基于EDA技術(shù)的航空電源逆變控制電路設(shè)計

來源：電子設(shè)計技術(shù)  作者：佚名2014年08月29日 18:51

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[導(dǎo)讀] 當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)。

關(guān)鍵詞：電源逆變EDA

　　當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)計自動化技術(shù)（EDA），綜合運用非常超高速集成電路硬件描述語言設(shè)計語言（VHDL）和可編程邏輯電路（PLD）元器件進行控制邏輯的設(shè)計與實現(xiàn)，對組合式三相逆變電路進行狀態(tài)控制，獲得要求的輸出電壓及波形。

　　1正弦脈寬調(diào)制方案的設(shè)計與計算

　　脈寬調(diào)制（Pulse-width Modulation，PWM）是在固定頻率下，設(shè)計一定規(guī)律的脈寬系列，控制逆變器的開關(guān)器件的導(dǎo)通及截止狀態(tài)，在輸出端獲取所需航空電源，滿足設(shè)計的品質(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。

　　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與弧線投影的中心點在時間軸上重合，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、截止狀態(tài)。

　　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：

　　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為αmk，等效面積的矩形寬度（相當于導(dǎo)通時間）為θpk，等效面積的矩形前后兩端剩余時間（相當于截止時間）寬度為θnk，計算公式分別是：

　　1.2設(shè)計計算及數(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Matlab軟件進行數(shù)值計算，生成表1和脈沖數(shù)據(jù)。

　　表1脈沖系列數(shù)據(jù)

　　圖2等效面積算法SPWM生成模型

　　2軟、硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　控制電路的硬件采用PLD元器件，并基于VHDL語言進行設(shè)計達成所需的邏輯功能，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)計文件M_TOP_SPWM，可實現(xiàn)等效面積正弦波脈寬調(diào)制法設(shè)計所需的脈沖波形系列，用來控制開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和截止狀態(tài)。

　　2.2邏輯電路的硬件編譯與實現(xiàn)

　　逆變控制電路的頂層設(shè)計文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple ArrayMatriX Programmable Logic User SystemⅡ）為本實驗的EDA設(shè)計軟件，并在EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)（GW-GK系統(tǒng)）上完成仿真和硬件測試實驗。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行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機接口與目標板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實現(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)計文件編譯后進行實驗仿真，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，完全滿足實驗設(shè)計所需的品質(zhì)要求。

　　圖3系統(tǒng)對接圖

　　圖4芯片引腳的鎖定分配圖

　　圖5連接下載

　　采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進行編程，在實驗室就能設(shè)計獲得所需的控制邏輯電路，特點明顯，具有傳統(tǒng)實驗方法根本無法實現(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)計的靈活性，實現(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)計實驗周期，減少誤差，提高設(shè)計系統(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，降低了開發(fā)成本，有利于當前航空事業(yè)突飛猛進對電源的多樣化需求開發(fā)，前景廣闊。

　　圖6實驗功能仿真效果圖

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