基于單片機(jī)控制的航空測(cè)試用交流電源設(shè)計(jì)

劉建輝等

摘 要：作為航空測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，航空測(cè)試用交流電源不僅關(guān)系著測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行情況，而且對(duì)于航空事業(yè)的整體發(fā)展也具有重要影響?；诖?，文章引入單片機(jī)，通過(guò)對(duì)DC/DC直流降壓電路和DC/AC逆變電路進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)逆變控制信號(hào)的生成方式展開研究，以期以更加科學(xué)、合理的交流電源為航空測(cè)試系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)行提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；航空測(cè)試；交流電源

前言

航空領(lǐng)域的迅速發(fā)展對(duì)其測(cè)試系統(tǒng)也提出更高的要求，傳統(tǒng)的以人工控制為主的航空測(cè)試用交流電源已難以滿足航空測(cè)試系統(tǒng)高精度測(cè)試的新要求。因此，文章將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)至具有高穩(wěn)定性和較高性能的單片機(jī)方面，以構(gòu)建軟件的方式使得SPWM脈沖寬度調(diào)試的控制波予以生成，進(jìn)而降低逆變器輸出的波形畸變率，從整體上提高交流電源運(yùn)行的穩(wěn)定性，具體研究?jī)?nèi)容如下。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 航空測(cè)試交流電源簡(jiǎn)介

航空測(cè)試用交流電源是能夠?yàn)楹娇諟y(cè)試系統(tǒng)在地面進(jìn)行設(shè)備調(diào)試與測(cè)試時(shí)提供可調(diào)節(jié)的115V/400Hz的高精度交流電的專用電源，其主要被應(yīng)用在航空交流測(cè)試系統(tǒng)用電設(shè)備中，通過(guò)為系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行提供高精度的電流，從而確保各類航空設(shè)備能夠在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中測(cè)試[1]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由整流器、DC/DC直流降壓電路、DC/AC逆變電路、隔離驅(qū)動(dòng)器以及單片機(jī)（P87LPCC768）和UC3846芯片共同構(gòu)成。當(dāng)220V的交流電經(jīng)由整流濾波后，將300V大小的高壓直流電予以輸出，并使其經(jīng)過(guò)直流降壓電路進(jìn)行降壓，由此得到160V的標(biāo)準(zhǔn)高壓直流電。隨后，將此高壓直流電利用單片機(jī)控制的逆變橋進(jìn)行逆變，使其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為115V/400Hz的交流電壓輸出，此交流電壓輸出則為航空測(cè)試用電源輸出。在此過(guò)程中，單片機(jī)對(duì)整個(gè)電路的形成與工作過(guò)程實(shí)施監(jiān)控，以確保航空測(cè)試用交流電源得以正常、持續(xù)工作[2]。

1.3 DC/DC直流降壓電路

由上文可知，規(guī)格為220V/50Hz的交流電在進(jìn)行整流后，轉(zhuǎn)變成的直流電壓可達(dá)到300V，因此，為了確保航空使用交流電源115V/400Hz的交流輸出，須將生成的300V高壓直流電進(jìn)行降壓，使其達(dá)到規(guī)格為160V的直流電，從而確保電源輸出需要。實(shí)現(xiàn)方法可使用推挽變換器，在將開關(guān)管數(shù)量減至原有全橋方式一半的同時(shí)使得整流后的直流電壓利用率提升至原有全橋方式的一倍。具體操作如下：

利用UC3846電流型控制芯片對(duì)直流降壓電路進(jìn)行控制，使得推挽變換器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的磁偏能夠以周期的形式被抑制，從而令主開關(guān)管的電流峰值設(shè)置更加方便，同時(shí)，促使電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加靈敏。對(duì)UC3846進(jìn)行分析可知，其是一類基于雙端輸出的電流控制集成芯片，其在電源設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)為具有較少的外界元器件且具有較為簡(jiǎn)單的外電路裝配。UC3846芯片的控制閉合電路有二部分，其一為輸出電壓反饋的誤差放大器，主要功能是與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對(duì)比，并生成誤差電壓，其二為電感內(nèi)電流在反饋電阻中所產(chǎn)生的電壓同誤差電壓做出對(duì)比后而產(chǎn)生的調(diào)制脈沖寬度。考慮到峰值電感電流實(shí)際上是由誤差信號(hào)控制的，故將UC3846芯片及其外接元件共同組成電流型脈沖寬度調(diào)制器。因此，只需對(duì)UC3846芯片的外接元件進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而確保主電路工作頻率達(dá)到航空測(cè)試要求的50kHz[3]。

1.4 DC/AC逆變電路

選取規(guī)格為115V/400Hz的全橋逆變正弦波輸出電路作為本次基于單片機(jī)控制的航空測(cè)試用交流電源的DC/AC逆變電路。逆變橋的穩(wěn)定電壓主要由DC/DC直流降壓電路的輸出電容來(lái)提供，所設(shè)計(jì)的逆變橋電路主要由VM3-VM6構(gòu)成，其調(diào)制方式為雙極性，而單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM互補(bǔ)脈沖則經(jīng)由硬件延時(shí)互鎖隔離電路加載至HCPL3120，即隔離驅(qū)動(dòng)光耦的輸入端，光耦電源則主要由主變壓器線圈所引出的輔助繞組予以提供。在驅(qū)動(dòng)電流方面，考慮到電路的驅(qū)動(dòng)電流是由光耦脈沖輸出的門極所提供的，因此，為了避免輸出門極間相互影響而產(chǎn)生的橋臂直通使電路出現(xiàn)短路，應(yīng)在彼此互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖間設(shè)置時(shí)長(zhǎng)約為2us的死區(qū)時(shí)間，同時(shí)，對(duì)于安全工作的死區(qū)時(shí)間則以硬件互鎖和軟件編程兩種方式進(jìn)行設(shè)定。

2 逆變控制信號(hào)生成

利用P87LPC768單片機(jī)對(duì)文章設(shè)計(jì)的航空測(cè)試交流電源進(jìn)行控制，對(duì)該單片機(jī)進(jìn)行分析可知，其以加速處理器結(jié)構(gòu)為主，在原有的80C5I標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上使得指令執(zhí)行速度提升原來(lái)的2倍。一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期大都由6個(gè)振蕩周期共同構(gòu)成，而對(duì)于多數(shù)指令而言，其執(zhí)行時(shí)間通常為6或12個(gè)振蕩周期，即2個(gè)或4個(gè)機(jī)器周期，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)器、精確模擬量比較器和A/D轉(zhuǎn)換器與PWM的輸出等相關(guān)功能。還需說(shuō)明的是，由于P87LPC768單片機(jī)的引腳個(gè)數(shù)為20個(gè)，而無(wú)論是輸出口還是輸入口，其大都是能夠被重復(fù)利用的，因此，在進(jìn)行航空測(cè)試電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)由特殊功能寄存器完成其所對(duì)應(yīng)的管腳功能。

本次設(shè)計(jì)的航空測(cè)試用交流電源中，利用單片機(jī)提供的PWM輸出口將SPWM的驅(qū)動(dòng)脈沖予以輸出，而后，在借助A/D轉(zhuǎn)換接口、過(guò)載和輸入電壓進(jìn)行采樣，最終實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)。其中，SPWM脈沖波的生成應(yīng)以查表法獲得，同時(shí)，以調(diào)制波和三角波對(duì)稱規(guī)則計(jì)算正弦波半周期的單個(gè)SPWM波脈寬，并以此為依據(jù)，制定出SPWM脈沖寬度表，將其存儲(chǔ)至單片機(jī)程序存儲(chǔ)器中。在系統(tǒng)初始化后，便進(jìn)入脈沖寬度表的自動(dòng)查詢流程，并從PWM口將當(dāng)前電流輸出所需的脈沖寬度予以輸出，最后，經(jīng)由硬件互鎖隔離電路獲取逆變橋開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變橋的驅(qū)動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

利用文章的設(shè)計(jì)方案對(duì)飛機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行供電前，首先進(jìn)行了純電阻、純電容以及電感實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行電容與電感實(shí)驗(yàn)時(shí)，將測(cè)試系統(tǒng)負(fù)載功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整（調(diào)至0.7），并將交流直流輸入電壓分別設(shè)定為220V和160V，以雙極性調(diào)制的方法對(duì)電路逆變橋進(jìn)行調(diào)制，并將載波頻率和調(diào)制波頻率分別設(shè)置為10kHz和400Hz，同時(shí)，將調(diào)制比調(diào)至0.9，將直流側(cè)電容C調(diào)至220uF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，逆變器所輸出的波形同理想的正弦波相接近，而電容性與電感性負(fù)載所輸出的電壓電流波形并未發(fā)生嚴(yán)重畸變，且在單片機(jī)作用下，能夠較好地實(shí)現(xiàn)交流電壓的平穩(wěn)輸出，并使其滿足不同頻率的變化，為航空測(cè)試系統(tǒng)的安全、有效運(yùn)行提供可靠保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)航空測(cè)試交流電源進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，進(jìn)而對(duì)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、DC/DC直流降壓電路和DC/AC逆變電路等展開了設(shè)計(jì)和分析，并對(duì)逆變控制信號(hào)的生成方式做出探究。研究結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的航空測(cè)試交流電源能夠較好地滿足航空測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)要求，對(duì)于航空測(cè)試交流電源領(lǐng)域的后續(xù)研究具有重要的借鑒意義和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]傅元，張欽，丁振宇.基于單片機(jī)控制的精密交流步進(jìn)電源[J].儀器儀表用戶，2015，1（5）：44-46.

[2]蘆守平，姜瀚文，徐千.基于單片機(jī)控制的程控開關(guān)電源研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，5（11）：78-81.

[3]盧旭錦，王永強(qiáng).基于ATmega8單片機(jī)控制的正弦波逆變電源[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，8（15）：149-152.