脉冲调频式飞机电压调节器设计研究

卢建华 ，郝凯敏 ，马 晨 ，李 运

（1.海军航空大学 航空基础学院，烟台 264001；2.91362部队，舟山 316200；3.海军驻贵阳地区军事代表室办事处航空总体办公室，贵阳 561000）

飞机电源品质关系着飞机上用电设备的安全与性能的发挥，随着飞机的更新以及机载用电设备的换代，机载用电设备对供电品质提出了更高的要求。为了提供高品质的工作电源，一般通过电压调节器来调节激磁机的激磁电流从而实现对发电机输出电压的调节。而集成电路由于具有体积小，误差小，调节时间快等优点，集成化、智能化的电压调节器成为飞机发电机电压调节器的发展趋势。

1 晶体管电压调节器的基本原理

晶体管电压调节器是以大功率晶体管为基础，将激磁绕组与大功率晶体管串接，通过控制晶体管的导通比，实现对激磁绕组中激磁电流的控制，最终实现对发电机电压的调节。其等效电路如图1所示。

设导通时通过晶体管电流为ion，截止时通过晶体管电流为ioff，根据晶体管导通与截止期间电压平衡方程可以得到ion、ioff的表达式。从而可以得出一个周期内激磁电流Ijj的平均值：

图1 晶体管电压调节器原理图Fig.1 Schematic diagram of transistor voltage regulator

式中：t1为晶体管导通时间；t2为晶体管截止时间；σ为控制晶体管脉冲波的导通比。

由式（1）、式（2）可以得出，通过激磁电流 Ijj与导通时间或导通频率成正比。因此控制激磁电流的方法有两种，第一种方法是保持导通频率不变，改变导通时间，即脉冲调宽式电压调节[1]；第二种方法是保持导通时间不变，改变导通频率，即脉冲调频式电压调节。设计中采用第二种方法，即脉冲调频式来调节电压。

2 总体方案设计

基于集成电路脉冲调频式电压调节器总体方案[2]如图2所示。其由电压敏感电路、压频转换电路、功率放大电路组成。

图2 脉冲调频式电压调节器总体方案Fig.2 General scheme diagram of Pulse FM voltage regulator

图中UF为交流发电机输出电压；Uav为三相电压敏感电路输出的平均电压；f为压频转换电路输出方波的频率；Wjj为交流发电机励磁机的激磁线圈。

总体方案设计思路：电压敏感电路通过敏感发电机输出电压UF，输出一个与发电机电压UF平均值成正比的电压信号Uav，该电压信号输入到压频转换电路中产生频率与电压敏感电路电压Uav成正比的方波信号，该方波信号输入到功率放大电路中，产生电流值与方波频率成反比例系数的激磁电流。当发电机电压随外界因素而电压升高时，经过脉冲调频式电压调节器，产生频率较高的方波，经过功率放大电路，产生电流值较小的激磁电流，使得发电机电压降低；而当发电机电压随外界因素而电压降低时，经过脉冲调频式电压调节器，产生频率较低的方波，经过功率放大电路，产生电流值较大的激磁电流，从而使得发电机输出电压升高。

3 详细电路设计

3.1 电压敏感电路设计

电压敏感电路是调压器实现调压的基础。飞机上常采用平均相电压敏感电路或最高相电压敏感电路。为了克服以往平均相电压敏感电路无法避免短路相影响以及最高相电压敏感电路无法监测最高相以外两相相电压的缺点，设计中提出一种改进型的平均相电压电压敏感电路。

设计中电压敏感电路采用基于AD536的有效值转换电路来检测每一相的相电压，再将三相电压的电压测量值取平均值，实现检测发电机输出电压的功能。需要指出的是，经过变压电路以及有效值转换电路得到的输出电压变化范围很小，仅为（n2ΔUF）/n1，过小的电压增益不利于系统的动态响应，因此在有效值电路后级加入倍压电路。综合考虑后级压频转换电路对输入电压的要求，在倍压电路之前加一级减法电路。鉴于飞机发电机三相电压基本对称，因此倍压电路接在加法电路与压频转换电路之间最为恰当。

其中，每一相的电压敏感电路由变压电路、有效值转换电路、减法电路组成。图3所示的电路是用来检测飞机发电机输出三相电压中某一相电压的电路。

为了将强电与弱电分离，在发电机输出端与有效值转换电路之间接入合适的变压器，使变压后的电压适合后级有效值转换电路输入电压要求。由于飞机发电机输出电压变化范围不超过±10%[3]，且AD536最大输入电压为7 Vrms[4]，故设置变压器电压比为21∶1。此时，理论上，有效值转换电路输出电压范围为4.9 V～6 V，变化范围为1.09 V，因此减法电路可以设计为减去4 V。单相电压检测电路如图3所示。经减法电路输出电压有效值理论上为

式中：n1为变压器原边绕组匝数；n2为变压器副边绕组匝数。

需要指出的是，平均相电压敏感电路[1]（三相全波整流方式）输出电压为

图3 单相电压敏感电路Fig.3 Single-phase voltage-sensitive circuit

如果发电机某相（以A相短路为例）短路，会造成Uav的输出值降低，通过电压调节器的反馈作用，使得其余相（B、C相）电压升高。从而对机载用电设备造成不可逆的损害。

设计中对这种电压测量方式做出一点改进，在每一相的电压敏感电路和加法电路之间加入控制开关，使得当某相短路时（A相短路为例），其对应的2个开关（S3、S4）自动断开，使得电压调节器可以迅速切断该短路相的影响，最终使得发电机输出正常的激磁电流。由于篇幅关系，在此不给出短路开关具体控制方案，只给出控制逻辑关系，三相电压敏感电路如图4所示。

图4 三相电压敏感电路Fig.4 Three-phase voltage sensitive circuit

根据电压传递关系，可以得出加法电路输出电压的表达式：

根据式（5），当三相电压都正常时，电压输出为（Uao+Ubo+Uco）/3；当某一相短路时，例如 A 相短路，开关 S3、S4断开，R20、R24不接入电路，有：

由式（6）可以得出，当A相短路时，三相电压敏感电路输出电压不受短路相A相的影响。同样的，当有两相短路时，可以通过式（5）得出，三相电压敏感电路输出电压仅为正常相电压相关。

在加法电路之后加入倍压电路，根据后级压频转换电路输入电压要求以及功率放大电路对于输入频率的要求，设置倍压电路的倍数为4倍。当A、B、C三相电都正常时，三相电压敏感电路输出电压为

3.2 压频转换电路设计

压频转换电路是调频式电压调节器的核心所在。设计中压频转换电路由LM324构建的差分积分电路组成以及由555定时器搭建的脉冲发生电路组成。所设计的压频转换电路如图5所示。

图5 压频转换电路Fig.5 Voltage-frequency conversion circuit

555定时器工作在单稳态触状态时，其输出由THR端和TRI端控制。当THR端输入电压大于2/3 VCC时，555定时器输出低电平，当THR端输入电压小于2/3 VCC且TRI端输入电压小于1/3 VCC时，555输出高电平。

555定时器从启动到正常工作包含两个阶段，第一阶段为初始状态阶段，第二阶段为稳定状态阶段，这两个阶段电压波形如图6所示。

图6 555定时器工作阶段Fig.6 555 timer work phase

初始阶段：Utri、Uthr均为低电平，555 定时器输出高电平 Uoh，555 定时器 TRI端经过 R36，C16组成的积分电路充电，从Utri=0 V逐渐上升，通过设计R37，C14参数，使得当 Utri＞1/3 VCC 时，Uthr＜2/3 VCC，那么555定时器将输出保持为高电平 Uoh，C17，C16，C14得以继续充电。当C14继续充电使得Uthr＞2/3 VCC时，555输出为低电平Uol。此时，C14将通过555定时器内部器件迅速放电，直至为零，即Uthr=0 V＜2/3 VCC。C17，C16经电阻 R38，R36放电，直到 Utri＜1/3 VCC，初始状态阶段结束，555定时器转到稳定状态阶段。

稳定阶段：上面分析到Utri＜1/3 VCC，Uthr=0 V＜2/3 VCC，555定时器输出为高电平Uoh，此时，C14从Uthr=0 V 开始充电，C17，C16从 Utri=1/3 VCC 开始充电，在Uthr充电到2/3 VCC过程中，555定时器保持输出为高电平。 C17，C14，C16继续充电，当 C14上的电压大于2/3 VCC时，555定时器输出变为低电平，C14迅速通过555定时器内部器件放电至0 V，同时C17，C16通过 R38，R36放电， 当放电使得 Utri＜1/3 VCC时，由于此时Uthr=0 V＜2/3 VCC，555定时器输出变为高电平。至此，完成了555定时器稳定状态下的第一个工作周期[5]。

555定时器工作状态稳定后，THR端充电时间t1=1.1R37C14，经过分析可以得出，TRI端放电时间与输入电压Uav及R35C15有关。在设计中为了方便参数的确定，令τ＝R38C17=R37C14=R35C15。在确定了 τ的参数后，555定时器输出频率只与输入电压Uav成函数关系。

对图5所示电路进行仿真，设置A、B通道输入电压分别为3.6V和7.2V，利用Multisim软件进行仿真，得到仿真波形如图7所示。其中A通道方波输出频率为 1.198 kHz，B通道输出方波频率为2.396kHz。由图7，可以得出，压频转换电路输出方波频率与输入电压成线性关系。

图7 压频转换电路仿真验证Fig.7 Simulation verification of voltage-frequency conversion circuit

3.3 功率放大电路的设计

功率放大电路是电压调节器的最后一级，其作用是给激磁绕组提供大小合适的电流[6]。由于设计需要，功率放大电路的激磁电流与输入方波频率成反比。因此，功率放大电路由3只大功率晶体管组成。功率放大电路如图8所示。

图8 功率放大电路Fig.8 Power amplifier circuit

功率放大电路由脉冲发生电路驱动，经过三极管Q1产生反相的方波，再经过达林顿连接的Q2、Q3从而控制激磁电流。其中L2为激磁机的等效电感，R40为激磁机等效电阻，D2为保护电路而设计的续流二极管。

在大功率开关管作用下，由于激磁绕组中电感的存在，使得激磁电流按照指数规律变化。通过查阅相关资料[6]，R40=1 Ω，L2=0.02 H。 开关管导通时，激磁电流按照指数增长，但其在增长到最大值之前就因为开关管截止而呈指数下降，同样地，在开关管截止时，激磁电流按指数衰减，且激磁电流在其未下降到最低时就开始呈指数增长。因此，激磁电流是一个脉动的周期电流。

根据式（1），一个周期内激磁电流平均值为

其中σ为Q2的导通比，根据图8所示电路可知，Q2与Q1的导通比存在以下关系：

Q1的导通比 σQ1为

联立式（1）、式（9）、式（10）可以得出：

从公式可以看出激磁电流与振荡电路的频率f成反比例系数的一次函数。在压频转换电路结尾处我们得到了555定时器输出频率只与输入电压Uav成一定的函数关系，因此激磁电流与压频转换电路的输入电压成一定的函数关系。对以上所设计的压频转换电路及功率放大电路部分进行交联仿真，统计仿真数据得到表1，根据表1绘得如图9的输入输出曲线。

表1 输入电压与输出电流关系Tab.1 Relation table of input voltage and output current

图9 输入电压与输出电流关系Fig.9 Relationship between input voltage and output current

由曲线可以看出，激磁电流与输入电压关系曲线斜率为负。且决定系数为0.9989，说明激磁电流与输入电压成线性关系。

4 系统集成与验证

将三相电压敏感电路、压频转换电路、功率放大电路集成，可以得到基于集成电路的脉冲调频式电压调节器的总体电路如图10所示。

需要指出的是，为了防止系统启动时三相电压敏感电路输出负相电压值，在三相电压敏感电路与压频转换电路之间加入二极管D1，使得输入到压频转换电路中的电压值恒为正值。

对所设计的脉冲调频式电压调节器进行验证：当发电机工作在额定状态时，飞机发电机发出三相对称的115 V/400 Hz交流电，经过三相电压敏感电路输出U0=5.9 V直流电，该电压信号输入到由LM324以及555定时器组成的压频转换电路，输出频率f0=1.89 kHz的方波，再经过功率放大电路，输出Ijj0=12.49 A的激磁电流；当飞机发电机的转速增大或者负载减小时，发电机输出的A、B、C三相电压相应升高，经过三相电压敏感电路处理，输出一个高于参考电压U0的电压值，经过压频转换电路，由于压频转换电路输出频率与输入电压成正比，因此输出频率高于设定频率f0的方波，该方波信号经过由Q1、Q2、Q3组成的成负比例系数的功率放大电路使得交流激磁机输出小于设定电流值Ijj0的激磁电流Ijj。由于发电机的激磁电流Ij与交流激磁机Ijj成正比，因此当Ijj减小时，Ij减小，发电机输出电压降低，实现了电压调节功能。反之亦然。

图10 脉冲调频式电压调节器集成电路Fig.10 Pulse FM type voltage regulator integrated circuit

5 结语

本文所设计的电压调节器具有以下特点：①压频转换电路[7]是由555定时器实现的，并不依赖于发电机整流后的三角波，因此本设计方案可以用于调节直流发电机；②采用常用芯片，造价低，可靠性高；③基于集成电路的脉冲调频式电压调节器，具有模块化，小型化，集成化的特点，便于设备维护、安装。具有一定的经济和军事意义。该研究成果对于航空实践有一定的指导借鉴作用。