??? 摘 要： 利用集成電路技術(shù)和自動控制技術(shù)進(jìn)行某型飛機(jī)電壓限定器國產(chǎn)化研制的方法,，解決了激磁控制,、均衡控制,、故障鑒別、多臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電等技術(shù)難題,，保證了新研制產(chǎn)品與原有進(jìn)口產(chǎn)品的可互換使用,，減小了設(shè)備的體積、重量,，提高了設(shè)備的工作可靠性,，延長了設(shè)備的壽命，方便使用和維護(hù),。
??? 關(guān)鍵詞： 激磁控制? 均衡控制? 故障鑒別
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??? 電壓限定器是飛機(jī)電源系統(tǒng)重要的控制保護(hù)設(shè)備,，對發(fā)電機(jī)的過電壓" title="過電壓">過電壓、欠電壓實施保護(hù),，并與電源系統(tǒng)中的短路保護(hù)器,、電壓調(diào)節(jié)器、反流割斷器,、安全繼電器等設(shè)備協(xié)調(diào)工作,，保證飛機(jī)電源系統(tǒng)的正常工作。進(jìn)口電壓限定器是采用分立元件設(shè)計的機(jī)電式模擬產(chǎn)品,。自上世紀(jì)90年代中期以來,，由于電壓限定器的故障率太高，國外已停產(chǎn)該型產(chǎn)品導(dǎo)致備件短缺,，加上檢測和維護(hù)難度大等原因,，嚴(yán)重影響了該型飛機(jī)的完好率和出勤率，因此進(jìn)行電壓限定器的國產(chǎn)化研制勢在必行,。
1 總體方案設(shè)計
1.1 設(shè)計原則
??? 以實用性和耐用性為出發(fā)點,，在保證各項技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)達(dá)到原進(jìn)口產(chǎn)品要求的前提下，遵循了以下原則：(1)保持電壓限定器的外形,、體積,、接口關(guān)系及安裝位置不變。(2)重量不大于原電壓限定器,。(3)具有良好的使用性,、可維修性和高可靠性，方便使用維護(hù),。(4)研制過程符合標(biāo)準(zhǔn)化要求,。
1.2 總體方案
??? 電壓限定器主要由故障探測電路、延時電路" title="延時電路">延時電路、激磁控制電路,、均衡控制電路,、防止誤動作保護(hù)電路、供電電源電路和相關(guān)驅(qū)動電路組成,，其總體原理框圖如圖1所示,。
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??? 故障探測電路檢測發(fā)電機(jī)的輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓，一旦出現(xiàn)過電壓,，經(jīng)過延時電路延時后,，使激磁控制電路的工作線圈通電工作，從而切斷發(fā)電機(jī)的激磁電路,、均衡電路" title="均衡電路">均衡電路和反流割斷器的控制電路,。延時的目的是該保護(hù)裝置只在故障性過電壓時斷開，對于非故障性過電壓（瞬時過電壓）不起保護(hù)作用,。在發(fā)電機(jī)建立電壓的初始階段,，當(dāng)其輸出電壓低于24V時，均衡控制電路處于斷路狀態(tài),，只有并聯(lián)發(fā)電機(jī)在正常狀態(tài)下,，且輸出電壓大于24V時，均衡電路才能接通,。電網(wǎng)中,，當(dāng)其他發(fā)電機(jī)處于故障性過電壓時，防止誤動作保護(hù)電路中出現(xiàn)反流,，當(dāng)該電流值達(dá)到300mA～350mA時,，該電路處于斷開狀態(tài)。這樣正常電機(jī)的故障探測電路檢測不到故障發(fā)電機(jī)的輸出電壓,，保證了正常電機(jī)不因電網(wǎng)中的其他電機(jī)出現(xiàn)過電壓故障而退網(wǎng),。當(dāng)電網(wǎng)中的故障排除后，通過按壓復(fù)位按鈕,，復(fù)位信號經(jīng)過復(fù)位控制電路,，給激磁控制電路提供發(fā)電機(jī)建立電壓的激磁電流。在應(yīng)急情況下,，通過按壓應(yīng)急切斷開關(guān),，應(yīng)急切斷信號控制激磁控制電路中繼電器的工作線圈通電工作，從而切斷發(fā)電機(jī)的激磁,、均衡控制電路和反流割斷器的控制電路,。由于采用集成電路模塊進(jìn)行電路設(shè)計，對于這些有源集成電路,，利用DC-DC變換器,、穩(wěn)壓模塊電路給其提供±15V和+15V的穩(wěn)壓電源,。
2 硬件電路設(shè)計
2.1 過電壓探測及延時電路的設(shè)計
??? 根據(jù)該電路所需完成的功能和性能指標(biāo)要求,，以LM124運算放大器,、BD651達(dá)林頓管、TIL117光耦等作為核心器件,，所設(shè)計的電路原理圖如圖2所示,。
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??? 圖2中，電路的輸入端接故障鑒別電路的輸出端,，探測發(fā)電機(jī)的輸出電壓,，該電壓經(jīng)過單向整流、電阻分壓后,，利用運算放大器設(shè)計的跟隨器進(jìn)行隔離,，增大輸入阻抗，減小輸出阻抗,，其輸出經(jīng)過光耦隔離,，作為后級延時電路的輸入信號；另一方面,，發(fā)電機(jī)的輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓后,，為集成芯片提供供電電源，并且為延時電路提供基準(zhǔn)電壓,。延時電路的輸出控制激磁電路斷路器的工作線圈的通和斷,，發(fā)電機(jī)一旦出現(xiàn)過電壓，延時電路輸出高電位,，門限電路開啟,，激磁電路斷路器工作，切斷發(fā)電機(jī)的激磁電路,、并聯(lián)均衡電路和反流保護(hù)器的控制電路,。為了抑制發(fā)電機(jī)輸出電壓的瞬時值(最大可達(dá)到120V)，保護(hù)器電路輸入在額定范圍內(nèi),，其前級增加了一級采用BD651和穩(wěn)壓管設(shè)計的限幅電路,，保證了供電電源穩(wěn)定可靠地工作。改變C或R,，可以改變延時時間的大小,。
2.2 均衡控制電路設(shè)計
??? 對于多發(fā)并聯(lián)供電系統(tǒng)，均衡控制電路的作用是進(jìn)行各發(fā)負(fù)載的均衡分配,，實現(xiàn)多發(fā)并聯(lián)供電,。以兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電為例闡述其原理，如圖3所示,。
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??? 圖3中,，如果第一臺發(fā)電機(jī)的輸出電壓低于正常值，此時其輸出電流減小，A點電位升高,，而第二臺發(fā)電機(jī)輸出電流增大,，B點的電位降低，且低于A點電位,，均衡電路中有從A點流向B點的電流,。一發(fā)均衡線圈產(chǎn)生的磁勢與調(diào)壓器線圈產(chǎn)生的磁勢方向相反，小于彈簧的阻力,，激磁電路電阻減小,，激磁電流增大，從而使第一臺發(fā)電機(jī)的電壓升高,，達(dá)到均衡負(fù)載的功能,。二發(fā)與一發(fā)正好相反。如果一發(fā)的電壓下降得過低,，在反流割斷器的作用下,，其輸出電路斷開而不向電網(wǎng)供電，否則A與B點的電位差增大,，二發(fā)輸出電壓降低程度增大,，最終導(dǎo)致二發(fā)也退出電網(wǎng)。
??? 根據(jù)均衡控制電路接通和斷開的條件,，選用LM139比較器" title="比較器">比較器作為核心器件進(jìn)行該電路的設(shè)計,。LM139為14管腳的四比較器集成芯片，管腳示意圖如圖4所示,。所設(shè)計的均衡控制原理電路如圖5所示,。
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??? 該電路的輸入端接RE端子，檢測發(fā)電機(jī)的輸出電壓,，通過分壓電路將發(fā)電機(jī)輸出電壓大大降低,，采用LM139構(gòu)成上行遲滯比較器，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓大于接通門限電壓時,，末級繼電器接通,，小于斷開門限電壓時則斷開，通過改變外圍電路參數(shù)或改變參考電位點電壓可改變上限和下限工作點電壓,。由于LM139比較器的驅(qū)動能力差,，采用LM124構(gòu)成兩級跟隨器，隔離輸入和輸出端的相互影響,。值得指出的是,，為保證控制邏輯的正確性，比較器輸出端應(yīng)接一電容到地,，保證參考電位優(yōu)先于輸入建立,。
?LM139構(gòu)成的上行比較器的外圍電路設(shè)計及其輸入輸出電壓關(guān)系曲線如圖6所示,。
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??? 各參數(shù)可通過下列公式進(jìn)行確定：
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2.3 防止誤動作保護(hù)電路設(shè)計
??? 防止誤動作保護(hù)電路串聯(lián)在飛機(jī)電源系統(tǒng)的并聯(lián)均衡電路中。當(dāng)該電路的輸入電流自上而下流動時（發(fā)電機(jī)的輸出電壓高于其他兩臺發(fā)電機(jī)的輸出電壓）,，此時該電路的輸出為低電位,，末級控制繼電器不工作，觸點保持在接通位置,，發(fā)電機(jī)的輸出電壓能夠加在探測及延時電路的輸入端。當(dāng)該電路的輸入電流自下而上流動(發(fā)電機(jī)的輸出電壓低于其他兩臺發(fā)電機(jī)的輸出電壓),，并且達(dá)到0.3A～0.35A時,，末級控制繼電器線圈通電工作，觸點位置轉(zhuǎn)換,，發(fā)電機(jī)的輸出電壓不能加在探測及延時電路模塊的輸入端,，從而避免了因某臺發(fā)電機(jī)過電壓而引起正常發(fā)電機(jī)探測電路工作而使其退出電網(wǎng)，實現(xiàn)了對過電壓故障電機(jī)的鑒別,。
????根據(jù)該電路所要完成的功能和技術(shù)戰(zhàn)術(shù)要求,，利用抗高共模差動儀表放大器和LM124作為核心器件進(jìn)行該電路的設(shè)計。其檢測比較原理電路如圖7所示,。
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????值得指出的是,，由于該電路探測的是電流信號，因此探測電路部分可以采用極化繼電器,、霍爾元件和探測電阻設(shè)計,。考慮到控制邏輯的復(fù)雜性和空間結(jié)構(gòu)的限制,，采用了如圖7所示的探測電阻進(jìn)行設(shè)計,，將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。利用抗高共模差動儀表放大器對此小信號放大處理,，其輸出信號作為下一級比較電路的輸入信號,，通過理論計算，確定比較電路的基準(zhǔn)電壓（通過電源模塊提供的+15V電源進(jìn)行分壓獲得）,，這樣防止誤動作保護(hù)電路不僅能夠測量出流過均衡電路電流的大小和方向,、實現(xiàn)故障電機(jī)的鑒別功能，且保證了三發(fā)并聯(lián)供電的電壓調(diào)節(jié)及均衡功能的正常運行,。通過改變基準(zhǔn)電壓值的大小,，可以補(bǔ)償測量電路由于漂移所引起的動作誤差。為保持原有均衡電路參數(shù)不發(fā)生改變,，必須對原電路電阻進(jìn)行精確測量,，確定其阻值。
??? 為了實現(xiàn)電壓限定器電壓探測及延時電路通,、斷的控制,，其執(zhí)行電路采用電磁繼電器加以實現(xiàn),，原理電路如圖8所示。
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??? 測量比較電路的輸出信號作為控制電路的輸入信號,。當(dāng)某發(fā)均衡電路的電流自上而下流動時,，儀表放大器測得的電壓為負(fù)值，其輸出電壓小于比較器的基準(zhǔn)電壓,，比較器的輸出電壓為低電位,，三極管3DK4C處于截止?fàn)顟B(tài)，控制繼電器不工作,，電壓探測電路處于接通狀態(tài),；當(dāng)某發(fā)均衡電路的電流自下而上流動時，儀表放大器測得的電壓為正值,，且當(dāng)電流值達(dá)到0.3A～0.35A時,，其輸出電壓大于比較器的基準(zhǔn)電壓，比較器的輸出電壓為高電位（電源電壓）,，功率管處于導(dǎo)通狀態(tài),，控制繼電器工作，切斷電壓限定器的過電壓探測電路,，避免了其他電機(jī)由于過電壓故障而使正常電機(jī)退出電網(wǎng),，實現(xiàn)對正常發(fā)電機(jī)的保護(hù)，提高了保護(hù)器對故障電機(jī)的鑒別能力,。圖8中,，穩(wěn)壓二極管的作用是為了防止三極管由于流過的電流過大而被擊穿。繼電器線圈并聯(lián)的二極管起到續(xù)流作用,，防止繼電器在斷開的過程中由于產(chǎn)生過大的感應(yīng)電勢而將三極管擊穿,。
??? 新研制的電壓限定器采用集成控制電路設(shè)計，大大簡化了結(jié)構(gòu),，提高了設(shè)備性能,；利用抗高共模差放技術(shù)保證了調(diào)壓、均衡與發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的正確運行,；為了利用發(fā)電機(jī)的動態(tài)電壓保證控制電路供電的穩(wěn)定可靠,，采用延遲正反饋技術(shù)，消除了誤動作,。經(jīng)過近兩年的飛行,，證明國產(chǎn)化產(chǎn)品功能齊全，各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求,，同國外同類設(shè)備相比,，其性能優(yōu)越，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和軍事意義,。
??? 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,，飛機(jī)的控制保護(hù)裝備將向智能化和一體化方向發(fā)展,。
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