基于DSP的智能中頻電源設(shè)計(jì)

孟武勝，李 艷，楊 陽，劉雪梅

(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安 710072)

1 概述

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，航空技術(shù)水平相應(yīng)地得到提高，民用飛機(jī)在速度、高度、航程以及安全性提高的同時，對飛機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、供電品質(zhì)等的要求也不斷提高。機(jī)載發(fā)電機(jī)控制器(簡稱GCU)是民用飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，是飛機(jī)上的重要部件，監(jiān)測飛機(jī)的主發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)的輸出是否正常，并在發(fā)現(xiàn)故障時發(fā)出信號給調(diào)節(jié)部分以進(jìn)行調(diào)節(jié)保護(hù)，使飛機(jī)的主發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)正常工作，其關(guān)系如圖1所示［1］。因此，GCU工作的可靠性直接關(guān)系到飛機(jī)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，關(guān)系到飛行安全，只有定期對其進(jìn)行檢測維護(hù)，做到故障的及時發(fā)現(xiàn)和及時處理，才能保證GCU正常工作。因此，必須對GCU在地面進(jìn)行各種電氣模擬測試試驗(yàn)，為飛機(jī)各系統(tǒng)安全、準(zhǔn)確、高效率、高協(xié)調(diào)性的工作提供保障，所以對機(jī)載GCU的性能參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確快速的測試具有重要意義［1］。

GCU的檢測除需要一些專用設(shè)備外，最重要的是需要高性能專門特制的電源來模擬飛機(jī)主發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)在正?；蚬收蠣顟B(tài)下輸出的信號。電源性能好壞直接關(guān)系到檢測工作的質(zhì)量，目前國內(nèi)進(jìn)行GCU檢測用電源研究的單位比較少，而且所研究的電源針對某一機(jī)型，功能單一，精度低，自動化程度差。電源主要是模擬民用飛機(jī)主發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)的輸出信號提供GCU檢測所需的電壓和頻率。本文主要針對模擬主發(fā)電機(jī)所發(fā)出的信號，設(shè)計(jì)了一款智能中頻電源。

圖1 總控制關(guān)系框圖

2 智能中頻電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)

在對機(jī)載GCU進(jìn)行地面測試時，需要智能中頻電源模擬飛機(jī)主發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的正常和非正常的供電狀況，包括過壓、欠壓、過頻、欠頻、電壓不對稱等情況。依據(jù)GCU手冊中所提到的過壓要求最高131.5V，欠壓要求最低96V，因此相電壓輸出范圍的技術(shù)指標(biāo)可定為80V－150V;依據(jù)手冊要求過頻要求最高433±3Hz，欠頻要求最低345±2Hz，因此頻率的技術(shù)指標(biāo)可定為330～460Hz±1Hz，依據(jù)手冊容量500VA足夠滿足測試要求［1］。根據(jù)上述的相關(guān)依據(jù)和GCU測試過程的要求確定智能中頻電源設(shè)計(jì)指標(biāo)為:

輸出為三相四線制;相電壓80～150±1.5V;頻率330～460Hz±1Hz;容量500VA;三相間可獨(dú)立調(diào)節(jié);波形失真度小于5%;RS485通訊接口，實(shí)現(xiàn)啟動、停機(jī)/復(fù)位和調(diào)壓、調(diào)頻功能;操作顯示:LCD面板顯示三相電壓、電流、頻率;保護(hù)功能:輸入過欠壓、輸出過壓、過載、短路、過熱。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總硬件設(shè)計(jì)

智能中頻電源在GCU測試系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，中頻電源性能優(yōu)良與否是GCU測試的關(guān)鍵因素之一。

系統(tǒng)的硬件電路可分為主電路、控制電路、輔助電路和總線接口。主電路包括輸入整流濾波電路、逆變電路、開關(guān)器件驅(qū)動電路、緩沖電路和輸出交流濾波電路?？刂齐娐分饕―SPTMS320LF2407(以下簡稱DSP2407)硬件開發(fā)平臺。DSP2407板上集中放置了DSP2407處理芯片和系統(tǒng)所要用的各個輸入輸出口和功能接口，例如A/D采樣口、SCI通信口、PWM信號輸出口等。輔助電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)電路，保護(hù)電路包括過壓保護(hù)和過流保護(hù)。接口與計(jì)算機(jī)相連使用通訊總線。系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)采用交－直－交的逆變形式，先使用整流濾波器將交流電過濾成直流電，再通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換成交流電并輸出。

3.1 基于DSP的SPWM產(chǎn)生

PWM(Pulse width modulation即脈寬調(diào)制)技術(shù)就是利用全控型電力電子器件(IGBT、GTO等)的導(dǎo)通和關(guān)斷把電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列［2］，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并且消除諧波的技術(shù)。SPWM技術(shù)就是希望輸出的電壓是正弦波形，其含義是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度(脈沖占空比)來調(diào)節(jié)平均電壓。SPWM的基本思想是:正弦波作為調(diào)制波，等腰三角波作為載波，當(dāng)三角波與正弦波曲線相交時，在交點(diǎn)時刻產(chǎn)生控制信號，用來控制功率開關(guān)器件的通斷，這樣可以得到一系列等幅而且脈沖寬度正比于對應(yīng)區(qū)間正弦波曲線的函數(shù)值矩形脈沖(見圖3)。

3.2 逆變電路的設(shè)計(jì)

逆變電路使用三組單相逆變電路組成一個三相逆變電路，只要能夠保持三相間的固定120度相移，就能夠很好的實(shí)現(xiàn)三相間獨(dú)立調(diào)節(jié)。由于中頻電源主體是由三組單相逆變電路構(gòu)成的，所以三相之間除了相移為120度之外，幾乎無任何耦合關(guān)系。將產(chǎn)生的SPWM波分為三路分別給三路逆變電路，這樣三路之間互不干擾，即可實(shí)現(xiàn)三相獨(dú)立調(diào)節(jié)功能。

逆變部分采用SPWM控制技術(shù)，是因?yàn)閷τ陔妷盒湍孀冸娐穪碚f，它具有以下優(yōu)點(diǎn):①消除諧波效果好，輸出電壓波形接近于正弦波形。②SPWM逆變電路既可調(diào)頻，也可調(diào)壓，動態(tài)響應(yīng)快［3］。

逆變電路中的選擇絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為逆變橋的開關(guān)器件，是因?yàn)镮GBT將MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身［4］，既有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓驅(qū)動型的特點(diǎn)，又具有通態(tài)壓降低、高電壓、大電流的優(yōu)點(diǎn)，它是八十年代初誕生，九十年代迅速發(fā)展起來的新型復(fù)合電力電子器件。因此在逆變電路部分采用G4PC50UD型號的IGBT即可滿足本中頻電源的需求(見圖4)。

3.3 通訊電路的設(shè)計(jì)

在通訊電路中采用MAX485芯片與計(jì)算機(jī)之間通信(見圖5)，是因?yàn)镽S485采用半雙工工作方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。RS485總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即采用一條總線將各個節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS232的通訊距離僅限制在十幾米的范圍內(nèi)，而RS485的通訊距離可達(dá)到一千米以上，抗干擾能力比RS232效果好得多，所以使用RS485進(jìn)行計(jì)算機(jī)和電源之間的通訊，通過計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)控制中頻電源的電壓和頻率的改變。

3.4 過壓過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在中頻電源電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，強(qiáng)有力的保護(hù)電路是能夠順利實(shí)現(xiàn)安全有效輸出的關(guān)鍵之一，沒有一套完整可靠的過壓(見圖6)、過流保護(hù)電路(見圖7)，裝置就無法實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，甚至?xí)诩夥咫妷?、尖峰電流等情況下無法正常工作而使被測試設(shè)備損壞，所以，在中頻電源系統(tǒng)中加入保護(hù)電路是很有必要的。

3.5 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路可用一個8位單片機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，由經(jīng)驗(yàn)可知W77I058A25PL單片機(jī)能夠滿足要求，并且價格便宜，所以選用此單片機(jī)用于顯示電路的設(shè)計(jì)。

圖6 過壓保護(hù)電路

圖7 過流保護(hù)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分包括DSP控制部分和上位計(jì)算機(jī)部分。DSP控制部分包括主程序和PWM中斷子程序［3］:為了確保系統(tǒng)能夠在三相獨(dú)立調(diào)節(jié)和三相共同調(diào)節(jié)之間進(jìn)行切換，須使用PWM中斷子程序控制，程序流程圖如圖8和圖9所示。

圖8 主程序流程圖

圖9 PWM中斷子程序流程圖

5 中頻電源在MATLAB下的實(shí)現(xiàn)

使用matlab搭建實(shí)物仿真，如圖10和圖11所示。在matlab仿真下，智能中頻電源輸出電壓在80V－150V(見表1和表2)，誤差不大于±1V，輸出頻率在330Hz－460Hz，誤差不大于 ±0.8Hz，在額定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，總諧波失真率小于3%。

表1 三相對稱輸出電壓

表2 三相不對稱輸出電壓

圖10 三相對稱輸出電壓仿真圖

6 結(jié) 束 語

在程控電源設(shè)計(jì)中若采用單片機(jī)，由于單片機(jī)的片內(nèi)資源有限，沒有專門的乘法器，如果在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的話，必定會加大CPU的負(fù)擔(dān)，如果在片外實(shí)現(xiàn)的話，則必須增加額外的硬件電路，這不但增加了額外的DAC，而且增加了一個譯碼電路，使電路在一定程度上復(fù)雜化了。因此，采用DSPTMS320LF2407，能達(dá)到事半功倍的效果［5］，并且使用RS485通信總線實(shí)現(xiàn)通訊，使抑制共模干擾的能力大大增強(qiáng)。

圖11 三相不對稱輸出電壓仿真圖

［1］Hamilton Sundstrand.ComponentMaintenanceManual［S］.part number 735226，740206 Series，Revision 43，dated Sep 27th，2010.

［2］陳敏.9KVA組合式三相逆變器的研制［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2002.

［3］李靜.機(jī)載電氣設(shè)備地面測試用功率信號源的研制［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］孟武勝，王益軍.飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器檢測用智能型信號源研制［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2008，16(6)891－900.

［5］李蔚.DSPTMS320LF2407原理及其在程控電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2003，29(5)50－51.