充电程序及原理 　　通过微机监控模块，可以设定电源模块的充电方式。 6.1手动充电方式 在电源模块参数设定菜单内选手动充电方式，即进入设定恒定电流值选项。这种充电方式采用恒流限压两阶段充电。电池亏容的情况下，首先进入恒流充电，经微机监控模块的检测与判断，当达到转换电压时，便进入恒压充电方式。这种充电方式一般是适用于对新电池进行活化处理或对电池进行快速充电。 6.2自动充电方式 　　在参数设定菜单内，选自动充电方式，即进入自动充电状态。这时候各电源模块工作于恒压限流运行方式。它为经常负载提供电流的同时，也向电池组浮充电，来补充电池组本身的能量自损耗。当电池组亏容后，电源模块经微机监控模块的判断后，便进入主充电状态，先以恒流充电，当达到转换电压时，就以恒压充电。补充到电池额定容量后，这时候电源模块对电池组的充电电流也达到主充与浮充的临界转换点，经微机监控模块检测与判断，便自动转入恒压浮充工作状态。见图2所示流程图。各充电电源模块既采样输出电压，还要采样通过电池本身的电流，把采样信号送到微机监控模块。由于在电池组中串联了精度极高的电流霍耳元件对电池充电电流进行采样，可以精确地补充放电量，不需人为计算和控制，这样就保证了电池组既不亏容，也不过充，从而大大延长了电池的使用寿命。

保护电路 　　本电源模块设有独立的故障检测系统，检测输入过压、欠压和过流、短路、过热等故障。出现故障时，由继电器引出提供给微机监控模块。所有这些均为恢复性保护，当发生保护后，待故障消失时，模块能自动恢复工作。其中一个或几个电源模块因故障停止工作，并不影响其他模块的正常工作。下面简单介绍一下过流保护电路，其原理框图如图4所示。过流保护能否在主电路发生过流时准确及时动作，不但决定功率IGBT器件能否正常工作，而且将决定整个电源模块的可靠性及其是否具有实用价值。为了解决这一问题，经大量的研究与试验，研制出过流保护专用电路。此电路由主检测动作电路和缓冲加速电路组成。工作原理如下，在主电路中串联一个采样用的锰铜片Ro，如图3所示。在Ro上所采到的电压信号U是由公式U=IR确定，此信号通过屏蔽线送到X5∶1与X5∶2之间。当U达到某一确定值URO时，检测电路立即动作，使高速光耦迅速导通，电压信号送到保护信号入口，从而使脉宽调制器封锁脉冲，电源模块停止工作。待过流信号消失后，此时U 为了进一步提高整个系统的可靠性，本电源模块设计了备用电路，此电路能够在微机监控模块发生故障时，继续保持各电源模块正常工作。 　 图4过流保护电路框图 8主要技术参数 　　输入电压AC380V±15％不分相序 　　电网频率50Hz±10％ 　　每个电源模块输出电流20A 　　稳压稳流精度≤±0.5％ 　　纹波系数≤0.1％ 　　效率≥90％ 　　均流不平衡度≤±3％ 　　功率因数≥0.90 　　输出电压200～300V

电源模块功率电路的设计 　　总体框图如图3所示。主电路采用德国西门子公司的BSM1200GB1200DN2KIGBT模块，组成半桥电路。此部分是电源模块的核心，其性能的好坏直接影响整个电源的性能与可靠性。驱动电路采用三菱公司的混合集成电路M57959L，此混合驱动电路在输入和输出之间利用光耦实现电气上的隔离，从而提高了抗干扰能力。另外，此集成电路在大电感负载情况下，能限制di/dt所形成的尖峰电压，这就更进一步保证了IGBT的安全。 　　控制芯片采用TL494集成芯片，TL494是一个固定频率的PWM控制电路，适用于设计所有的单端或双路开关电源的典型电路。本电源模块采用N＋1热备份，完全实现无主从均流方式，从而可组成超大功率直流系统，实现了动态冗余结构，获得了极高的可靠性。

微机监控模块硬件设计 　　微机监控模块的硬件框图如图1所示 图1 微机监控模块硬件框图 　　监控模块不仅对各电源模块的电压、电流以及输入三相交流电进行采样，而且还对直流馈电屏的电池电压和控制以及合闸母线的电流进行采样，所有采集到的模拟量，经多路转换选择开关进入80C196KC芯片的A/D转换口，由程序控制多路选择转换开关，通过整定来获得当前各模拟量的数值。本系统没有采用外加D/A转换器，而是利用芯片本身的资源，通过芯片的P2.5和HSO脚输出PWM脉冲，经放大后送到各电源模块控制口，对各电源模块参数进行设定。为了提高系统的抗干扰能力，各电源模块的输入、输出控制信号和各种异常信号以及馈电屏的所有信号，都进行了光电隔离。系统采用清华蓬远科贸公司的MGLS240128T液晶模块显示。显示一律为汉字，使操作简单明了。由于此液晶模块自身有驱动电路，就大大简化了系统硬件设计。监控模块通过80C196KC单片机的TXD和RXD口，由调制解调器（MODEM）接入电话网，进行网上微机通讯。

微机监控模块的软件设计 　 　　监控模块主程序框图如图2所示。 　　由于监控模块的参数比较多，一液晶屏无法全部显示，因此程序框架采用树枝状分枝结构。开机后，首先对各电源模块进行初始化，同时，显示公司名称及产品名称画面。按回车键进入主菜单画面，各项显示一律菜单化。对各电源模块和A/D参数以及密码进行设定时，必须先输入密码，这是为防止参数被随意修改。然后才能进入相应画面进行设定，同时程序对参数可修改范围进行自动限幅，以保证系统 图2微机监控模块主程序框图 注：I1为浮充电流转换点，I2为主充电流转换点，U2为主充稳压点，IW为稳流点。 运行安全。对A/D参数进行设置，是为了调试方便，使显示的电压、电流值与实际相符。若当前系统存在故障，则微机监控模块立即发出声光报警，液晶屏显示当前故障和发生时刻，同时微型汉字打印机也把所显示的内容打印出来。当故障消失后，回到主菜单显示。另外在正常工作情况下，按下打印键，可以打印出除时间参数以外的任何当前液晶显示画面。所设定的各参数保存于外部DS12887时钟芯片内，在监控模块掉电的情况下，各参数值也不会丢失。程序设计中，利用定时器0来进行A/D采样和各开关量采集，利用定时器1进行键盘处理，利用定时器2进行读DS12887时钟。在时间参数菜单内，可以对时间和日期进行设定。为了使程序明朗直观，程序采用模块化设计方法，各模块相互独立，对于模块间不可缺少的联系，在RAM中开辟了若干标志单元，各模块可根据当前的工作状态在标志单元中设定标志位做相应处理。液晶汉字显示的字库，是利用汉字提取软件，直接从UCDOS内提取，特殊字符利用软件自编点阵。液晶进行汉字显示时，首先将汉字点阵内容送至液晶的CGRAM单元内，显示时读取该单元的内容就可以了。通信协议采用电力系统“循环远动规约”，监控系统具有“四遥”功能。上下微机传送数据采用CRC校验，以保证数据传送的正确性。 图3电源模块原理图

技术指标 本电源技术指标是按现使用的部分航天陀螺电机的特性确定的，详细资料见表1。 表1陀螺电机特性 型号        额定电压V        额定电流A        额定转速（频率）rpm(Hz)        起动电流A A        20        0.1～0.2        10000(166.7)        0.3～0.5 B        26        0.11～0.13        1200(200)        0.15～0.18 C        32        0.1～0.2        15000(500)4极        0.3 D        32        0.13～0.15        24000（400）        0.18～0.2 E        40        0.4        24000（400）        2 F        40        0.13～0.15        30000（500）        0.18～0.2 G        40        0.2～0.3        30000（500）        2 为了精确测出由于陀螺电机内部状态变化而导致的电源输出功率变化,必须保证陀螺电机供电电源的高度稳定性。由表1可见,电机的正常功率约为2～16W,而要求测出的功率变化量在50mW以下,分辨率暂定为1mW,因此其相对功率变化量应达到3‰～25‰。 据此确定本电源基本技术指标如下: ?输出功率不超过20W ?输出功率分辨率1mW ?输出功率精度10mW ?输出电压12～40V三相交流，有效值 ?输出电压稳定度5×10－4 ?输出电压精度±2％可校准到±0.1％ ?输出波形正弦波（包络） ?输出电流1A短时2A ?输出频率167，200，250，400，500Hz ?输出频率稳定度1×10－5/d

系统结构 系统采用SPWM技术产生三相输出，使功率器件工作在开关状态，故只有极低的功率耗散。既使整机功耗降低，机箱温度变化减小，又使器件因温度变化带来的误差变小，有利于提高整机的精度和稳定性。同时，SPWM波形的谐波含量较小，电机电流波形接近正弦，陀螺电机的谐波损耗也小。 系统由开关稳压器、直流稳压器、三相逆变器、波形发生以及测量控制等几部分构成，结构如图1所示。 因为需要实时地产生三相SPWM波形，同时又 图1系统结构图 进行实时测量，所以使用一个单片机是很难实现的。本系统用了两片8031来完成上述功能的。 为保证系统输出电压的超高稳定度，直流母线电压必须非常稳定。因此首先采用开关稳压器将输入的交流进行粗稳（即相当于开关电源），然后用串联型直流稳压器进行精密稳压。只有这样才能满足系统性能要求。

硬件设计 4.1开关稳压和串联稳压电路 通常的直流串联型稳压电路,其调整管工作在线性区,在一定负载电流下,当输出电压最高、输入电压最低时，管耗最小；当输出电压最低、输入电压最高时，管耗最大。如果系统设计为多种陀螺电机都能使用，则电压变化范围大，调整管压差以及功耗往往会大到无法接受。但本机不允许机内功耗过大和机箱内温度变化过大。如果仅采用开关稳压电路稳压,则会造成输出有高频纹波的干扰，这使得仅用单一的稳压电路是无法实现要求的。 为此我们设计了一种独特的稳压电路,先用由TL494控制的开关稳压器进行预稳压,再由后续的直流稳压器将输出电压稳定到规定的数值,装在仪器面板上的多圈精密电位器可将输出电压设定到所需的数值,此电位器同时控制了直流稳压器的输出电压及开关稳压器的输出电压,并从电路上保证了前一点电压始终跟踪后一点电压，压差稳定且很小,所以直流稳压器在任何情况下都能保证调整管功耗不大。 TL494是一种很成熟的PWM控制芯片，内有两路误差放大器。通常使用时一路用于电压反馈，一路用于电流反馈，控制输出脉冲的占空比。在这里两路都用于电压反馈控制，只是一个从串联稳压器输出取作为基准，另一个从开关稳压器输出取，用来跟踪基准的变化。这样，不论设定如何变化，TL494都会调整输出占空比，达到开关稳压器输出跟踪上串联稳压器的输出变化。 串联稳压电路为完成系统的要求，必须有高稳定度的电压基准。我们采用了LM399H（6.95V的电压基准）,其温度系数为2ppm/℃。电源的稳定度除取决于LM399外,其关键在取样电阻分压器的稳定度。为保证其分压比不随环境温度而变,同样选用了高稳定度电阻,电路中的24k电阻实际是由同样的3.9k的电阻6只串联而成,10k电位器也是精密多圈线绕电位器,这样所有电阻功耗相等,温升也相等,而且其本身温度系数很小,只有±5ppm，所以其分压比固定不变,于是直流稳压器的输出电压不会变化,实测稳定度优于1×10－4,完全满足要求。 　 图2逆变电路 4.2逆变电路 逆变电路结构如图2所示： 逆变桥的三个桥臂驱动信号必须保证上下相互让开一定的时间，即死区时间。如果能在8031产生波形同时形成死区时间是最为理想，但这很难实现。为此我们采用硬件实现，见图3。每一路波形信号经延时、整形，其导通时间会缩短，就得到了死区时间T，这里T=100kΩ×15pF=1.5μs，实验证明这一方法简单有效。 图3死区时间形成电路 驱动电路采用美国IR公司的集成驱动芯片IR2110三片，电路简单可靠，输出驱动能力强，且具有过流保护功能。2110内部有电流比较器，当电流取样值超过设定值时，比较器输出翻转，将驱动信号锁死，逆变器没有输出，保护了电路免受破坏。 逆变器选用6只IRF540功率场效应管，IRF540内阻低、热阻小，很适合输出级使用。例如当输出电流0.2A时，其管压降只有15.4mV，功耗3mW，几乎可以忽略不计。 4.3单片机系统 图4 过流保护电路框图 单片机系统分两部分,每一部分用一片8031控制：8031A只是用来产生SPWM波形，8031B完成键盘、显示、测功和计算、打印的功能。结构如图4。 系统要求输出的频率稳定性很高，因此单片机8031A专门用来发波形。波形是先离线计算好，每一种频率对应一组数据，包括输出电平为高为低以及脉冲的时间宽度，全存在存储器中。当收到8031B的起动命令和输出频率后，从存储器取出输出值送到IO口。同时，打开定时器，到设定时间后送新数。因此，电源输出频率的稳定度基本是由单片机的晶体振荡器稳定度决定的，而晶振的频率定度远远高过系统要求。 8031B扫描键盘，得到输入命令后，与8031A通信。在起动之后，实时检测母线电压和电流，实时计算，显示功率及其变化量，记录以备打印输出。这里主要是要求系统测出功率变化量，以此反映陀螺电机内部状态的变化量，所以对功率绝对值并无很高要求。取直流母线的电压和电流相乘计算功率。这个值基本与实际值相等，且省去了测功率因数。电流和电压经高精度模拟开关MAX301送入ICL7135进行A/D转换，ICL7135是4位半双积分A/D转换器。单片机从7135取出转换结果，进行乘法计算，得出结果。