由于航空器對(duì)電源要求較為苛刻，只有嚴(yán)格滿足各種品質(zhì)的需求，才能保證各分系統(tǒng)電路、器件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全工作。本文所要提及的航空逆變電源的特殊性在于它不但能夠提供三相正弦平衡電源，而且要保證，在任何內(nèi)外界環(huán)境干擾條件下，任何兩相問的相電壓幅值與頻率保持高度穩(wěn)定(進(jìn)行工作狀態(tài))。因此采用的逆變主電路是由3個(gè)單相全橋式逆變器組合成的三相逆變電路，如圖l所示。如何控制逆變主電路中開關(guān)器件的工作成為本系統(tǒng)能否達(dá)到要求的關(guān)鍵。為了加快開發(fā)進(jìn)度，更為重要的是提高設(shè)計(jì)的靈活性和精確度，引入現(xiàn)代EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)，采用VHDL硬件描述語言進(jìn)行控制邏輯編程，配置于大規(guī)?？删幊唐骷﨏PLD，F(xiàn)PGA芯片上，對(duì)主電路的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得符合要求的電源電壓及波形。
CPLD/FPGA可以在辦公室或?qū)嶒?yàn)室里方便地設(shè)計(jì)出所需的專用集成電路，具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，極大地提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性。
l調(diào)制方案設(shè)計(jì)
脈寬調(diào)制(PWM)是指工作頻率不變(即工作周期不變)，通過改變開關(guān)器件的導(dǎo)通滿足輸出的要求。為滿足設(shè)計(jì)要求，采用正弦波脈寬調(diào)制時(shí)間或截止時(shí)間來改變占空比，控制輸出的電壓脈寬，通過控制脈寬系列的變化規(guī)律來(SPWM)方法。SPWM波形產(chǎn)生的方法也是多種多樣的，有自然采樣法、規(guī)則采樣法和直接面積等效法等等。與其它方法相比，等效面積SPwM算法具有算法簡易、諧波含量小、輸出波形貼近理想值等特點(diǎn)，因此采用等效面積S刪算法進(jìn)行脈寬調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路器件的運(yùn)轉(zhuǎn)周期過程進(jìn)行控制。
1.1 建立數(shù)學(xué)模型
首先把單個(gè)周期正弦波形分為N等份，然后如圖2所示將每一等份的正弦弧線與橫軸所包圍的面積用與其面積等同的等高不等寬的矩形脈寬來代替，矩形脈寬的中點(diǎn)與正弦弧線在橫軸上的投影中點(diǎn)要重合。于是，由N個(gè)等高的矩形脈寬系列構(gòu)成的波形就等同于正弦波形.，這一系列矩形脈寬的寬度及其開關(guān)(即開關(guān)器件的導(dǎo)通截止時(shí)間)可用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。
如圖2所示是第k個(gè)脈寬，對(duì)應(yīng)的正弦弧線與橫軸所包圍的面積SAK，脈寬矩形面積SRk：
式中，M為調(diào)制參數(shù)。
將正弦波形分為N個(gè)等份，每一等份的弧度為
1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算
N取12，根據(jù)正弦波形的對(duì)稱性，實(shí)際矩形脈寬寬度只要算出3個(gè)就足夠了，取正半周的前半部分進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表l所列(其中M取o.813，歌為第k個(gè)等份的中點(diǎn))。
表1脈寬系列的計(jì)算過程及結(jié)果
2 軟硬件的實(shí)現(xiàn)
由于采用CPLD/R，GA作為控制電路的硬件載體，通過VHDL硬件描述語言的編程對(duì)硬件進(jìn)行功能的描繪，運(yùn)用的是數(shù)字化的控制方式，因此必須將表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。假設(shè)每個(gè)等份的計(jì)數(shù)值為600，將表中的數(shù)據(jù)皆與600/0.52359877相乘并取整以便VHDL編程。
筆者接入的晶振為100MHz，根據(jù)相電壓的頻率x，首先對(duì)它進(jìn)行(100×106/x)分頻，因此第一步設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控分頻器作為主頻，不但可以達(dá)到要求，還便于實(shí)驗(yàn)的調(diào)節(jié)。
每個(gè)脈寬產(chǎn)生的設(shè)計(jì)思路是，設(shè)計(jì)一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器，順序是299-0-0-299，取出相應(yīng)的脈寬一半的數(shù)值(轉(zhuǎn)換后)，將數(shù)值與計(jì)數(shù)器的變量進(jìn)行比較，若變量大則輸出0，否則輸出l，這樣保證了脈寬準(zhǔn)確地處于等份的中央。
由于電壓波形的每個(gè)周期內(nèi)要求有12個(gè)脈寬，且每個(gè)脈寬的寬度有嚴(yán)格的變化規(guī)律，因此，在設(shè)計(jì)中，每個(gè)周期對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)量為(600×12)。設(shè)計(jì)一個(gè)0到599計(jì)數(shù)器cntl，每計(jì)到599時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖進(jìn)行再計(jì)數(shù)，cnt2計(jì)數(shù)范圍為0到ll，這樣在cnt從0到1l變化一趟應(yīng)為波形的一個(gè)周期，所以結(jié)合cntl和cnt2可以按規(guī)律取出對(duì)應(yīng)的脈寬序號(hào)，通過查尋方式取出對(duì)應(yīng)的脈寬寬度一半的數(shù)值，用于比較產(chǎn)生脈寬，同時(shí)加入正負(fù)半波的標(biāo)志位naga，便于對(duì)單相全橋式逆變器各開關(guān)器件的控制。
以上敘述的是對(duì)單一相電壓波形的調(diào)制設(shè)計(jì)，還有另兩相A、B，為滿足相位平衡，可直接在計(jì)數(shù)器cntl中加入另兩相的脈寬比較輸出，但是取出用于比較的脈寬序號(hào)是不一樣的，B相滯后A相，c相又滯后B相，因此B相在cnt2為4時(shí)的脈寬序號(hào)與A相在cnt為0時(shí)的脈寬序號(hào)一致，C相同理，同時(shí)還要加入各自的正負(fù)半波的標(biāo)志位flagb，flagc。
其實(shí)逆變電源的特殊要求就在于在三相負(fù)載不平衡條件下能夠保證輸出的電源品質(zhì)不變，因此，每個(gè)相的脈寬必須各自能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，以達(dá)到各相電壓幅值一樣。在編程中，必須對(duì)每相的電壓調(diào)節(jié)分開，這樣，相同脈寬序號(hào)下，各相的脈寬寬度并不一定相同，還要根據(jù)反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。脈寬相應(yīng)的數(shù)值是變化的，因此，對(duì)每一相的脈寬寬度分開利用查尋表(如圖3所示，有3個(gè)表儲(chǔ)器A、B、C)的方式獲取。
利用EDA設(shè)計(jì)工具軟件MaX+plusII進(jìn)行波形仿真，仿真結(jié)果如圖4所示
從仿真結(jié)果可以清楚地看到，波形每個(gè)周期時(shí)間為2.5ms(相當(dāng)頻率400Hz)。對(duì)于A相，在flaga和a的與與非組合下，為對(duì)角管子Tl、T2提供信號(hào)a12，為另一對(duì)對(duì)角管子T3T4提供信號(hào)a34，而且保證了同一橋臂的上下兩管子不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，所以在設(shè)計(jì)當(dāng)中，不用設(shè)置死區(qū)時(shí)間，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。其余兩相同理，再利用Gw48.GK實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)板，通過下載到altera公司的EPlK30TCl44.3芯片上進(jìn)行硬件測試，結(jié)果完全符合要求。
3 結(jié)束語
利用CPLD/FPGA作為硬件電路，采用VHDL等硬件描述語言對(duì)硬件的功能進(jìn)行編程，加快了系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程。采用數(shù)字化的控制方式，大幅度提高了邏輯控制的精確度，實(shí)時(shí)控制效果好。實(shí)踐證明CPLD/FPGA芯片可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)雜電路，而且可以大比例地縮小電路的硬件規(guī)模，提高了集成度，降低了開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，為航空電源逆變控制電路的設(shè)計(jì)開辟了新的天地。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
分享到微信 ×
打開微信，點(diǎn)擊底部的“發(fā)現(xiàn)”，
使用“掃一掃”即可將網(wǎng)頁分享至朋友圈。