基于EDA技術(shù)的航空電源逆變控制電路設(shè)計(jì)

吳國強(qiáng)+蔣超++劉慶全+劉巖

摘要： 為適應(yīng)航空電源品質(zhì)的新需求和發(fā)展的快節(jié)奏，綜合先進(jìn)的現(xiàn)代EDA技術(shù)與脈寬調(diào)制技術(shù)，精心設(shè)計(jì)航空逆變電路的調(diào)制方案。采納等效面積正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）生成法構(gòu)建控制數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值運(yùn)算和數(shù)字轉(zhuǎn)換，運(yùn)用硬件描述語言VHDL編寫實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的邏輯功能。以PLD元器件為調(diào)制控制電路的硬件，采用Max+PlusⅡ軟件在EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)（GW?GK系統(tǒng)）上完成仿真和硬件測試實(shí)驗(yàn)，獲得了三相SPWM波形脈沖序列，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，確保了輸出波形諧波量小，波形接近理想正弦波形，同時簡化了控制電路的結(jié)構(gòu)和規(guī)模，提高系統(tǒng)的控制精度及其可靠性。

關(guān)鍵詞： 硬件描述語言； 脈寬調(diào)制； 電子設(shè)計(jì)自動化； 邏輯功能設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1004?373X（2014）08?0153?03

Design of aero power supply invert?controlling circuit based on EDA technology

WU Guo?qiang1， JIANG Chao2， LIU Qing?quan1， LIU Yan2， 3

（1. Unit 94816 of PLA， Fuzhou 350002， China； 2. Air Force Service College， Xuzhou 221000， China； 3. Unit 92919 of PLA， Ningbo 315000， China）

Abstract： To adapt to the new need and the quick development rhythm of the aero power quality， a modulation scheme of aero inverting circuit was designed by means of the advanced modern EDA technique and pulse?width modulation technique. The area?equivalent sine wave pulse width modulation （SPWM） was adopted to set up control mathematics model. The logic function needed in circuit design was realized with number operation， digital conversion and hardware description Language VHDL. PLDs are taken as the hardwares of the modulation control circuit. With the MAX+plus Ⅱ software， the simulation and hardware testing experiment were completed on the EDA test developing system （GW?GK system）， the three?phase SPWM waveform pulse series was acquired， the digitaliztion control was realized， the wave harmonic component was decreased and the almost ideal sine wave was obtained. The method simplified the structure and scale of the control circuit， and increased the control accuracy and credibility of the system.

Keywords： hardware description language； pulse width modulation； electronic design automation； logic function design

當(dāng)前航空電源型號各異，種類龐雜，應(yīng)該說綜合性能還不夠高。特別是隨著航空器的不斷發(fā)展，其對電源保障需求面臨諸多新挑戰(zhàn)。因此，研制先進(jìn)電源保障設(shè)備，提高其通用性、綜合性，可為現(xiàn)有各類航空器提供通用配套保障，不但能夠適應(yīng)航空器換代的需要，提高其實(shí)用性，而且可以壓縮保障裝備設(shè)備的數(shù)量和規(guī)模。研究事例為航空逆變電源，其特性是負(fù)載三相平衡的前提下，能夠保證三相電壓的幅值、相位始終處于平衡。構(gòu)成的組合式三相全橋逆變電路見圖1。本文引入了技術(shù)現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動化技術(shù)（EDA），綜合運(yùn)用非常超高速集成電路硬件描述語言設(shè)計(jì)語言（VHDL）和可編程邏輯電路（PLD）元器件進(jìn)行控制邏輯的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對組合式三相逆變電路進(jìn)行狀態(tài)控制，獲得要求的輸出電壓及波形[1?3]。

1正弦脈寬調(diào)制方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算

脈寬調(diào)制（Pulse?width Modulation，PWM）是在固定頻率下，設(shè)計(jì)一定規(guī)律的脈寬系列，控制逆變器的開關(guān)器件的導(dǎo)通及截止?fàn)顟B(tài)，在輸出端獲取所需航空電源，滿足設(shè)計(jì)的品質(zhì)要求。

1.1等效面積法的數(shù)學(xué)模型

采納等效面積正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）生成法，具有輸出波形諧波量小，波形接近正弦波形而且算法簡單等優(yōu)勢特點(diǎn)[4?5]。

先把理想正弦波劃分為若干等份，如圖2所示，某一等份的弧線與時間軸形成的面積等同于某矩形脈寬，前提是矩形脈寬中點(diǎn)與弧線投影的中心點(diǎn)在時間軸上重合，且兩者面積相等，劃分的等份數(shù)量越大，整個矩形脈沖系列就越近似于設(shè)計(jì)所需的理想正弦波形，其中，矩形脈寬就是用于控制逆變器上元器件的導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)[6]。

圖1組合式逆變電路示意圖

如第k個脈沖，其的正弦波形弧線垂直向下與時間軸形成的面積為SAk，與其等效的脈沖矩形面積為SRk，易得到公式：

[SAk=MUsα1kα4ksinθdθ=MUscosα1k-cosα4k =SRk=Usα2k-α3k]

式中：調(diào)制參數(shù)為M；理想正弦波被劃分為N等份。

每等份的時間寬度為θk，每等份的時間軸中點(diǎn)為αmk，等效面積的矩形寬度（相當(dāng)于導(dǎo)通時間）為θpk，等效面積的矩形前后兩端剩余時間（相當(dāng)于截止時間）寬度為θnk，計(jì)算公式分別是：

[θk=α4k-α1k=2πN,αmk=2πNk-1+2π2N=πN2k-1,θpk=α3k-α2k,θnk=θk-θpk2]

1.2設(shè)計(jì)計(jì)算及數(shù)據(jù)生成

設(shè)定一定數(shù)值后，通過上述等式和公式，利用數(shù)學(xué)工具M(jìn)atlab軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，生成表1和脈沖數(shù)據(jù)。

圖2 等效面積算法SPWM生成模型

2軟、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制電路的硬件采用PLD元器件，并基于VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)達(dá)成所需的邏輯功能，做到數(shù)字化控制。

整個系統(tǒng)主要由開關(guān)模塊M_ONOFF、可控時鐘分頻器M_CLOCK、反饋調(diào)制模塊M_MANDP、脈沖寬度數(shù)值存儲器A、B、C：PW_ROM和脈沖發(fā)生器M_PWM等模塊按一定邏輯對接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設(shè)計(jì)文件M_TOP_SPWM，可實(shí)現(xiàn)等效面積正弦波脈寬調(diào)制法設(shè)計(jì)所需的脈沖波形系列，用來控制開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。

2.2邏輯電路的硬件編譯與實(shí)現(xiàn)

逆變控制電路的頂層設(shè)計(jì)文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）為本實(shí)驗(yàn)的EDA設(shè)計(jì)軟件，并在EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)（GW?GK系統(tǒng)）上完成仿真和硬件測試實(shí)驗(yàn)。首先選用ALTERA公司的EP1K50TC144?3芯片，然后如圖4，圖5所示對此芯片管腳進(jìn)行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機(jī)接口與目標(biāo)板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)電路邏輯功能。

3仿真結(jié)論與開發(fā)前景

頂層設(shè)計(jì)文件編譯后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果如圖6所示，其中脈沖系統(tǒng)S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號，S_C12、S_C34是單相全橋逆變器C的控制信號，顯而易見三個單相全橋逆變器控制脈沖信號S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的品質(zhì)要求。

[圖4 芯片引腳的鎖定分配][圖5 連接下載]

采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進(jìn)行編程，在實(shí)驗(yàn)室就能設(shè)計(jì)獲得所需的控制邏輯電路，特點(diǎn)明顯，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法根本無法實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的優(yōu)勢，這大大提升了航空電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期，減少誤差，提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精確度（如圖6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度縮小控制系統(tǒng)的硬件規(guī)模，提高了集成度[1，3]，降低了開發(fā)成本，有利于當(dāng)前航空事業(yè)突飛猛進(jìn)對電源的多樣化需求開發(fā)，前景廣闊。

圖6實(shí)驗(yàn)功能仿真效果圖

參考文獻(xiàn)

[1] 王彩鳳，胡波，李衛(wèi)兵，等.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011（1）：8?10.

[2] 陸楨，紀(jì)志成，沈艷霞.96單片機(jī)生成SPWM的軟硬件策略[J]. 無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，19（3）：287?291.

[3] 潘松，黃繼業(yè).EDA實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[4] 侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)（修訂版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[5] 胡興柳，彭小兵，穆新華.SPWM逆變電源的單極性控制方式實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程，2004，21（1）：169?172.

[6] 杜坤梅.數(shù)字脈寬調(diào)制方法的研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，4（6）：18?22.

整個系統(tǒng)主要由開關(guān)模塊M_ONOFF、可控時鐘分頻器M_CLOCK、反饋調(diào)制模塊M_MANDP、脈沖寬度數(shù)值存儲器A、B、C：PW_ROM和脈沖發(fā)生器M_PWM等模塊按一定邏輯對接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設(shè)計(jì)文件M_TOP_SPWM，可實(shí)現(xiàn)等效面積正弦波脈寬調(diào)制法設(shè)計(jì)所需的脈沖波形系列，用來控制開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。

2.2邏輯電路的硬件編譯與實(shí)現(xiàn)

逆變控制電路的頂層設(shè)計(jì)文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）為本實(shí)驗(yàn)的EDA設(shè)計(jì)軟件，并在EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)（GW?GK系統(tǒng)）上完成仿真和硬件測試實(shí)驗(yàn)。首先選用ALTERA公司的EP1K50TC144?3芯片，然后如圖4，圖5所示對此芯片管腳進(jìn)行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機(jī)接口與目標(biāo)板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)電路邏輯功能。

3仿真結(jié)論與開發(fā)前景

頂層設(shè)計(jì)文件編譯后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果如圖6所示，其中脈沖系統(tǒng)S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號，S_C12、S_C34是單相全橋逆變器C的控制信號，顯而易見三個單相全橋逆變器控制脈沖信號S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的品質(zhì)要求。

[圖4 芯片引腳的鎖定分配][圖5 連接下載]

采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進(jìn)行編程，在實(shí)驗(yàn)室就能設(shè)計(jì)獲得所需的控制邏輯電路，特點(diǎn)明顯，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法根本無法實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的優(yōu)勢，這大大提升了航空電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期，減少誤差，提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精確度（如圖6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度縮小控制系統(tǒng)的硬件規(guī)模，提高了集成度[1，3]，降低了開發(fā)成本，有利于當(dāng)前航空事業(yè)突飛猛進(jìn)對電源的多樣化需求開發(fā)，前景廣闊。

圖6實(shí)驗(yàn)功能仿真效果圖

參考文獻(xiàn)

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整個系統(tǒng)主要由開關(guān)模塊M_ONOFF、可控時鐘分頻器M_CLOCK、反饋調(diào)制模塊M_MANDP、脈沖寬度數(shù)值存儲器A、B、C：PW_ROM和脈沖發(fā)生器M_PWM等模塊按一定邏輯對接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設(shè)計(jì)文件M_TOP_SPWM，可實(shí)現(xiàn)等效面積正弦波脈寬調(diào)制法設(shè)計(jì)所需的脈沖波形系列，用來控制開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。

2.2邏輯電路的硬件編譯與實(shí)現(xiàn)

逆變控制電路的頂層設(shè)計(jì)文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）為本實(shí)驗(yàn)的EDA設(shè)計(jì)軟件，并在EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)（GW?GK系統(tǒng)）上完成仿真和硬件測試實(shí)驗(yàn)。首先選用ALTERA公司的EP1K50TC144?3芯片，然后如圖4，圖5所示對此芯片管腳進(jìn)行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機(jī)接口與目標(biāo)板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)電路邏輯功能。

3仿真結(jié)論與開發(fā)前景

頂層設(shè)計(jì)文件編譯后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果如圖6所示，其中脈沖系統(tǒng)S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號，S_C12、S_C34是單相全橋逆變器C的控制信號，顯而易見三個單相全橋逆變器控制脈沖信號S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的品質(zhì)要求。

[圖4 芯片引腳的鎖定分配][圖5 連接下載]

采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進(jìn)行編程，在實(shí)驗(yàn)室就能設(shè)計(jì)獲得所需的控制邏輯電路，特點(diǎn)明顯，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法根本無法實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的優(yōu)勢，這大大提升了航空電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期，減少誤差，提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精確度（如圖6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度縮小控制系統(tǒng)的硬件規(guī)模，提高了集成度[1，3]，降低了開發(fā)成本，有利于當(dāng)前航空事業(yè)突飛猛進(jìn)對電源的多樣化需求開發(fā)，前景廣闊。

圖6實(shí)驗(yàn)功能仿真效果圖

參考文獻(xiàn)

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[2] 陸楨，紀(jì)志成，沈艷霞.96單片機(jī)生成SPWM的軟硬件策略[J]. 無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，19（3）：287?291.

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