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靜止變換式航空地面電源PWM電壓控制器的設(shè)計(jì)
摘要：某型飛機(jī)地面專用電源所用的電壓控制系統(tǒng)采用“開關(guān)點(diǎn)預(yù)置可調(diào)脈寬控制技術(shù)”的全數(shù)字化PWM控制方式，具有自動(dòng)調(diào)壓，故障保護(hù)和軟起動(dòng)等功能。文中介紹了電壓控制系統(tǒng)的工作原理及實(shí)現(xiàn)電路。
關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制控制器邏輯編程
Design of PWM Voltage Controller for Ground Static? conversion
Power Supply in Use for Air
Abstract: Voltage control system of special ground power supply in use for a certain type aeroplane adopts full? digital control mode,technology of on? off predetermination and adjustable pulse width control,which possesses function of automatic voltage regulation,fault protection and soft starting.Moreover,Principle and real? line circuit of voltage control system are introduced.
Keywords: PWM, Controller, Logic programmable
中圖法分類號(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文字編號(hào)：0219?2713（2000）08?392?04
1引言
目前，變換器中采用的脈寬調(diào)制控制技術(shù)主要有兩種。一種是開關(guān)點(diǎn)預(yù)置PWM控制方式，這一方案雖有開關(guān)次數(shù)少且低次諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)，但卻存在不能自動(dòng)調(diào)壓的缺點(diǎn)。電源輸出電壓的調(diào)節(jié)需依靠另外的調(diào)壓電路，如通過調(diào)節(jié)變換器直流環(huán)節(jié)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。變換器內(nèi)部多了一個(gè)環(huán)節(jié)，因此電路較復(fù)雜，可靠性下降。
(a)方案a電壓波形(b)方案b電壓波形
圖1兩種不同PWM電壓波形圖
另一種PWM控制方式就是正弦波脈寬調(diào)制（SPWM），這種控制方式可通過提高開關(guān)器件的開關(guān)頻率來(lái)減少低次諧波的含量。這一方案雖然可以通過控制電路調(diào)節(jié)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)壓，但電路較復(fù)雜，開關(guān)功率損耗較大，這樣在功率靜止變換電源上的應(yīng)用受到影響。
| 諧波次數(shù) | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 方案a諧波幅值 | 0.9902 | －0.0108 | 0.0552 | 0.0027 | 0.0077 | －0.0180 | －0.0713 | －0.1150 |
| 方案b諧波幅值 | 1.036 | 0.0 | 0.012 | 0.059 | 0.0 | 0.055 | 0.121 | 0.0 |
表1各次諧波電壓幅值表
在總結(jié)以上兩種控制方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型的PWM控制方式，即“開關(guān)點(diǎn)預(yù)置可調(diào)脈寬控制方式”。這種控制方式既具有開關(guān)點(diǎn)預(yù)置PWM方式開關(guān)次數(shù)少，低次諧波含量低的優(yōu)點(diǎn)，又具有正弦脈寬調(diào)制方式自動(dòng)調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的特點(diǎn)。因此，用此控制方式設(shè)計(jì)的控制器電路簡(jiǎn)單，采用可編程邏輯器件GAL來(lái)生成PWM波，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，運(yùn)用在某型飛機(jī)的地面專用電源中，效果良好。
2開關(guān)點(diǎn)預(yù)置可調(diào)脈寬控制原理
利用諧波消去法優(yōu)化的PWM電壓波形如圖1所示。圖1（a）為一周期由64個(gè)方波合成的PWM電壓波形，圖1（b）為一周期內(nèi)由72個(gè)方波合成的PWM電壓波形，圖中數(shù)字表示脈沖的個(gè)數(shù)。根據(jù)諧波計(jì)算
圖4PWM控制信號(hào)生成電路
表2不同占空比時(shí)基波及各次諧波幅值
公式（1）計(jì)算出各次諧波幅值如表1所示。
(1)
式中bn——n次諧波幅值；
n——諧波次數(shù)；
i——開關(guān)角序號(hào)；
i——線電壓正半周前1/4周期開關(guān)角；
Ud——變換器直流輸入電壓。
從表1中可以看出，方案b中基波含量略高，且不存在3及3的倍數(shù)次諧波，利用此方案制成的變換器，其后級(jí)濾波電路會(huì)簡(jiǎn)單些，但開關(guān)頻率要比方案a高。選取哪種方案作為變換器控制方式，要根據(jù)具體要求而定，若變換器為單相且對(duì)開關(guān)頻率要求不太嚴(yán)格，兩種方案均可，但是考慮后級(jí)濾波電路時(shí)，選擇方案b更理想。若變換器為三相，則只能選擇方案b，方案a行不通，因?yàn)榉桨竌一周期是由64個(gè)方波構(gòu)成，移相120°后就會(huì)出現(xiàn)半個(gè)方波，這在控制電路中難以實(shí)現(xiàn)。
一旦PWM電壓波脈沖個(gè)數(shù)確定后，變換器輸出電壓就是確定不變的，要想調(diào)節(jié)輸出電壓，只能改變變換器直流輸入電壓Ud，這樣就相當(dāng)于開關(guān)點(diǎn)預(yù)置PWM控制方式，另一種調(diào)節(jié)輸出電壓方式就是靠改變PWM電壓波形中各脈沖的占空比。以方案b為例，假設(shè)圖1所示PWM電壓波形是在占空比D=1時(shí)的波形，當(dāng)占空比D=0.5時(shí)輸出電壓波形（前1/4周期）如圖2所示。可以證明，逆變器輸出電壓的基波及18次以下各次諧波幅值與占空比D成正比[2]。通過計(jì)算機(jī)仿真后得出不同占空比時(shí)基波及各次諧波幅值如表2所示。
為了使變換器輸出電壓符合如圖1波形，就必須設(shè)計(jì)出相應(yīng)開關(guān)管的PWM控制信號(hào)，為簡(jiǎn)單起見，僅以單相PWM控制信號(hào)為例來(lái)介紹，三相PWM控制基本與單相的控制相同。圖3所示的四路PWM控制信號(hào)（其脈沖波個(gè)數(shù)為72個(gè)）是圖1（b）所示的電壓波形的控制信號(hào)，當(dāng)改變此信號(hào)的占空比時(shí)，就能達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。圖3中g(shù)1和g2，g3和g4是一對(duì)橋臂的控制信號(hào)波形。
若要實(shí)現(xiàn)三相PWM控制信號(hào)，只需以g1為基準(zhǔn)分別移相120°和240°就得到了三相變換器上橋臂開關(guān)信號(hào)，而下橋臂開關(guān)信號(hào)就取相應(yīng)上橋臂開關(guān)反相信
圖2PWM電壓調(diào)節(jié)信號(hào)波形
圖3單相PWM控制信號(hào)波形
| D | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 | 17 | 19 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 1.036 | 0.000 | 0.012 | 0.059 | －0.000 | 0.055 | 0.121 | 0.000 | －0.102 | －0.011 |
| 0.95 | 0.983 | 0.004 | 0.008 | 0.060 | －0.085 | 0.054 | 0.115 | 0.008 | －0.098 | －0.008 |
| 0.90 | 0.930 | 0.008 | 0.005 | 0.059 | －0.087 | 0.053 | 0.109 | 0.005 | －0.095 | －0.005 |
| 0.85 | 0.877 | 0.001 | 0.003 | 0.059 | －0.089 | 0.052 | 0.102 | 0.001 | －0.094 | －0.003 |
| 0.80 | 0.824 | 0.004 | 0.000 | 0.058 | －0.090 | 0.051 | 0.096 | 0.007 | －0.090 | －0.001 |
| 0.75 | 0.772 | 0.006 | －0.002 | 0.057 | －0.092 | 0.049 | 0.089 | 0.001 | －0.085 | 0.001 |
| 0.70 | 0.719 | 0.008 | －0.004 | 0.056 | －0.093 | 0.047 | 0.083 | 0.005 | －0.081 | 0.003 |
| 0.65 | 0.667 | 0.009 | －0.006 | 0.054 | －0.094 | 0.045 | 0.076 | 0.008 | －0.076 | 0.005 |
| 0.50 | 0.511 | 0.001 | －0.009 | 0.046 | －0.095 | 0.038 | 0.057 | 0.002 | －0.065 | 0.008 |
| 0.40 | 0.407 | 0.000 | －0.009 | 0.040 | －0.294 | 0.032 | 0.044 | 0.005 | －0.043 | 0.009 |
圖4 PWM控制信號(hào)生成電路
圖5調(diào)制波發(fā)生器電路圖
圖6PWM控制器保護(hù)電路
3PWM控制器的電路設(shè)計(jì)
3.1PWM控制信號(hào)的電路設(shè)計(jì)
四路PWM控制信號(hào)g1～g4采用全數(shù)字化電路方式，以可編程邏輯器件GAL為核心。這種芯片是一種結(jié)構(gòu)靈活、性能優(yōu)越、功能可靠的可編程邏輯器件，在功能和性能上幾乎可以取代整個(gè)74LS系列、54LS系列、74HC系列和CD4000系列的器件，而且一片GAL器件就能完成幾十片74LS等系列器件完成的邏輯功能，運(yùn)行速度大大提高，同時(shí)可靠性也相應(yīng)提高。此外，GAL芯片可以反復(fù)擦除改寫，且擦除時(shí)間僅用10ms即可完成，不需采用紫外線光源，比EPROM好用許多。
圖4是單相PWM控制信號(hào)生成電路，主要是由3片GAL來(lái)組成，其中IC1，IC2均為GAL16V8，IC3為GAL20V8。若PWM變換器輸出電壓頻率為400Hz，那么要產(chǎn)生圖3的四路PWM控制信號(hào)，控制器的時(shí)鐘脈沖應(yīng)為28.8kHz。由晶體振蕩器及其外圍電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)頻率為1.8432MHz，經(jīng)IC1對(duì)此信號(hào)進(jìn)行64分頻，就可得到時(shí)鐘頻率，也就是PWM信號(hào)的載波頻率，IC2的輸出單元完成時(shí)序邏輯，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行72分頻編碼，產(chǎn)生信號(hào)Q0～Q6，其中Q0～Q3為時(shí)鐘的9循環(huán)計(jì)數(shù)，Q4為時(shí)鐘的18分頻，Q5和Q6分別為時(shí)鐘的36分頻和72分頻。IC3的功能是完成組合邏輯，分別對(duì)Q0～Q6進(jìn)行與或邏輯組合，便能產(chǎn)生Z1，Z2和g1～g4信號(hào)，g1～g4信號(hào)還應(yīng)與調(diào)壓信號(hào)PW及互鎖信號(hào)T1，T2及故障信號(hào)相綜合才是最終變換成控制信號(hào)G1～G4。
3.2自動(dòng)調(diào)壓電路
自動(dòng)調(diào)壓電路的作用就是敏感變換器輸出電壓，產(chǎn)生受其控制的定頻變寬的脈寬調(diào)制信號(hào)PW，此信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)同步，只是其寬度隨變換器的輸出電壓改變而變化，當(dāng)變換器供電電壓上升而使輸出電壓也相應(yīng)升高時(shí)，調(diào)壓電路就會(huì)改變PW信號(hào)占空比，從而降低變換器輸出電壓，達(dá)到自動(dòng)調(diào)壓的目的。自動(dòng)調(diào)壓電路包括降壓變壓器整流濾波電路，PI調(diào)節(jié)電路及調(diào)制波發(fā)生器。
圖5為調(diào)制波發(fā)生器，該電路以定時(shí)器555為核心，UI為閉環(huán)采樣電壓經(jīng)PI調(diào)節(jié)器放大后的敏感電壓，它的大小控制著PW信號(hào)的寬度，由于555的2號(hào)管腳輸入信號(hào)是時(shí)鐘信號(hào)，所以產(chǎn)生的調(diào)制波信號(hào)是與時(shí)鐘信號(hào)同步的，只是占空比不同。UI<＋ 5V時(shí) ， VD1截 止 ， VD33導(dǎo) 通 ， 此 時(shí) PW信 號(hào) 占 空 比 最 大 ， 調(diào) 節(jié) 電 位 計(jì) RP8， 使 PW信 號(hào) 占 空 比 為 1， 隨 著 變 換 器 輸 出 電 壓 上 升 ， UI也 逐 漸 上 升 ， 當(dāng) UI>5V時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD33截止，此時(shí)PW信號(hào)占空比逐漸減小，當(dāng)變換器輸出電壓穩(wěn)定在某一值時(shí)，PW信號(hào)占空比也就固定在0.7左右。若由于輸入電壓發(fā)生變化或者負(fù)載的變
化使變換器輸出電壓發(fā)生變化，偏離額定電壓，此時(shí)PW信號(hào)占空比也相應(yīng)發(fā)生變化，最終使變換器輸出電壓穩(wěn)定在額定值范圍內(nèi)，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓的目的。此PW信號(hào)送入IG3的9號(hào)管腳，通過G3將PW信號(hào)與g1～g4相與后，就可得到受變換器輸出電壓控制的脈寬可調(diào)的PWM信號(hào)。由此可以看出，只要增加調(diào)制波發(fā)生器等調(diào)壓電路就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)點(diǎn)預(yù)置且脈寬可調(diào)的PWM控制，電路簡(jiǎn)單、可靠。
3.3保護(hù)電路
新型PWM控制器保護(hù)電路有兩種功能，一種是電流限制，另一種是故障保護(hù)。前一種是檢測(cè)出開關(guān)管電流超過其限定范圍，自動(dòng)封鎖PWM控制信號(hào)，當(dāng)電流下降至允許值后，又自動(dòng)解除封鎖。后一種保護(hù)電路是當(dāng)開關(guān)管發(fā)生過電流、超溫、過電壓等故障時(shí)，能立刻切除PWM控制信號(hào)，檢查電路，當(dāng)故障排除后按復(fù)位鍵，電路方能恢復(fù)正常工作狀態(tài)。電路分別如圖6(a)，(b)所示。這些電路圖是某型飛機(jī)地面專用電源中PWM控制保護(hù)電路。由于此變換器采用的開關(guān)管是智能型IGBT，故利用此器件的故障輸出信號(hào)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，如圖6(b)所示，四路故障信號(hào)線分別接入四路光耦，由于IGBT內(nèi)部帶有限流電阻，故光耦前不用加限流電阻。當(dāng)有1支IGBT因過壓，過流或超溫等而發(fā)出故障信號(hào)時(shí)，74LS74的Q端為低電平信號(hào)，給IC3發(fā)出故障信號(hào)，從而封鎖PWM信號(hào)，同時(shí)發(fā)光二極管VD亮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)故障排除后，按復(fù)位開關(guān)S2，電路恢復(fù)正常狀態(tài)，封鎖解除。圖中電容C是吸收干擾信號(hào)，防止74LS74誤觸發(fā)。
電流限制電路工作過程如下：當(dāng)流過IGBT的電流IA高于限定值時(shí)（或－IA低于負(fù)限定值），LM358輸出信號(hào)1由高電位跳變至低電位，此信號(hào)送入IC3的“1”號(hào)引腳，通過IC3與g1～g4相與，從而封鎖PWM控制信號(hào)，流經(jīng)IGBT的電流便逐漸下降，當(dāng)下降至限定值以下時(shí)，LM358又由低電位跳變?yōu)楦唠娢唬獬齈WM信號(hào)封鎖，電路進(jìn)入正常狀態(tài)。
此外，此PWM控制器還具有軟起動(dòng)功能和互鎖功能。用在某飛機(jī)地面電源中，效果良好，沒有出現(xiàn)過故障。
4結(jié)語(yǔ)
以可編程邏輯器件GAL和調(diào)制波發(fā)生器構(gòu)成的PWM控制器，使用的器件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。實(shí)踐證明，采用“開關(guān)點(diǎn)預(yù)置可調(diào)脈寬技術(shù)”在大功率地面電源中應(yīng)用非常成功。此外，這種技術(shù)還可推廣應(yīng)用于內(nèi)、外場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室獨(dú)立電源等方面，為軍、民用飛機(jī)或其他工業(yè)領(lǐng)域提供性能與可靠性均高的靜止變換式地面電源。
參考文獻(xiàn)
1孫涵芳.可編輯邏輯器件PAL和GAL.北京：北京航空航天大學(xué)出版社
2吳斌.新型PWM波形發(fā)生器.電氣傳動(dòng)，1995；(6)
3林渭勛.電力電子技術(shù).杭州：浙江大學(xué)出版社
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論