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，對飛機電氣系統設備的可靠性、供電品質等的要求也不斷提高。機載發電機控制器(簡稱GCU)是民用飛機的關鍵技術，是飛機上的重要部件，監測飛機的主發電機和永磁發電機的輸出是否正常，并在發現故障時發出信號給調節部分以進行調節保護，使飛機的主發電機和永磁發電機正常工作，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的穩定性，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電機和永磁發電機在正常或故障狀態下輸出的信號。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電機和永磁發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電機所發出的信號，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電機供電系統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;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 系統結構的總硬件設計

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

系統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)硬件開發平臺。DSP2407板上集中放置了DSP2407處理芯片和系統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。系統基本硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統基本硬件結構框圖

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，其含義是通過調節脈沖寬度(脈沖占空比)來調節平均電壓。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。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的優點集于一身［4］，既有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好、電壓驅動型的特點，又具有通態壓降低、高電壓、大電流的優點，它是八十年代初誕生，九十年代迅速發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點串接起來，不支持環形或星型網絡。RS485采用平衡發送和差分接收，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］:為了確保系統能夠在三相獨立調節和三相共同調節之間進行切換，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:西北工業大學，2006.

［4］孟武勝，王益軍.飛機發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.