超电容在摆式陀螺寻北仪中的应用

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1、超级电容在陀螺摆中的应用1.说明德国摆式陀螺寻北仪GYROMAT－2000采用直流陀螺马达，同步工作的功耗小于0.7W。为了消除外部供电导流丝的影响，采用电池装入陀螺房的结构。为此带来的新问题是更换电池工作十分复杂。为了解决此问题，多年来一直设想是否能将电池用超级电容器代替？但是由于当时的超级电容采购困难并且“储能/体积比”尚不能满足放入陀螺房里的要求因而无法实现。近年来超级电容发展很快，就目前了解的情况看，有可能实现上述设想。升压DC/DC最小输入电压为0.35VMicrochip公司的PC16402.特点超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是

2、稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。超级电容单体为低压元件，2.7V和5V，由于容差的存在，不宜采用简单的办法进行串联。只能采用并联-串联方法，通过使用升压DC/DC变换为20V稳压直流以便为直流陀螺马达驱动电路供电并且假设DC/DC和其他电路的效率为80％。在设计从外部电源向超级电容电源自动切换电路时可考虑使用理想二极管电路以降低普通二极管切换电路组成的二极管正向压降大的损失。3.外电源快速启动－无起动电流限制为了快速启动，通常希望马达驱动采用较高的启动电压以便得到较高的启动电流。18由于摆式陀螺寻北仪不允许陀螺房在开锁状态下启动的，否则将会由于陀螺马达的惯性力矩

3、作用于陀螺房而损伤悬带和导流丝。陀螺房的锁定启动要求正好有利于利用强大的外部供电电源进行快速启动。通常起动电流比同步运行的电流大10倍以上。在允许更高的起动电源的条件下，例如45V，估计有可能将目前707的陀螺马达启动时间缩短到15s。马达同步（进入低功耗状态）之后，陀螺房开锁，外部电源断开，同时自动转换为陀螺房内部的超级电容（低功耗状态）供电，此过程利于降低对超级电容容量的要求。4.用电量和超级电容的容量的估算4.1.用电量估算超级电容储能的估算以瓦时（）计算，因此设备用电量也需要按计算。其中应该考虑的工作电路的效率。陀螺马达在起动和制动时虽然为最大功耗状态但是此时是

4、锁定状态由外部电源提供，只有马达进入同步转速即作为低功耗时陀螺房开锁之后超级电容才开始供电，为此这里的用电量不包括起动和制动的功耗。以GYROMAT-2000为例，其直流马达功耗＜0.7W,一次寻北的工作时间＜7min（7/60＝0.117.3h）。如果驱动电路的效率为80％，则总的功耗为对于目前十五所所用的直流马达同步工作状态的功耗≤１W，寻北测量工作时间≤６min（1/6＝0.17h）。电路的效率为80％则陀螺马达功耗＜0.22。新的寻北仪希则望寻北时间＜5min或者更少。除去陀螺马达供电之外，有些寻北仪具有对陀螺摆进行加矩控制的系统还需要为陀螺房内直流力矩线圈加入

5、恒定激励电流(控制绕组设置为定子)，此电流也必须由超级电容提供电源。通常激励电流分“粗－精”两档，假设粗寻北档恒流源激励电流为200mA（假设电压为5V）,工作时间＜60s；精寻北档恒流源激励电流为1mA（假设电压为５V），工作时间为10min并且假设电路的工作效率为80%则加矩线圈激励的平均功耗为：总的功耗为4.2.电容的利用率目前单体超级电容的最高额定充电电压仅为5.5V，而陀螺马达的驱动电路和恒流源电路需要22V～30V稳压供电，这就需要多个单体电容进行串联使用，假设采用4个单体串联为额定22V。另外，超级电容的输出电压是随着放电量的增加而下降，为此需要采用升压－

6、降压DC/DC变换为稳压输出。DC/DC/马达驱动电路的效率估计为80%.18和电池一样，低温条件下电容量下降为常温额定电容量的80%,则相当于利用率仅为。这就意味着为了满足上述0.22Wｈ的功耗，需要选用0.33Wｈ的电能。另一个需要考虑的问题是，超级电容随着存放时间的加长，电容量也会逐渐减小，例如20年之后的电容量可能减少20%，电池也存在此特性。关于单体耐压问题以下原因希望单体耐压越高越好：（1）储能量与电压的平方成正比:(2)超级电容应用电路中的均压电路部分比较复杂因此串联工作提高工作电压的方法受到一定限制。目前已有两级串联的单片均压电路。当然为了简减少引线尚须

7、进行某些改进。(3)陀螺马达驱动电路供电电压为20V∽35V,因此希望理想的单体耐压超过35V,目前最高耐压为5.5V;(4)充电安全;（5）简化DC/DC;（6）由于存在降低最小放电电压值，单体耐压越高，有效放电率也就越高。超级电容技术（超级电容和应用电路）在逐日改进和提高，特别是解决单体耐压问题，前面给出的温度特性和存储特性是出自10年前的资料。半年前中关村电子市场已可买到单体耐压达5.5V，1F的超级电容而近期（2012年4月）可买单体5.5V，1.5F的,网上可查到单体5.5V，4F的。以单体耐压为5.5V，1.5F为例，两个串联