基于DSP的航空發(fā)電機(jī)檢測電路的設(shè)計(jì)

郭鳳琴，劉玉儒

（1.海軍裝備部航空技術(shù)保障部，北京 100071；2.煙臺大學(xué)，山東 煙臺 264005）

現(xiàn)代飛機(jī)的電子設(shè)備越來越多，這對機(jī)載電源系統(tǒng)的容量、供電質(zhì)量以及可靠性提出了很高的要求[1-2]。傳統(tǒng)上，飛機(jī)電源系統(tǒng)上使用的發(fā)電機(jī)控制器均是由模擬電路構(gòu)成的，這種發(fā)電機(jī)控制器具有模擬反饋信號線性差、無法與中央控制系統(tǒng)或電源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換、參數(shù)調(diào)整不方便，不易于進(jìn)行故障診斷等缺點(diǎn)[3]。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)和數(shù)字控制處理芯片的運(yùn)算能力得到很大的提高，全數(shù)字化控制系統(tǒng)將不斷取代傳統(tǒng)的模擬器控制系統(tǒng)是發(fā)展趨勢，考慮到交流發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)是強(qiáng)非線性、復(fù)雜的系統(tǒng)，因此本文將針對機(jī)載同步發(fā)電機(jī)的控制器，設(shè)計(jì)采用DSP 處理器的數(shù)字化控制檢測電路，具有通用性好、抗干擾能力強(qiáng)和便于實(shí)時控制等優(yōu)點(diǎn)。

1 發(fā)電機(jī)控制器的檢測電路設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)主要由電壓調(diào)節(jié)器和控制保護(hù)系統(tǒng)組成。調(diào)壓器是發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，調(diào)壓器應(yīng)能自動調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電壓，維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平上?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)主要是檢測發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻、欠頻及差動電流過大等故障時，能將故障信號送入到DSP的功率驅(qū)動保護(hù)中斷輸入引腳，將PWM 輸出引腳置為高阻態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)。

總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于DSP的發(fā)電機(jī)控制器硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

以TMS320LF2407A 芯片為本文中的DSP 發(fā)電機(jī)控制器運(yùn)算控制核心，利用芯片事件管理器中的捕獲單元CAP1 捕獲到同步信號的上升沿，作為采樣的起點(diǎn)；對發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓進(jìn)行高速交流采樣，對勵磁電流進(jìn)行直流采樣，采樣完成后，由快速傅里葉算法或均方根算法，計(jì)算出機(jī)端電壓。采樣得到的電量送往控制調(diào)節(jié)模塊用于計(jì)算PWM 波的占空比。

1.1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模擬量采集電路的任務(wù)是將檢測到的電壓和電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬電信號，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）變換成數(shù)字量，以便DSP 能夠進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和判斷并作出相應(yīng)的控制。模擬量采集電路主要由信號檢測電路、多路開關(guān)、采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器組成，原理圖見圖2。

采用TMS320LF2407A 芯片內(nèi)置的采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器，無須外置的相應(yīng)電路。

TMS320LF2407A的ADC模塊的原理框圖如圖3所示[4]。

TMS320LF2407A 芯片的ADC模塊包括：帶有內(nèi)部采樣保持電路的10 位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器有16個模擬輸入引腳和可單獨(dú)訪問的16個結(jié)果寄存器。當(dāng)ADC 收到啟動轉(zhuǎn)換的請求，可以自動進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)字結(jié)果將存儲到對應(yīng)的結(jié)果寄存器中[4]。

圖2 模擬量采集電路原理圖

圖3 ADC模塊的原理框圖

1.2 交流信號檢測調(diào)理

信號檢測電路是對同步發(fā)電機(jī)控制器所需的物理量進(jìn)行檢測，再把高電壓大電流信號變成低電壓信號的過程。調(diào)理電路是把外部檢測到的物理量在送到DSP 之前，調(diào)理到DSP 允許的電壓范圍之內(nèi)[5]。

采用檢測精度高，反應(yīng)靈敏的霍爾傳感器與由運(yùn)算放大器組成的電平抬升電路作為DSP 發(fā)電機(jī)控制器模擬量采集電路的電壓信號檢測調(diào)理電路，其原理圖如圖4所示。

電壓檢測電路采用LEM 公司LV系列的電壓檢測用霍爾傳感器LV28-P 器件，主要用于測量直流、交流和脈沖電壓，如圖4a）所示。LV28-P 霍爾電壓傳感器適用于測量電壓范圍為10～500 V，原邊額定有效值電流為10 mA，原邊電流測量范圍為?14～+14 mA，為使傳感器達(dá)到最佳精度，應(yīng)通過選擇R001 使原邊額定有效值電流輸入為10 mA。傳感器的輸出為電流，經(jīng)過一精密電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號后再連接一個電壓跟隨器以提高輸入阻抗。

A/D 調(diào)理電路采用精密線性光耦器件HCNR200 進(jìn)行內(nèi)外部電源的隔離，如圖4b）所示。HCNR200 隔離電壓峰值高達(dá)8 000 V，輸出跟隨輸入變化，線性度達(dá)0.01%。系統(tǒng)中利用HCNR200工作在光電壓模式下（從第二級運(yùn)放到第三級運(yùn)放部分）實(shí)現(xiàn)增益為1的輸出方式。檢測電路檢測到的電壓信號，還送往保護(hù)電路，產(chǎn)生保護(hù)信號。

圖4 電壓檢測調(diào)理電路

1.3 直流信號檢測調(diào)理

采用霍爾電流傳感器檢測勵磁電流。勵磁電流作為待測電流接入霍爾電流傳感器，由傳感器的輸出端輸出與勵磁電流成比例的檢測電流，經(jīng)過精密電阻R048可獲得與勵磁電流成正比的電壓，此電壓調(diào)整到0～3.3 V，直接接入TMS320LF2407A的ADCIN 引腳。勵磁電流檢測調(diào)理電路原理圖如圖5所示。

1.4 同步信號電路

同步信號電路將交流電壓信號整形成同周期的方波信號，送入DSP 發(fā)電機(jī)控制器的捕獲單元，當(dāng)捕獲到方波信號的上升沿時，產(chǎn)生中斷申請，作為同步采樣的起點(diǎn)。在交流采樣中，頻率跟蹤采樣，實(shí)質(zhì)上是指實(shí)時檢測信號的周期，根據(jù)信號周期隨時調(diào)整采樣間隔。

同步信號電路主要由濾波電路、LM339 過零比較電路、6N136 光電隔離等元件組成。為了防止同步電壓中夾雜有高頻的干擾信號，而使得同步信號電路產(chǎn)生不正確的同步方波信號，影響數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。在同步電壓輸入到LM339 之前，采用了低通濾波電路對輸入的同步電壓信號進(jìn)行濾波。通過LM339 完成同步電壓的過零點(diǎn)檢測，形成同步方波信號。最后經(jīng)過光電隔離器件6N136 與DSP 進(jìn)行隔離。同步信號電路原理圖如圖6所示。

圖5 勵磁電流檢測調(diào)理電路原理圖

圖6 同步信號電路原理圖

2 結(jié)論

本文給出了基于TMS320LF2407A DSP的發(fā)電機(jī)數(shù)字控制器的總體方案設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了詳細(xì)的發(fā)電機(jī)控制器硬件檢測外圍電路，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、交流信號檢測調(diào)理、直流信號檢測調(diào)理、同步信號電路等電路，實(shí)現(xiàn)了輸入/輸出信號與DSP 芯片的隔離，保證了發(fā)電機(jī)數(shù)字控制器的正常工作。

[1]胡育文.全電飛機(jī)中的航空電源系統(tǒng)[C]//中國航空學(xué)會控制與應(yīng)用第十一屆學(xué)術(shù)年會論文集.煙臺:海軍航空工程學(xué)院,2004:19-24.

[2]劉建英,楊建中.飛機(jī)電源系統(tǒng)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2004:32-33.

[3]陳志輝.無刷發(fā)電機(jī)數(shù)字調(diào)壓技術(shù)的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2000.

[4]張雄偉,曹鐵勇.DSP 芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000:1-13.

[5]王瑾.飛機(jī)無刷發(fā)電機(jī)及其電壓調(diào)節(jié)技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2000.