基于DSP的智能中頻電源設計

孟武勝，李 艷，楊 陽，劉雪梅

(西北工業(yè)大學自動化學院，西安 710072)

1 概述

近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，航空技術水平相應地得到提高，民用飛機在速度、高度、航程以及安全性提高的同時，對飛機電氣系統(tǒng)設備的可靠性、供電品質等的要求也不斷提高。機載發(fā)電機控制器(簡稱GCU)是民用飛機的關鍵技術，是飛機上的重要部件，監(jiān)測飛機的主發(fā)電機和永磁發(fā)電機的輸出是否正常，并在發(fā)現故障時發(fā)出信號給調節(jié)部分以進行調節(jié)保護，使飛機的主發(fā)電機和永磁發(fā)電機正常工作，其關系如圖1所示［1］。因此，GCU工作的可靠性直接關系到飛機供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，關系到飛行安全，只有定期對其進行檢測維護，做到故障的及時發(fā)現和及時處理，才能保證GCU正常工作。因此，必須對GCU在地面進行各種電氣模擬測試試驗，為飛機各系統(tǒng)安全、準確、高效率、高協調性的工作提供保障，所以對機載GCU的性能參數進行準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備外，最重要的是需要高性能專門特制的電源來模擬飛機主發(fā)電機和永磁發(fā)電機在正常或故障狀態(tài)下輸出的信號。電源性能好壞直接關系到檢測工作的質量，目前國內進行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主發(fā)電機和永磁發(fā)電機的輸出信號提供GCU檢測所需的電壓和頻率。本文主要針對模擬主發(fā)電機所發(fā)出的信號，設計了一款智能中頻電源。

圖1 總控制關系框圖

2 智能中頻電源的設計指標

在對機載GCU進行地面測試時，需要智能中頻電源模擬飛機主發(fā)電機供電系統(tǒng)可能出現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指標可定為80V－150V;依據手冊要求過頻要求最高433±3Hz，欠頻要求最低345±2Hz，因此頻率的技術指標可定為330～460Hz±1Hz，依據手冊容量500VA足夠滿足測試要求［1］。根據上述的相關依據和GCU測試過程的要求確定智能中頻電源設計指標為:

輸出為三相四線制;相電壓80～150±1.5V;頻率330～460Hz±1Hz;容量500VA;三相間可獨立調節(jié);波形失真度小于5%;RS485通訊接口，實現啟動、停機/復位和調壓、調頻功能;操作顯示:LCD面板顯示三相電壓、電流、頻率;保護功能:輸入過欠壓、輸出過壓、過載、短路、過熱。

3 系統(tǒng)結構的總硬件設計

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、開關器件驅動電路、緩沖電路和輸出交流濾波電路。控制電路主要包括DSPTMS320LF2407(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。輔助電路包括模數轉換電路和保護電路，保護電路包括過壓保護和過流保護。接口與計算機相連使用通訊總線。系統(tǒng)基本硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本硬件結構框圖

本設計采用交－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換成交流電并輸出。

3.1 基于DSP的SPWM產生

PWM(Pulse width modulation即脈寬調制)技術就是利用全控型電力電子器件(IGBT、GTO等)的導通和關斷把電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列［2］，實現變壓、變頻控制并且消除諧波的技術。SPWM技術就是希望輸出的電壓是正弦波形，其含義是通過調節(jié)脈沖寬度(脈沖占空比)來調節(jié)平均電壓。SPWM的基本思想是:正弦波作為調制波，等腰三角波作為載波，當三角波與正弦波曲線相交時，在交點時刻產生控制信號，用來控制功率開關器件的通斷，這樣可以得到一系列等幅而且脈沖寬度正比于對應區(qū)間正弦波曲線的函數值矩形脈沖(見圖3)。

3.2 逆變電路的設計

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，就能夠很好的實現三相間獨立調節(jié)。由于中頻電源主體是由三組單相逆變電路構成的，所以三相之間除了相移為120度之外，幾乎無任何耦合關系。將產生的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，即可實現三相獨立調節(jié)功能。

逆變部分采用SPWM控制技術，是因為對于電壓型逆變電路來說，它具有以下優(yōu)點:①消除諧波效果好，輸出電壓波形接近于正弦波形。②SPWM逆變電路既可調頻，也可調壓，動態(tài)響應快［3］。

逆變電路中的選擇絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為逆變橋的開關器件，是因為IGBT將MOSFET與GTR的優(yōu)點集于一身［4］，既有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓驅動型的特點，又具有通態(tài)壓降低、高電壓、大電流的優(yōu)點，它是八十年代初誕生，九十年代迅速發(fā)展起來的新型復合電力電子器件。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 通訊電路的設計

在通訊電路中采用MAX485芯片與計算機之間通信(見圖5)，是因為RS485采用半雙工工作方式，支持多點數據通信。RS485總線網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，即采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持環(huán)形或星型網絡。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，而RS485的通訊距離可達到一千米以上，抗干擾能力比RS232效果好得多，所以使用RS485進行計算機和電源之間的通訊，通過計算機軟件編程實現控制中頻電源的電壓和頻率的改變。

3.4 過壓過流保護電路設計

在中頻電源電路系統(tǒng)設計中，強有力的保護電路是能夠順利實現安全有效輸出的關鍵之一，沒有一套完整可靠的過壓(見圖6)、過流保護電路(見圖7)，裝置就無法實現安全運行，甚至會在尖峰電壓、尖峰電流等情況下無法正常工作而使被測試設備損壞，所以，在中頻電源系統(tǒng)中加入保護電路是很有必要的。

3.5 顯示電路設計

顯示電路可用一個8位單片機驅動實現，由經驗可知W77I058A25PL單片機能夠滿足要求，并且價格便宜，所以選用此單片機用于顯示電路的設計。

圖6 過壓保護電路

圖7 過流保護電路

4 軟件設計

本系統(tǒng)軟件部分包括DSP控制部分和上位計算機部分。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)能夠在三相獨立調節(jié)和三相共同調節(jié)之間進行切換，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下的實現

使用matlab搭建實物仿真，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，在額定的調節(jié)范圍內，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 束 語

在程控電源設計中若采用單片機，由于單片機的片內資源有限，沒有專門的乘法器，如果在片內實現的話，必定會加大CPU的負擔，如果在片外實現的話，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雜化了。因此，采用DSPTMS320LF2407，能達到事半功倍的效果［5］，并且使用RS485通信總線實現通訊，使抑制共模干擾的能力大大增強。

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，2002.

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

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

［5］李蔚.DSPTMS320LF2407原理及其在程控電源設計中的應用［J］.電子技術應用，2003，29(5)50－51.