一種數(shù)字式飛機高壓直流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計

盧建華，郝凱敏，趙學(xué)遠(yuǎn)，孫 躍，張 波

（1.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，煙臺264001；2.南京傅里葉電子技術(shù)有限公司，南京211100；3.海軍91918部隊，北京102300）

電能具有易于產(chǎn)生、傳輸、易于實現(xiàn)智能化分配的特點，為提高飛機整體性能，降低飛機壽命周期費用，人們提出多電飛機的概念，也就是利用電能部分取代液壓能、氣壓能[1]。 目前世界上服役的先進(jìn)飛機如F-35、空客A380、波音B787 等都是多電飛機，其大都采用高壓直流電源系統(tǒng)給全機的機載設(shè)備供電[2]。 圖1 所示為多電飛機高壓直流發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 從圖1 可以看到，電壓調(diào)節(jié)器控制著高壓直流無刷發(fā)電機的激磁電流，直接關(guān)系著直流發(fā)電機的發(fā)電品質(zhì)，影響著整個飛機的電氣系統(tǒng)。

圖1 高壓直流發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a high-voltage DC power generation system

在傳統(tǒng)飛機上， 電壓調(diào)節(jié)器常采用炭片式、晶體管式或者放大器式的電壓調(diào)節(jié)器，其存在著體積重量大、調(diào)壓誤差大、反應(yīng)慢等缺點，并且傳統(tǒng)調(diào)壓器的控制器多采用模擬電路實現(xiàn)，在某型飛機電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計[3]以及實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)，基于模擬電路的調(diào)壓器的調(diào)試過程費時費力。 而且在傳統(tǒng)飛機上當(dāng)飛機出現(xiàn)空中停車需要重新啟動發(fā)電機時，需要飛行人員手動按壓復(fù)位按鈕，才能使得發(fā)電機保護(hù)電路和負(fù)載接入系統(tǒng)，這在一定程度上增加了飛機空中啟動的風(fēng)險。 隨著微處理器及計算機技術(shù)的發(fā)展，集成化、智能化、數(shù)字化的電壓調(diào)節(jié)器成為飛機電壓調(diào)節(jié)器的必然選擇[4]。

1 數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器總體方案設(shè)計

基于DSP 的數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器總體方案框圖如圖2 所示，其由CPU 控制單元、信號采集電路、電平放大電路組成。

圖2 數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the overall structure of the digital voltage regulator

數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器的原理為當(dāng)飛機發(fā)電機輸出電壓Uo高于（低于）額定值時，芯片TMS320F2812（以下簡稱F2812）采集發(fā)電機輸出電壓信號，經(jīng)過F2812 的內(nèi)部PID 算法，輸出占空比σ 低于（高于）50%的PWM 波， 然后經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路將其電壓放大驅(qū)動勵磁電路的開關(guān)管，由于激磁電流If與PWM 波的占空比σ 成正比， 因此可以在激磁繞組中產(chǎn)生低于（高于）額定電流的激磁電流If，從而使得發(fā)電機的輸出電壓升高（降低），最終使發(fā)電機輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。

值得指出的是，為了保護(hù)飛機發(fā)電機，防止激磁電流過大引起發(fā)電系統(tǒng)癱瘓[5]，設(shè)計激磁電流的信號采集電路，對激磁電流進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)激磁電流超出極限值時， 電壓調(diào)節(jié)器輸出低電平信號，不再驅(qū)動勵磁。 與此同時， 通過F2812 內(nèi)部的SCI串行通信模塊輸出故障信號給上位機，方便地勤人員維護(hù)。 為了實現(xiàn)發(fā)電機在啟動后負(fù)載和保護(hù)電路能夠自動接入， 設(shè)計發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號的采集電路，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時，啟動保護(hù)程序并通過程序控制使得負(fù)載自動接入電網(wǎng)。

2 硬件設(shè)計

數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器硬件核心采用TI 公司推出的32 位定點DSP 芯片TMS320F2812，F(xiàn)2812 芯片內(nèi)部集成了事件管理器EV 模塊，12 位的ADC 采樣模塊，串行通信模塊SCI 等模塊[6]。 為了實現(xiàn)發(fā)電機的調(diào)壓和保護(hù)功能，需要設(shè)計CPU 最小系統(tǒng)、電壓信號采集電路、電平轉(zhuǎn)換電路及電源電路。

2.1 CPU 單元

CPU 是實現(xiàn)數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計功能的核心。 根據(jù)所設(shè)計的總體方案，CPU 單元應(yīng)該具有采樣通道、PWM 波輸出通道以及通信通道。 圖3 所示為F2812 最小系統(tǒng)。 最小系統(tǒng)主要由F2812 芯片、30 MHz 晶振和電容、電感器件組成。其中ADCINA0為發(fā)電機輸出電壓Uo的采樣通道，ADCINA1 為發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號Un的采樣通道，ADCINA7 為激磁電流If的采樣通道，T1PWM 為PWM 波輸出通道，SCTXDB 為SCI 串行通信通道。

圖3 F2812 最小系統(tǒng)Fig.3 F2812 minimum system

2.2 信號采集電路

為了滿足F2812 對于輸入信號的采樣要求，必須對輸入到F2812 的電壓信號進(jìn)行處理。 同時為了設(shè)備安全，需要將強電與弱電隔離，因此采用具有良好穩(wěn)定性和線性度的HCNR201 光電耦合器完成隔離設(shè)計[7]。 所設(shè)計的電壓信號采集電路如圖4所示。

圖4 電壓信號采集電路Fig.4 Voltage signal acquisition circuit

增大電壓采樣增益有利于提高采樣精度，降低調(diào)壓器穩(wěn)態(tài)誤差，因此在設(shè)計發(fā)電機輸出電壓的采樣電路時采用多級處理。 圖4 中電壓信號采集電路由分壓電路、電壓跟隨電路、減法電路、光耦隔離電路以及限幅電路組成。 在電壓信號采集電路中，有：

根據(jù)光耦器件HCNR201 傳輸特性，有：

式中：傳輸增益K 為1±5%。

聯(lián)列式（1）～式（4），并將電阻參數(shù)帶入公式，得到：

由式（5）可以看出，采樣電壓與發(fā)電機輸出電壓成線性關(guān)系。

由于F2812 對于輸入電壓有著嚴(yán)格的要求，一旦輸入電壓大于3.3 V，便會燒壞芯片，因此，為了防止采樣電壓過大燒毀芯片，在采樣輸入端加入限幅電路。當(dāng)D 點電壓略大于3.3 V 時，二極管D1導(dǎo)通，當(dāng)D 點電壓略低于0 V 時，二極管D2導(dǎo)通。這樣就使得輸入到F2812 采樣通道電壓始終保持在其允許的范圍內(nèi)。

所設(shè)計的激磁電流信號采集電路、轉(zhuǎn)速信號采集電路與發(fā)電機輸出電壓信號采集電路類似，由電壓跟隨電路、光耦隔離電路以及限幅電路組成。 不難得出，通過電壓型電流傳感器輸入到F2812 的激磁電流的電壓信號Uf與If成正比，轉(zhuǎn)速電壓信號Un與轉(zhuǎn)速n 成正比。

2.3 電平轉(zhuǎn)換電路

F2812 輸出PWM 波形的高電平為3.3 V， 而勵磁電路開關(guān)管卻需要5 V 以上的電壓驅(qū)動。 因此需要將F2812 輸出的PWM 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 電平轉(zhuǎn)換模塊采用74HC245，該芯片具有功耗小、工作溫度范圍大的特點， 其輸出頻率更是能夠高達(dá)80 MHz，完全能夠滿足本設(shè)計需求。 設(shè)計的功率放大電路如圖5 所示。F2812 的102 引腳T1PWM 輸出3.3 V 占空比可變的PWM 波，經(jīng)過74HC245 芯片電平轉(zhuǎn)換，從B0 引腳輸出高電平為5 V，占空比與T1PWM 引腳輸出相等的PWM 波，從而驅(qū)動后級激磁電路。 其中第1 引腳（DIR）為方向控制引腳，當(dāng)輸入高電平時，表示A 組引腳為輸入，B 組引腳為輸出。

圖5 PWM 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.5 PWM voltage transformer circuit

2.4 電源電路

電壓調(diào)節(jié)器的電源電路由兩部分組成。 第一部分為CPU 供電電路，第二部分為外圍電路的5 V 供電電路。

F2812 的內(nèi)核電壓要求1.8 V，F(xiàn)lash 要求3.3 V電壓，而且F2812 對于電源電壓很敏感，因此選擇電壓精度較高的TPS767D318 電壓轉(zhuǎn)換芯片。 由于在設(shè)計中芯片供電統(tǒng)一采用5 V 供電，而在多電飛機上， 與5 V 電壓值最為接近的電源為28 V 直流電，為了得到直流5 V，采用LM7805 模塊實現(xiàn)變壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用TI 公司發(fā)布的CCS7.2 軟件編程，為了使得系統(tǒng)有良好的動靜態(tài)特性，控制規(guī)律采用工業(yè)上常采用的PID 算法。

3.1 控制規(guī)律參數(shù)的確定

為了滿足穩(wěn)定時間不大于0.3 s，穩(wěn)態(tài)誤差不超過2 V 的指標(biāo)要求， 針對某型飛機的高壓直流發(fā)電系統(tǒng)[8]進(jìn)行仿真。

在MATLAB 中采用試湊法調(diào)整PID 參數(shù)，并對其仿真， 最終得到當(dāng)Kp=10.3，Ki=0.17，Kd=0.11 時，系統(tǒng)輸出階躍響應(yīng)曲線達(dá)到最優(yōu)。 其響應(yīng)曲線如圖6 所示。

圖6 發(fā)電系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig.6 Step response curve of power generation system

由圖6 可以看出，在最優(yōu)響應(yīng)曲線下，系統(tǒng)峰值電壓為270 V，穩(wěn)定時間為0.08 s，符合設(shè)計預(yù)期。

3.2 程序設(shè)計

電壓調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)調(diào)壓以及保護(hù)的邏輯判斷都是通過軟件控制F2812 的寄存器來實現(xiàn)的。 根據(jù)設(shè)計的總體方案，設(shè)計程序流程如圖7 所示。

軟件設(shè)計的為了使得系統(tǒng)在發(fā)電機完成啟動之后能夠產(chǎn)生占空比σ 與發(fā)電機輸出電壓誤差值ΔUo成負(fù)相關(guān)的PWM 波。 并實時監(jiān)控發(fā)電機激磁電流狀態(tài)， 當(dāng)ADCINA7 收到超出設(shè)定范圍的信號時，DSP 向上位機發(fā)出故障信號， 并封鎖輸出PWM波。 當(dāng)DSP 內(nèi)部程序根據(jù)ADCINA7 接口信號判定發(fā)動機處于啟動階段時，斷開保護(hù)程序，保證發(fā)電機正常啟動。

通常激磁電路的開關(guān)管頻率為2 kHz。 在采樣數(shù)據(jù)的處理過程中， 充分利用DSP 高速運算的特點，在每個周期內(nèi)采集10 次數(shù)據(jù)，并去除最大值以及最小值求取平均值[9]，最后利用PID 算法求得占空比。

4 實驗與驗證

由于硬件實驗平臺受限，只對數(shù)字式調(diào)壓器的采樣及PWM 輸出部分進(jìn)行實物實驗驗證， 示波器波形如圖8 所示。 對調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證。 將數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器和文獻(xiàn)[3]中的脈沖調(diào)頻式電壓調(diào)節(jié)器激磁電流響應(yīng)作對比， 其響應(yīng)曲線如圖9 所示。 可以看出數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器響應(yīng)速度更快，激磁電流值更為安全可靠。

5 結(jié)語

圖8 示波器波形Fig.8 Oscilloscope waveforms

本文所設(shè)計的數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器具有以下特點：①集成了飛機發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)和保護(hù)電路，并能在發(fā)電機正常建壓之后自動接入負(fù)載電路和保護(hù)電路，這樣有利于在空中停車特情發(fā)生后快速重啟發(fā)電機，降低空中停車重啟風(fēng)險；②電壓調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng)得到優(yōu)化，響應(yīng)速度更快，激磁電流得到限制，有利于發(fā)電機的安全穩(wěn)定；③數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器的具有開發(fā)周期短，集成度高，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

圖9 DSP 實驗波形及MATLAB 仿真波形Fig.9 DSP experiment and MATLAB simulation experiment