飞机电源系统课程设计报告

1、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组员：黄凯131142610:任务提出 二：设计方案康琦 131142612 言涛 131142614 健钧 131142617帅 131142618卢毅航131142620 马昕鹏131142622目录12.1工作原理2.2比较电路23振荡电路 2.4功率放大 三：调压器工作过程 U!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容：(D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。(2) 测量比较电路的设计(电路图、工作原理)(3) 振荡电路的设计(电路图、工作原理)(4

2、) 功率放大电路的设计(电路图、工作原理)三：设计要求: 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。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，以达到调节电压的目的。如图所 示，图功率晶体管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。通过设置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。(a)晶体管调压器的控制方式有两种，脉冲调宽(Pulse Width Modulation,PWM )和脉冲调频式(Pules Freque

3、nce Modulation,PFM)O现在主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i on、i of的表达式，从而可求得在一个工作周期，激磁电流的平均值为:式中，O为大功率管的导通比，其表达式为:ct1/(t1+t2)=t1/T在功率管的控制下，激磁电流的平均值I jj与功率管的导通比。 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 定围可调。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

4、子不变。这两种方法对应着 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的调节输岀电压 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脉冲调频式电压调节器的总体设计方案如图所示。主要由测量比较电路、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u F ,并与额定电压进 行比较，输出电压AU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AU成正比，振荡器的输岀经脉冲 发生器得到一列宽度t 1相等而频率与电压AU成正比的脉冲波。这 些脉冲波控制功率放大电路中的

5、大功率晶体管的导通比，以调节发 电机的激磁电流，从而达到调节发电机输岀电压的目的。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:U” = + %如 + £" M +- UCAd=./+%+匕(3)71由式(3)可

6、知，整流器的输出电压AU zp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 是此种调节方式的不足所在。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 危罢程度也相对较小。为了弥补按三相电压的平均值进行调压的不 足，故障状态时可设置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(V

7、OC) 作为核心器件3完成振荡电路的设计，图是由LM331组成的电压-频率变换电路。外接电阻Rt、Ct和定等构成单稳定时电路。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，定时比较器输出 高电平，使R-S触发器复位,Q输岀低电平，输岀驱动管截止，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

8、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。右图画岀了电容Ct、CL充 放电和输出脉冲fO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W：fO=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)实际上，该电路的VL在很少 的围(大约10mV)波动，因此，可认为VL=Vi,故上式可以表示 为:fO=Vi/(RLIRt1)可见,输出脉冲频率fo与输入电压Vi成正比，从而实现了电压频率 变换。式中

9、IR由部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs 决定,IR=190/Rs,改变Rs的值，可调节电路的转换增益,t1由定时元 件 Rt和 Ct决定，其关系是：t1=1.1RtCt,典型值 Rt=6.8kQ,Ct=0.01 µF；t1 =7.5µs。由 fO=Vi/(RLIRt)可 知，电阻Rs、RL、Rt和电容Ct直接影响转换结果fO,因此对元件的 精度要有一定的要求，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，有利于提 高转换精度。所设

10、计的原理电路如图4所示。结合芯片部电路，该振荡电路利用 比较器将7脚输入的正电压V IN与6脚电压V X进行比较。若V IN > V X ,则比较器处于单触发工作状态。该状态下触发器的输岀 接到逻辑输岀部分，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充电电路供给电荷Q(Q= IO*T )o若Q使 电压V X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充电电路供给Q ,这个过程持续到VX> VIN o若V X >

11、; V IN ,电流源断开，则V X下降直至V X二V IN ,该动作延续1个 周期。这样v / F转换器以稳定状态不断重复振荡，而且为保持V x > V IN ,电流源以足够快的速度为电容供给电荷，因此，电容CL 的放电速率与v X / R x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14kQ,这时，充电电 流约为140pA,对应的转换频率f o = 0.486xRs x V IN / (RB RO CO) (kHz/V),式中，RO CO为输岀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

12、可能为正，也可能为负。为满足V / F转换器只对 正电压响应的要求，利用R 1、R 2、R 3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岀误差，因此，综合考虑各种误 差的影响，将其输入电压调整在16V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、更新链增益

13、可调 整、电源电压围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大 器。LM386内部电路原理图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，输岀端（引脚5）外接茹贝尔网络输出，与 芯片部晶体管T2的发射极相连，形成反馈通路，并与部两电阻（R 5和R 6 ）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10pFo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

14、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。该电压经过一个比例积 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R 1 - R 3成比例转换成正电压V IN送到-教育-LM331的脚7, LM331部通过比较V IN和V X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，V IN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I jj减小，而 发电机的激磁电流I j与I jj成正比，因此，I

15、j减小，发电机输出 电压降低，从而使发电机输岀电压稳定在额定围，完成调压功能。若负载电流增大，则U AB越小，V IN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I jj增大，因 此，lj增大，发电机输岀电压升高，完成电压调节功能。当发电机负载电流不变时，测量比较电路输岀电压为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。设计综述利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，试验结果表明调节器能够长时间稳定可靠的工作，达 到稳定发电机输出电压的要求。调压精度稳定在U额定±0.5V。利 用Multisim仿真工具 ，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。(a) Uf=UVeU产g图6中，图6(a)对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，在输岀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o 增大，交流激磁机的激