??? 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(shí)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(jì)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(jì)
1.1 設(shè)計(jì)原則
??? 以實(shí)用性和耐用性為出發(fā)點(diǎn),，在保證各項(xiàng)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(jì),，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(jì)
2.1 過電壓探測及延時電路的設(shè)計(jì)
??? 根據(jù)該電路所需完成的功能和性能指標(biāo)要求，以LM124運(yùn)算放大器,、BD651達(dá)林頓管,、TIL117光耦等作為核心器件，所設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)
??? 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(shí)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(diǎn)電位升高，而第二臺發(fā)電機(jī)輸出電流增大,，B點(diǎn)的電位降低,，且低于A點(diǎn)電位，均衡電路中有從A點(diǎn)流向B點(diǎn)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(diǎn)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(jì),。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(jì)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(diǎn)電壓可改變上限和下限工作點(diǎn)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(jì)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(jì)
??? 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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(jì),。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(jì),?？紤]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(jì),，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(jì)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(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì),，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(yùn)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(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)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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