陀螺罗经三相电源实时监测仪的设计＊

黄显亮 钱兰华 陈旺勇 陈华侨

（92956部队 大连 116041）

1 引言

陀螺罗经不但是舰船及航空器一种十分重要的指向仪器，同时也是多种舰（机）载设备的重要传感器、信息源［1］。陀螺球是主罗经的核心部件，它的安全运行不但关系到陀螺罗经的安全，而且关系到整个平台的航行安全及功能的发挥。在诸多威胁陀螺球运行安全的因素中，三相电源相序出现问题导致陀螺球翻球是较为多见的主要故障［2～3］。因此，借助DSP开发技术研制出一种智能化、小型化、轻型化的三相电源实时监测仪，对提高陀螺罗经的安全运行具有十分重要的意义。

2 实时监测仪的设计

在该设计方案中，陀螺罗经三相电源实时监测仪的相序检测及自动调整过程，是基于DSP控制下由硬件电路和控制软件共同实现的。

2.1 硬件电路的设计

硬件电路采用基于DSP的硬件系统设计，主要包括电源电路、信号调理电路、A／D转换电路、相序调整及显示电路等。控制结构简图如图1所示。

图1 监测仪DSP控制结构简图

首先对被检电源进行分压处理，通过运放比较电路后，进入调理电路，经A／D采样模块处理，再进入缺相电路的判断以及对正、逆相序检测电路进行检测、判断，并在显示屏显示出相序的检测结果，DSP依据检测结果控制五个可控硅的导通与关闭，实现三相电源相序的自动调整达到保护陀螺球的目的。相序监测的实现框图如图2所示。

图2 相序监测框图

图2中三相电压A、B、C经过分压后分别进入1、2、3引脚，通过对正弦波进行施密特检测了解信号的存在。采样后的输入信号首先送入缺相检测电路检测，在缺相状态下，9脚和8脚皆输出低电平。如果三相正弦输入正常，对应A、B、C输入1、2、3脚的输出端，12、11、10脚的输出分别为低电平；当某一相没有输入信号时，对应的输出脚上将有高电平出现，送入DSP进行判断。根据检测结果，在不缺相的情况下进入相序检测电路进行相序判断，具体表现如下：1）在按照A、B、C顺序进入1、2、3脚的情况下，9脚输出高电平指示正相序；2）在没有按照A、B、C顺序进入1、2、3脚的情况下，8脚输出高电平指示逆相序。

2.1.1 缺相检测电路的设计

缺相检测电路的设计如图3所示，其工作原理［4］如下：

1）当有三相电压输入时，三相电压波形如图4所示。将一个周期分为T1、T2、T3、T4、T5、T6，三相电压之间的关系如表1所示。

图3 缺相检测电路图

表1 三相电压关系

图4 三相正常时检测电路波形图

（1）在T1内，UA＞UC＞UB，A相电压最大，B相电压最小，图3中的光藕D1和二极管VD5导通，控制信号UC为低电平；（2）在T2内，UA＞UB＞UC，A相电压最大，C相电压最小，图3中的光藕D1和二极管VD4导通，控制信号UC为低电平。依次类推，在T3、T4、T5、T6内，控制信号UC均为低电平，也就是说当有三相电压输入时（不缺相），控制信号UC一直处于低电平，缺相告警信号PHFL为低电平，表示三相电源不缺相。

2）当三相电源缺相时（以缺C相为例），此时只有线电压UAB，在UAB的过零点附近，光藕D1、D2、D3都不导通，此时控制信号UC为高电平，缺相告警信号PHFL为高电平，表示三相电源缺相。

2.1.2 相序检测电路的设计

相序检测电路如图5所示，其工作原理如下：A、B、C分别是三相电源经过降压后的三相正弦电压信号，它们之间两两相序互差120°。B通过减法器分别减去 A、C得到B－A、B－C信号。1）若B－A超前B－C60°，则表示三相电压为正相序；2）若B－A滞后B－C60°，则表示三相电压为逆相序。

2.2 控制软件的设计

软件采用模块化设计，完成的主要功能包括对检测信号的数据采集、数据处理、相序调整及显示控制等。

首先完成DSP的初始化，启动A／D转换电路，DSP事件管理器的捕获单元在捕获引脚上出现跳变时被触发。当捕获单元使能后，控制数据采集单元完成4个周期的数据采集，求平均值作为最终的测量值。然后控制数据处理单元对所采集的数据进行处理，判断是否缺相。1）如果缺相，则控制5个可控硅均不导通，切断三相电源，并控制显示器显示检测结果；2）如果不缺相，则进行相序判断，根据相序检测结果控制相应的可控硅导通，完成相序调整，并控制显示器显示检测结果。软件控制流程［5～6］如图6所示。

图5 相序检测电路图

图6 软件控制流程图

3 测试试验

样机研制完成后，在不同环境、不同电压、不同频率下进行了基本性能和实际应用试验，包括正、逆相序及缺相等三种情况，试验结果如图7～图9所示。显示的设计方案如下：1）如果所检测三相电路正常，且为正相序，则显示L1L2L3顺时针旋转，并提示正确信息“R”；2）如果所检测三相电路正常，而为逆相序，则显示L2L1L3逆时针旋转，并提示逆相序信息“L”，进行相序调整；3）如果所检测三相电路中的某一相或某两相缺相时，则显示出缺相情况（图9中是以缺B相为例），关闭可控硅，切断电源。

图7 正相序

图8 逆相序

图9 缺B相

4 结语

经过性能测试及相关单位的试用表明：该三相电源实时监测仪无论从检测的准确性，还是工作的稳定性等方面均达到了设计要求，具有检测速度快、操作使用简单直观、性能稳定可靠，可有效预防由于三相电源相序故障导致的陀螺球翻球。

［1］任茂东.船用陀螺罗经［M］.大连：大连海事学院出版社，1993.

［2］韩云东.电罗经故障诊断的案例推理原理与方法研究［J］.中国航海，2010（4）.

［3］金志华，田蔚风.陀螺罗经精密电源系统［J］.船舶工程，1991（1）.

［4］林辉，王辉.电力电子技术［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2002.

［5］张卫宁.TMS320C2000系列DSPs原理及应用［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［6］宁改娣，杨栓科.DSP控制器原理及应用［M］.北京：科学出版社，2002.

［7］李利.DSP原理及应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［8］彭启琮，李玉柏.DSP技术［M］.成都：电子科技大学出版社，1997.