精溫控回路在慣導系統設計中的應用

陳虹　李軍

摘 要：為保證慣性導航系統的慣性敏感元件工作在一個理想的環境溫度，確保慣導系統的穩定性和精度，為慣導系統建立一個一致性良好的工作環境，是慣導設計中的一個重要組成部分。主要介紹了精溫控回路的工作原理，精溫控回路的基本組成和精溫控在慣導設計中的成功應用等內容。應用實踐證明，精溫控回路的設計滿足慣導對環境溫度的要求。

關鍵詞：精溫控回路；慣導系統；溫度傳感器；撓性陀螺

中圖分類號：TN966 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.147

慣性導航已成為當代先進飛機不可缺少的機載電子設備，也是飛機最重要的系統之一，導航精度與工作穩定性直接關系到空管系統管理和飛行安全。在慣性導航系統中，撓性陀螺、加速度計這些慣性敏感元件的性能一致性及參數穩定性對其所處的環境有較高要求，它們直接影響導航精度和工作穩定性。因此對其工作環境進行溫度控制是保證撓性陀螺、加速度計這些慣性敏感元件工作在較高精度的一個重要環節。在慣性導航系統中，常用的控溫方式是采用溫控分系統控溫，包括溫度傳感器、溫控電路、導電環、加熱片及系統內部的熱環境。其中，溫控電路是溫控分系統的核心，通過溫控電路的控溫功能實現了溫控回路的閉環控制，為確保慣導系統工作的穩定性提供了保障。

1 精溫控回路的基本組成

精溫控回路主要由R/V轉換、A/D采集、計算機處理、精溫控電路、加熱片加溫、溫度傳感器等系統組成。通過精溫控回路實現了對撓性陀螺、加速度計等慣性敏感元件所處環境的高精度閉環溫度控制。精溫控回路的組成如圖1所示。

R/V轉換電路的核心由運放電路組成，運放電路的輸入為由溫度傳感器得到的阻值R，輸出端為電壓信號V，輸出電壓值隨著輸入阻值的減小而相應減小。溫度傳感器為一負溫度系數的熱敏電阻。該熱敏電阻為溫度敏感元件，其電阻值隨所處環境溫度的升高而相應減小。

在閉環控制系統中，熱敏電阻初始值為R1，對應慣性敏感元件所處的環境溫度為T1。假定在輸入阻值為R1的時候輸出電壓值為V1，該輸出電壓值V1通過A/D采集量化為數字量送至計算機處理，計算機將該數字量解算為占空比W1%的脈沖調寬波后通過精溫控電路實現對加熱片的加溫。此時，在加溫電流I1的影響下，被控慣性敏感元件的環境溫度升高至T2（T2>T1）。

環境溫度的升高使得溫度傳感器電阻值減小為R2（R2W1%），使得精溫控電路加溫功率減小，相應加熱片加溫電流I2減?。↖2

由以上的分析可以得出，計算機輸出的脈沖調寬波正是通過精溫控電路的轉化實現了對輸出電流可變的調節。該特性使被控加熱片加熱功率隨溫度傳感器進行同步變化，從而滿足了對慣性敏感元件所處環境的溫度控制。

下面，我們將對精溫控電路的基本原理展開描述。

2 精溫控電路的基本原理

圖2所示的電路為精溫控電路基本原理。在精溫控電路中，其需用到的電源有115 V/400 Hz及27 V 2種且需低端共地。輸入信號為陀螺脈沖調寬波與加速度計脈沖調寬波。該脈沖調寬波由計算機輸出，經光電耦合器隔離送至精溫控電路。輸出信號為陀螺調寬出與加計調寬出，輸出信號的最大帶載能力取決于負載，即加熱片的阻值。

輸出最大電流計算公式為：

由表1可知，只有在V2-C、V3-C均為27 V時，三極管V4方可導通。因此在圖2中，二極管VD3、VD4組成一與門。

不難看出，在輸入調寬波（在實際的慣導系統中，該調寬波有全5 V波、全0 V波及占空比可調的脈沖調寬波3種。本文中為便于電路分析，我們假定了該調寬波是一固定占空比寬度的調寬波）的作用下，三極管V4將在導通與截止2種工作狀態之間來回切換。這使V4的輸出電流受輸入調寬波控制。只有在V4導通時，V4的后級電路（即加溫電路）才能工作。

那么，三極管V4的輸出電流是如何作用于負載加熱片RJRP上，RJRP對該電流又是如何響應的呢？這需要注意以下2個特性：①在圖2中，V5、V6均為2個單向導通的可控硅。該可控硅在滿足觸發端有電流，且陽極電位高于陰極電位時單向導通。②115 V/400 Hz的波形包括115 V/400 Hz的正半周波形與115 V/400 Hz的負半周波形2部分，加溫電源在負載加熱片RJRP的導通也將分115 V/400 Hz的正半周導通與115 V/400 Hz的負半周導通2部分。

我們首先來討論115 V/40 Hz正半周的導通原理。在V4導通的情況下，V4的發射極（e極）有電流，那么，V5控制端V5-1也有觸發電流，且滿足V5的陽極電壓V5-2（115 V/400 Hz正半周）高于陰極電壓V5-3（115 VL）。由概念一可知，可控硅V5導通，V5的陽極電壓V5-2為115 VL。此時，負載加熱片RJRP上115 V/400 Hz的正半周通過。

在115 V/400 Hz正半周電壓的作用下，二極管VD5導通，由于V5在導通時陽極電壓V5-2為115 VL，按照圖2中的接線關系，不難得出電容C3的2端也為115 VL，此時電容C3充電。當115 V/400 Hz負半周來臨時，二極管VD5不導通，此時電容C3放電，V6的控制端V6-4有電流通過，同時滿足V6的陽極電壓V6-3（115 VL）高于陰極電壓V6-2（115 V/400 Hz負半周），因此可控硅V6導通。此時，負載加熱片RJRP上115 V/400 Hz的負半周通過。

可見，V5和V6的電路搭建形式組成了一個雙向導通的可控硅。該可控硅可以滿足交流電源115 V/400 Hz需雙向導通的特性。

3 精溫控回路的具體應用

精溫控回路的設計已成功地應用于某型慣導的設計中。試驗結果表明，加熱片上溫度傳感器通過R/V轉換生成的輸入調寬波通過占空比的即時改變使得加熱片能夠得到精準的溫度控制。該型慣導系統在未到溫時為一隨動系統，在到溫后為一穩態系統。

至此，慣導系統中撓性陀螺及加速度計在精溫控回路的作用下，在其被控對象（加熱片）工作時會形成一完整的占空比可調的115 V/400 Hz加溫波形。由于加溫電壓高，在慣導系統使用中可以有效減少導電環數量，同時實現系統的快速到溫（在某型慣導系統中，到溫時間為3 min）。且由于控溫方式為精溫控，受控對象控溫精度較高，控溫精度可達±0.1 ℃。

4 結束語

通過精溫控回路在慣導系統設計中的應用，實現了對慣導系統中重要慣性敏感元件（撓性陀螺、加速度計）的精確溫度控制，在使得慣性敏感元件工作性能穩定的同時縮短了慣導系統的準備時間。采用精溫控回路控溫，具有能使控溫環境溫度穩定、控溫精度高等優勢，它為整個慣導系統的熱容量設計和將慣導系統工作在一個理想的環境溫度條件中均奠定了基礎。試驗證明，精溫控回路控溫系統滿足慣導系統對環境溫度控制的要求，其工作狀態良好，可為其他相關應用提供有益的借鑒。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕