地面静变电源、航空交流静变电源、军用地面电源、115V400HZ中频电源、中频静变电源、400HZ电源

第32卷第1期吉首大学学报(自然科学版)Vol.32No .12011年1月Journ al of Ji shou Universit y (Nat ural Science Edit ion)J an.2011文章编号:1007-2985(2011)01-0071-03基于DSP 与CPLD 的400Hz 中频电源设计*裴素萍,王耕(中原工学院电子信息学院,河南郑州450007)摘要:利用DSP 产生SP WM 波,驱动IGBT 逆变,从而产生纯正弦交流电进行400H z 中频电源的研究与设计.给出了以DSP 为主控芯片的主电路、控制电路以及软件设计的流程.实验结果表明:利用DSP 与CPLD 使得控制电路大为简化,改善了功率因数,减少了谐波影响,从而提高了工作效率.关键词:DSP ;SPWM;逆变;CPLD中图分类号:T N86;TN702文献标志码:A三相400H z/115V 交流电源广泛应用于航天、航空及军用设备的动力系统中.逆变电源车是频率为400Hz 的交流中频电源,它在工业、国防、航海、航空等领域中应用非常广泛.它要求电源的波形是纯正弦,谐波含量不大于5%,工作电压为115V.该电源的频率、相位等参数的精度要求较高,对研制、生产的军用电源的参数需准确测试,使其满足军用标准,提高我国国防装备的科技水平,满足现代化高科技的发展需要.目前,该电源有2种产生方式:利用专用400Hz 发电机组产生;由工频电源经交直交变换,由电子电路控制大功率开关器件,经滤波变压后产生.对于发电机组来讲,由于发电机绕组的不对称性及转速不稳定性,都会使输出的频率及相位有误差.而对于电子方式产生的电源,受大功率器件特性及控制策略的影响,也会产生相移或频率不合要求.另外,电源在带载或三相作为单相运行时,也会引起相位或频率的变化.为了满足输出纯正弦波的要求,采用SPWM 脉宽调制技,该技术是通过一定的规律控制功率半导体器件的通断,获得一组等幅不等宽的矩形脉冲,用作近似正弦波.利用传统的模拟方法,电路复杂,有温飘的现象,限制了系统的性能.数字法则需要按照不同的数学模型用计算机计算出各切换点的时间,即所谓的规则采样,将采集的所有切换点放入内存,然后通过查表及必要的计算再生成SPWM 波,但数字法因受内存影响较大,不能保证系统的精度.[1-3]2种方法都不理想,因此笔者选用DSP 控制,逆变器输出三相正弦交流电,构成了静止式逆变电源.这种方法设计的中频电源具有噪音低、转换效率高、工作可靠、使用方便等优点.1系统结构组成图1系统结构图DSP 控制器选用TI 公司的16位定点TMS320F 2407A,它是一种性价比较高的DSP,集成6路PWM 输出,每个输出都有可编程的死区功能.与单片机相比,单片机的P WM 模块没有死区功能,必须用软件或外接硬件来实现,所以使用DSP 可以提高系统的可靠性.利用DSP 的A/D 可以实现对检测电流、电压的A/D 转换,再通过CPLD 译码送LED,从而显示电压、电流、频率的当前值.在DSP 的指令控制下,产生了SP WM 波,构成控制系统.DSP 不仅可以完成对输出的SPWM 波的脉宽、频率进行控制,还可以完成模拟信号的电压、电流以及交流电频率的检测和显示,当出现过电流、欠电压的异常现象时,能够自动保护、报警.电源车系统结构原理图如图1所示.TMS320F 2407A 还集成了16路A/D 转换通道,最快A/D 转换时间为375ns,可用于对电压和电流进行快速检测.这种DSP 还提供串行接口SPI 和SCI 模块、41个通用I/O 引脚、可编程看门狗定时器、片内集成了2kB 单口RAM 、544字双*收稿日期6作者简介裴素萍(6),女,河南新乡人,中原工学院电子信息学院讲师,硕士,主要从事电气控制与智能电网研究;王耕(6),男,河南郑州人,中原工学院电子信息学院副教授,主要从事电机电器设计与控制研究:2010-10-2:197-197-.口RAM 、32kB flash 程序存储器.TM S320F2407A 的最高工作速度可达40MIPS,高速的运算速度有助于实现先进的控制算法.三相脉宽调制波发生器构成的控制电路,产生SP WM 脉冲,经功率放大后驱动IGBT 功率模块组成的逆变器,生成频率为400H z 的正弦交流电,经变压器输出电压为115V.[4]2系统主电路图2主电路图中频电源车主电路的工作原理如图2所示.三相工频交流经EM I 滤波器滤波后,由整流桥模块整流,再经电容滤波,加至由IGBT 构成的桥式逆变电路,该直流高压经逆变电路逆变为脉宽按正弦波规律变化的高频脉冲波,再由输出滤波器滤掉高频谐波,得到中频正弦波,最后由变压器隔离、变压(升压或降压)后提供给负载.SPWM 脉冲波由主控制电路产生,并根据输出反馈电压和反馈电流来改变脉冲波的宽度,从而保证输出电压的稳定.三相逆变电路是将直流电逆变为400H z 的三相正弦交流电,主开关功率元件选用日本富士公司生产的两单元IGBT 模块(3只),额定容量为75A,每只元件上都另配缓冲保护电路.如图2所示,主电路是典型的AC-DC-AC 逆变电路,将输入的三相交流电经整流、滤波后以直流电供给逆变器.逆变器输出为三相交流电,频率为400H z,再经变压器隔离变压,就变为115V 的交流电.3系统控制电路图3控制电路图系统控制框图如图3所示.控制电路控制逆变电路和电源输出的频率及电压、人机界面、主电路和逆变电路的接通与断开.采用DSP 为系统的控制核心,控制快速准确,使系统具有响应快、运行稳定、可靠的特点.本系统控制器选用TI 公司16位定点T MS320F2407A,其产生载频为20kHz 的SPWM 脉冲信号,由脉宽调制信号输出端口输出,通过驱动电路加到IGBT 的栅极,控制逆变电路正常工作,同时根据电压和电流的反馈值调整SPWM 脉冲信号的脉宽,从而保持输出信号幅度的稳定.4系统软件图系统软件设计流程图系统软件设计流程图如图4所示,包括DSP 初始化、脉宽计算、报警、数值转换子程序、显示扫描程序等.其中按键1表示显示功能,按键2表示停机功能,按键3表示初始化功能.通过初始化命令可以对各参数值进行设定,并实施对主电路的控制,逆变出400H z 的三相交流电.程序流程采用顺序结构,调用子程序简单方便,显示子程序可将电压、电流、频率的数值送LED 分别显示出来.在整个工作过程中,随时对电流、电压进行测量比较,一旦出现过流、欠压可及时报警、严重时可以自动停机.SPWM 波产生的方法主要有3种:自然采样法,对称规则采样法和不对称规则采样法.利用正弦波和等腰三角波的交点时刻来决定开关管的开关模式,从而生成SPWM 波的方法是自然采样法,这种方法生成的SPWM 波的脉宽方程是一个超越方程,求解起来要花费较多的时间,因此自然采样法的数学模型不适合用于实时控制.对称规则采样法是以每个三角波的对称轴(顶点对称轴或底点对称轴)所对应的时间作为采样时刻过三角波的对称轴与正弦波的交点,作72吉首大学学报(自然科学版)第32卷4.平行t 轴的平行线,该平行线与三角波的2个腰的交点作为SP WM 波的开关时刻,这2个交点是对称的,因此称为对称规则采样法.这种方法实际上是用一个阶梯波去逼近正弦波,由于在每个三角波周期中只采样1次,因此计算得以简化,但其形成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍存在较大的误差.不对称规则采样法在前2种方法的基础上改进了其不足之处,这种方法既在三角波的顶点对称轴位置采样,又在三角波的底点对称轴位置采样,即每个载波周期采样2次,这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点不对称,所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度大大提高.正是因为这点,本系统软件设计算法选择的是不对称规则采样法.用单片机作为控制器,软件设计则使用数字法受内存影响较大,不能保证系统的精度,笔者使用DSP 作为控制器可以避免这种缺点,保证系统的精度.5结语系统实验波形如图5所示.图5系统实验波形实践表明,利用DSP 与CPLD 使得控制电路大为简化,器件少、体积小,降低了成本.载波频率高,输出波形为纯正弦.经测试:电压稳定度小于1%,频率稳定度为0.05%,总谐波含量为1%,在200%的负载时,短路保护动作,可立即关闭电源,满足性能指标的要求,提高了系统的控制精度.采用厚膜驱动电路,具有自保护功能,使IGBT 逆变器的工作更加可靠.如果将逆变器作为变频电源使用,用于交流电动机的变频调速系统,只需改变DSP 初始化控制字的设定.改变输出交流电的频率和工作电压是十分方便的,省去了大量的编程工作,还能够做到实时控制,由于其波形是纯正弦,则可以改善功率因数,减少谐波的影响,从而提高工作效率.参考文献:[1]王福瑞.单片微机测控制系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.[2]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南[M ].北京:机械工业出版社,2003.[3]王晓明.电动机的DSP 控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.[4]冯玉生.单片机控制三相PWM 产生器的逆变电源设计[J].电力电子技术,2005,39(4):21-23.Design of 400Hz Mid Frequency Power SupplyBased on DS P and CPLDPEI Su ping,WANG Geng(Zhongyuan Univer sity of Technology,Zhengzhou 450007,China)Abstr act:The paper proposes a new way to obtain pure sinusoidal based on DSP for the research and de sign of 400H z AC power supply.It gives the main circuit,control circuit and software design flow chart.A prototype is designed using the DSP as the master chip.The experimental result shows that this way not only can simplify the system str ucture by DSP and CPLD,but also can improve the power factor,re duce harmonics and enhance efficiency.Key words:DSP;SPWM;invert;CPLD(责任编辑陈炳权)73第1期裴素萍,等:基于DSP 与CPLD 的400H z 中频电源设计。

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第一章概述第一节飞机电源系统的发展概况飞机电源系统的作用:———-产生和传输电能以提供机上各系统的各种用电设备用电（如飞行控制，飞行管理,雷达，通信导航，防冰加温，生活服务和照明等).分类：1、机载电源主要以直流为主的早期的中小型活塞式发动机飞机，如安—2、运-5、立—2、伊尔-12和C-46飞机等，其28伏的低压直流电源由(活塞式）发动机经过减速器直接驱动直流发电机，28V低压直流电源系统，又配备有交流电源系统安—12、安-24、运—七、肖特-360和SAAB—340\ERJ-145等机型另外，应急电源由蓄电瓶提供，少量负载用的交流电源则由旋转变流机（直流直流电动机交流发电机交流)提供。

2、以交流电作为主电源，直流电源从交流电网中经变压整流,稳压而获得涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机飞机的电源系统。

在这些飞机上，交流电源系统采用了无刷交流发电机；每台交流发电机由相应的发动机通过恒速传动装置（CSD)来驱动，飞机上，恒速传动装置与交流发电机合为一体,成为所谓的整体传动发电机(IDG)。

飞机上采用的晶体管调压，从而既降低了飞机设备的重量，又提高了系统的工作可靠性。

控制电路在保留了某些继电器、接触器的基础上,增加了晶体管元件，集成电路和电子计算机，使系统自动化程度大大提高。

数字、文字信息显示代替了过去的某些指示仪表；EICAS / ECAM一些主要部件都具有自检测功能.波音777飞机的交流发电机最大120KVA；在757飞机上,应急系统还增设了RAT(冲压空气涡轮）驱动的交流发电机,其容量为7.5KVA，（HMG：A—340--—2.5KVA）它与原有的电瓶、静变流机系统一同向飞机重要交、直流负载提供应急电源，大大提高了系统的工作可靠性。

民用机场专用设备使用管理规定正文：---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 中国民用航空总局令（第150号）《民用机场专用设备使用管理规定》（CCAR-137CA-R2）已经2005年7月18日中国民用航空总局局务会议通过，现予公布，自2005年9月14日起施行。

局长杨元元二00五年八月十四日民用机场专用设备使用管理规定第一章总则第一条为了加强民用机场专用设备使用管理，确保民用机场专用设备的安全适用性，保障飞行安全和民用机场正常运行，根据《中华人民共和国民用航空法》和《国务院对确需保留的行政审批项目设定行政许可的决定》，制定本规定。

第二条本规定适用于民用机场专用设备（以下简称专用设备）的使用许可和持续监督检查管理。

本规定所称“专用设备”，是指为保障航空器飞行和地面运行安全，在民用机场内用于航空器地面保障、航空运输服务等作业的各种专用设备（其范围见本规定附录《民用机场专用设备目录》）。

第三条专用设备实行使用许可证管理制度。

本规定所称使用许可证，是指经中国民用航空总局（以下简称民航总局）审定并颁发的准许特定产品在民用机场内使用的许可文件。

专用设备使用许可证有效期为八年。

第四条未取得使用许可证的专用设备不得用于航空器地面保障、航空运输服务等作业活动。

第五条民航总局负责专用设备的使用许可和持续监督管理。

民航地区管理局负责对辖区内在用的专用设备实施监督管理。

第六条专用设备制造商、专用设备使用人均应当遵循诚实信用原则，在专用设备使用许可证的申请环节或对专用设备使用中发现的安全隐患不得隐瞒信息或者提供虚假信息。

第二章专用设备的使用许可管理第一节使用许可证的申请与办理第七条专用设备使用许可证的申请人为专用设备制造商。

第一章概述第一节飞机电源系统的发展概况飞机电源系统的作用:—-——产生和传输电能以提供机上各系统的各种用电设备用电（如飞行控制，飞行管理，雷达，通信导航，防冰加温,生活服务和照明等）.分类:1、机载电源主要以直流为主的早期的中小型活塞式发动机飞机，如安-2、运-5、立-2、伊尔-12和C—46飞机等，其28伏的低压直流电源由（活塞式）发动机经过减速器直接驱动直流发电机，28V低压直流电源系统，又配备有交流电源系统安—12、安-24、运—七、肖特—360和SAAB-340\ERJ—145等机型另外,应急电源由蓄电瓶提供，少量负载用的交流电源则由旋转变流机（直流直流电动机交流发电机交流）提供.2、以交流电作为主电源，直流电源从交流电网中经变压整流，稳压而获得涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机飞机的电源系统.在这些飞机上，交流电源系统采用了无刷交流发电机；每台交流发电机由相应的发动机通过恒速传动装置（CSD）来驱动，飞机上，恒速传动装置与交流发电机合为一体,成为所谓的整体传动发电机(IDG）。

飞机上采用的晶体管调压，从而既降低了飞机设备的重量，又提高了系统的工作可靠性。

控制电路在保留了某些继电器、接触器的基础上，增加了晶体管元件，集成电路和电子计算机，使系统自动化程度大大提高.数字、文字信息显示代替了过去的某些指示仪表；EICAS / ECAM一些主要部件都具有自检测功能.波音777飞机的交流发电机最大120KVA；在757飞机上，应急系统还增设了RAT（冲压空气涡轮)驱动的交流发电机,其容量为7。

5KVA，(HMG：A-340———2。

5KVA）它与原有的电瓶、静变流机系统一同向飞机重要交、直流负载提供应急电源,大大提高了系统的工作可靠性。

现代飞机电源系统组成:1、主电源：主电源系统是飞机上全部电器负载的能源；2、二次电源:二次电源是用来变换主电源的电压、电流和频率的电源设备，如变压整流器、变流机等；3、应急电源：应急电源作为一个独立的电源系统,当主电源失效时，由应急电源向机上重要用电设备供电；4、辅助电源:辅助电源系统只存在于大型飞机和某些中型飞机上，功用是在航空发动机不运转时，由辅助动力装置(APU）驱动发电机而发电，常用于地面检查，在空中也可用于给机上用电设备供电。

第３２卷第１期２０２１年２月中原工学院学报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＺＨＯＮＧＹＵＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３２　Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２０２１　收稿日期：２０２０－０９－１２　基金项目：河南省科技攻关项目（１９２１０２２１０２３３）　引文格式：王晓雷，曲鸿志，郭飞亚，等．基于Ｔ型三电平的中频航空地面电源研究与实现［Ｊ］．中原工学院学报，２０２１，３２（１）：８－１３，４０．ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏｌｅｉ，ＱＵ　Ｈｏｎｇｚｈｉ，ＧＵＯ　Ｆｅｉｙａ，ｅｔ　ａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｇｒｏｕｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｕｎｉｔ　ｆｏｒ　ａｉｒｐｌａｎｅｓｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔ－ｔｙｐｅ　ｔｈｒｅｅ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，３２（１）：８－１３，４０（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）． 文章编号：１６７１－６９０６（２０２１）０１－０００８－０６基于Ｔ型三电平的中频航空地面电源研究与实现王晓雷，曲鸿志，郭飞亚，李志恒，石金飞，程学会，吕豫阳（中原工学院电子信息学院，河南郑州４５０００７）摘　要：　针对中频航空地面电源常出现的三相不平衡负载问题，提出了将三相Ｔ型三电平拓扑与分裂电容式拓扑相结合并应用于中频航空地面电源的设计方案。

详细介绍了与Ｔ型三电平拓扑相应的逆变器数学模型和控制策略（各相均采用坐标变换与二阶广义积分器来提取反馈信号，进行独立控制）。

以ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）和ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）为控制核心设计了一台８ｋＷ实验样机。

实验结果表明，所设计航空地面电源的三相输出电压对称，带不平衡负载能力强。

实验验证了设计方案的有效性和可靠性。