衡，则各相电压不同，特别是当某一相发生短路时，其它两相的电压势必过高，这是此种调节方式的局限性所在。实际工程中，由于正常相的相电压高出额定电压的数值比固定相电压调节时小得多，因而对用电设备的危害限度也相对较小。为了填补按三相电压的平均值进行调压的局限性，故障状态时可设立最高相电压敏感电路限制最高相电压。三：振荡电路设计脉冲调频式电压调节器设计的关键在于设计振荡器，并使其振荡频率与偏差电压△U成正比。本文采用LM331线性集成电路(VOC)作为核心器件[3]完毕振荡电路的设计，图是由LM331组成的电压—频率变换电路。外接电阻Rt、Ct和定期比较器、复零晶体管、R-S触发器电压-频率变换器工作原理等构成单稳定期电路。当输入端Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端fo为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源IR对电容CL充电。此时由于复零晶体管截止,电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时,定期比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,Q输出低电平,输出驱动管截止,输出端fo为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容Ct通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容CL对电阻RL放电。当电容CL

放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。右图画出了电容Ct、CL充放电和输出脉冲f0的波形。设电容CL的充电时间为t1,放电时间为t2,则根据电容CL上电荷平衡的原理,我们有:(IR-VL/RL)t1=t2VL/RL

上图为电容充放电输出波形图：从上式可得:f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)事实上,该电路的VL在很少的范围内(大约10mV)波动,因此,可认为VL=Vi,故上式可以表达为:f0==Vi/(RLIRt1)可见,输出脉冲频率

f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。式中IR由内部基准电压源供应的1.90V

参考电压和外接电阻Rs决定,IR=1.90/Rs,改变Rs的值,可调节电路的转换增益,t1由定期元件Rt和Ct决定,其关系是：t1=1.1RtCt,典型值Rt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t1=7.5µs。由f0=Vi/(RLIRt)可知,电阻Rs、RL、Rt和电容Ct直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的规定,可根据转换精度适当选择。电容CL对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有助于提高转换精度。

所设计的原理电路如图4所示。结合芯片内部电路，该振荡电路运用比较器将7脚输入的正电压VIN与6脚电压VX进行比较。若VIN>VX，则比较器处在单触发工作状态。该状态下触发器的输出接到逻辑输出部分，即开集电极晶体管与开关构成的电流源I，在周期T期间，逻辑输出低电平，同时电流从电流源流出。若过了单触发器的周期T，逻辑输出变为高电平，没有从电流源流出电流，这时电流源结束对RL-CL充电电路供应电荷Q(Q=I0*T)。若Q使电压VX增大，比较器再次工作在单触发器工作状态，电流源再次对RL-CL充电电路供应Q，这个过程连续到VX>VIN。若VX>VIN，电流源断开，则VX下降直至VX=VIN，该动作延续1个周期。这样V/F转换器以稳定状态不断反复振荡，并且为保持VX>VIN，电流源以足够快的速度为电容供应电荷，因此，电容CL的放电速率与VX/Rx成比例，即电路工作频率与输入电压成比例。图中，Rs为基准电流设定电阻，其阻值设为14kΩ，这时，充电电流约为140μA，相应的转换频率fo=0.486×Rs×VIN/（RBR0C0）(kHz/V)，式中，R0C0为输出脉冲宽度的时间常数。测量比较电路的输出信号，经差动放大电路放大，作为振荡电路的输入信号。该信号电压也许为正，也也许为负。为满足V/F转换器只对正电压响应的规定，运用R1、R2、R3和稳压电源E构成分压电路，使V/F转换器的输入电压始终为正。由于输入电压较大或较小时，比较器的失调电压会引起输出误差，因此，综合考虑各种误差的影响，将其输入电压调整在1~6V之间，其大小由V=E-(E-VIN)R1/(R1+R2)决定，与输入电压成比例。四.功率放大电路设计功率放大电路采用LM386集成芯片进行设计，该芯片具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。所设计的电压增益最大电路。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，电路采用单电源供电引脚6和4分别为电源和地，输出端(引脚5)外接茹贝尔网络输出，与芯片内部晶体管T2的发射极相连，形成反馈通路，并与内部两电阻(R5和R6)构成反馈网络，引入了深度电压串联负反馈使整个电路具有稳定的电压增益。引脚1和8为电压增益设定端，引脚7和地之间接旁路电容，其值为10μF。调压器的工作过程将上述各模块电路进行交联，可得到基于集成电路设计的脉冲调频式电压调节器总的原理电路。工作过程如下：发电机负载电流减小时，发电机电压升高，经变压器降压、三相全波整流滤波和桥路分压后，测量比较电路的输出电压UAB升高。该电压通过一个比例积分式运算放大器，加到图4所示的电阻R2和R3之间，输出的信号经分压电阻R1~R3成比例转换成正电压VIN送到LM331的脚7，LM331内部通过比较VIN和VX大小来控制震荡频率。电容CL的放电速率与VX/Rx成比例，也就变成了电路工作频率与输入电压成比例。UAB越大，VIN越大，则频率越高。频率越高，在宽度一定的情况下，经LM386功率放大电路使交流激磁机激磁线圈的导通比减小，所以交流激磁机的激磁电流Ijj减小，而发电机的激磁电流Ij与Ijj成正比，因此，Ij减小，发电机输出电压减少，从而使发电机输出电压稳定在额定范围内，完毕调压功能。若负载电流增大，则UAB越小，VIN越小，则频率越低。频率越低，在宽度一定的情况下，经LM386功率放大电路使交流激磁机激磁线圈的导通比增大，所以交流激磁机的激磁电流Ijj增大，因此，Ij增大，发电机输出电压升高，完毕电压调节功能。当发电机负载电流不变时，测量比较电路输出电压为0，功率放大电路输出脉冲信号的频率不变，所以发电机的激磁电流不变，发电机输出电压保持不变。设计综述运用飞机交流电源系统实验平台，与某型三级式航空交流发电机进行对接调试，实验结果表白调节器可以长时间稳定可靠的工作，达成稳定发电机输出电压的规定。调压精度稳定在U额定±0.5V内。运用Multisim仿真工具[6]，得到测量比较电路和振荡器电路在发电机电压变化时输出的波形如图6所示。图6中，图6(a)相应发电机电压为额定电压时的波形；在负载变化引起发电机电压变化时，振荡电路的输出波形也随之发生变化。负载增大，发电机电压减小，在输出脉冲宽度一定的情况下，工作周期变窄，如图6(c)所示)，由式(2)可知，末级大功率晶体管的通比σ增大