靜止變換式航空地面電源PWM電壓控制器的設計

摘要：某型飛機地面專用電源所用的電壓控制系統采用“開關點預置可調脈寬控制技術”的全數字化PWM控制方式，具有自動調壓，故障保護和軟起動等功能。文中介紹了電壓控制系統的工作原理及實現電路。

關鍵詞：脈寬調制控制器邏輯編程

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：TM92文獻標識碼：A文字編號：0219?2713（2000）08?392?04

　　1引言

目前，變換器中采用的脈寬調制控制技術主要有兩種。一種是開關點預置PWM控制方式，這一方案雖有開關次數少且低次諧波含量少等優點，但卻存在不能自動調壓的缺點。電源輸出電壓的調節需依靠另外的調壓電路，如通過調節變換器直流環節電壓來實現輸出電壓的調節。變換器內部多了一個環節，因此電路較復雜，可靠性下降。

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(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制（SPWM），這種控制方式可通過提高開關器件的開關頻率來減少低次諧波的含量。這一方案雖然可以通過控制電路調節脈沖寬度進行調壓，但電路較復雜，開關功率損耗較大，這樣在功率靜止變換電源上的應用受到影響。

諧波次數	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

在總結以上兩種控制方式的基礎上，設計出一種新型的PWM控制方式，即“開關點預置可調脈寬控制方式”。這種控制方式既具有開關點預置PWM方式開關次數少，低次諧波含量低的優點，又具有正弦脈寬調制方式自動調節變換器輸出電壓的特點。因此，用此控制方式設計的控制器電路簡單，采用可編程邏輯器件GAL來生成PWM波，抗干擾能力強，可靠性高，運用在某型飛機的地面專用電源中，效果良好。

2開關點預置可調脈寬控制原理

利用諧波消去法優化的PWM電壓波形如圖1所示。圖1（a）為一周期由64個方波合成的PWM電壓波形，圖1（b）為一周期內由72個方波合成的PWM電壓波形，圖中數字表示脈沖的個數。根據諧波計算

圖4PWM控制信號生成電路

表2不同占空比時基波及各次諧波幅值

公式（1）計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；

i——開關角序號；

i——線電壓正半周前1/4周期開關角；

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的倍數次諧波，利用此方案制成的變換器，其后級濾波電路會簡單些，但開關頻率要比方案a高。選取哪種方案作為變換器控制方式，要根據具體要求而定，若變換器為單相且對開關頻率要求不太嚴格，兩種方案均可，但是考慮后級濾波電路時，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，因為方案a一周期是由64個方波構成，移相120°后就會出現半個方波，這在控制電路中難以實現。

一旦PWM電壓波脈沖個數確定后，變換器輸出電壓就是確定不變的，要想調節輸出電壓，只能改變變換器直流輸入電壓Ud，這樣就相當于開關點預置PWM控制方式，另一種調節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，假設圖1所示PWM電壓波形是在占空比D=1時的波形，當占空比D=0.5時輸出電壓波形（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]。通過計算機仿真后得出不同占空比時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，就必須設計出相應開關管的PWM控制信號，為簡單起見，僅以單相PWM控制信號為例來介紹，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（其脈沖波個數為72個）是圖1（b）所示的電壓波形的控制信號，當改變此信號的占空比時，就能達到調節電壓的目的。圖3中g1和g2，g3和g4是一對橋臂的控制信號波形。

若要實現三相PWM控制信號，只需以g1為基準分別移相120°和240°就得到了三相變換器上橋臂開關信號，而下橋臂開關信號就取相應上橋臂開關反相信

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圖2PWM電壓調節信號波形

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圖3單相PWM控制信號波形

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

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圖4 PWM控制信號生成電路

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圖5調制波發生器電路圖

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(a)電流限制電路（b)故障保護電路

圖6PWM控制器保護電路

3PWM控制器的電路設計

3.1PWM控制信號的電路設計

四路PWM控制信號g1～g4采用全數字化電路方式，以可編程邏輯器件GAL為核心。這種芯片是一種結構靈活、性能優越、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，運行速度大大提高，同時可靠性也相應提高。此外，GAL芯片可以反復擦除改寫，且擦除時間僅用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控制信號生成電路，主要是由3片GAL來組成，其中IC1，IC2均為GAL16V8，IC3為GAL20V8。若PWM變換器輸出電壓頻率為400Hz，那么要產生圖3的四路PWM控制信號，控制器的時鐘脈沖應為28.8kHz。由晶體振蕩器及其外圍電路產生的振蕩信號頻率為1.8432MHz，經IC1對此信號進行64分頻，就可得到時鐘頻率，也就是PWM信號的載波頻率，IC2的輸出單元完成時序邏輯，對時鐘信號進行72分頻編碼，產生信號Q0～Q6，其中Q0～Q3為時鐘的9循環計數，Q4為時鐘的18分頻，Q5和Q6分別為時鐘的36分頻和72分頻。IC3的功能是完成組合邏輯，分別對Q0～Q6進行與或邏輯組合，便能產生Z1，Z2和g1～g4信號，g1～g4信號還應與調壓信號PW及互鎖信號T1，T2及故障信號相綜合才是最終變換成控制信號G1～G4。

3.2自動調壓電路

自動調壓電路的作用就是敏感變換器輸出電壓，產生受其控制的定頻變寬的脈寬調制信號PW，此信號與時鐘信號同步，只是其寬度隨變換器的輸出電壓改變而變化，當變換器供電電壓上升而使輸出電壓也相應升高時，調壓電路就會改變PW信號占空比，從而降低變換器輸出電壓，達到自動調壓的目的。自動調壓電路包括降壓變壓器整流濾波電路，PI調節電路及調制波發生器。

圖5為調制波發生器，該電路以定時器555為核心，UI為閉環采樣電壓經PI調節器放大后的敏感電壓，它的大小控制著PW信號的寬度，由于555的2號管腳輸入信號是時鐘信號，所以產生的調制波信號是與時鐘信號同步的，只是占空比不同。UI<＋ 5V時， VD1截止， VD33導通，此時 PW信號占空比最大，調節電位計 RP8，使 PW信號占空比為 1，隨著變換器輸出電壓上升， UI也逐漸上升，當 UI>5V時，VD1導通，VD33截止，此時PW信號占空比逐漸減小，當變換器輸出電壓穩定在某一值時，PW信號占空比也就固定在0.7左右。若由于輸入電壓發生變化或者負載的變

化使變換器輸出電壓發生變化，偏離額定電壓，此時PW信號占空比也相應發生變化，最終使變換器輸出電壓穩定在額定值范圍內，從而達到自動調節電壓的目的。此PW信號送入IG3的9號管腳，通過G3將PW信號與g1～g4相與后，就可得到受變換器輸出電壓控制的脈寬可調的PWM信號。由此可以看出，只要增加調制波發生器等調壓電路就可實現開關點預置且脈寬可調的PWM控制，電路簡單、可靠。

3.3保護電路

新型PWM控制器保護電路有兩種功能，一種是電流限制，另一種是故障保護。前一種是檢測出開關管電流超過其限定范圍，自動封鎖PWM控制信號，當電流下降至允許值后，又自動解除封鎖。后一種保護電路是當開關管發生過電流、超溫、過電壓等故障時，能立刻切除PWM控制信號，檢查電路，當故障排除后按復位鍵，電路方能恢復正常工作狀態。電路分別如圖6(a)，(b)所示。這些電路圖是某型飛機地面專用電源中PWM控制保護電路。由于此變換器采用的開關管是智能型IGBT，故利用此器件的故障輸出信號設計保護電路，如圖6(b)所示，四路故障信號線分別接入四路光耦，由于IGBT內部帶有限流電阻，故光耦前不用加限流電阻。當有1支IGBT因過壓，過流或超溫等而發出故障信號時，74LS74的Q端為低電平信號，給IC3發出故障信號，從而封鎖PWM信號，同時發光二極管VD亮，發出報警信號。當故障排除后，按復位開關S2，電路恢復正常狀態，封鎖解除。圖中電容C是吸收干擾信號，防止74LS74誤觸發。

電流限制電路工作過程如下：當流過IGBT的電流IA高于限定值時（或－IA低于負限定值），LM358輸出信號1由高電位跳變至低電位，此信號送入IC3的“1”號引腳，通過IC3與g1～g4相與，從而封鎖PWM控制信號，流經IGBT的電流便逐漸下降，當下降至限定值以下時，LM358又由低電位跳變為高電位，解除PWM信號封鎖，電路進入正常狀態。

此外，此PWM控制器還具有軟起動功能和互鎖功能。用在某飛機地面電源中，效果良好，沒有出現過故障。

4結語

以可編程邏輯器件GAL和調制波發生器構成的PWM控制器，使用的器件少，電路結構簡單，控制方便，具有較強的抗干擾能力。實踐證明，采用“開關點預置可調脈寬技術”在大功率地面電源中應用非常成功。此外，這種技術還可推廣應用于內、外場或實驗室獨立電源等方面，為軍、民用飛機或其他工業領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

1孫涵芳.可編輯邏輯器件PAL和GAL.北京：北京航空航天大學出版社

2吳斌.新型PWM波形發生器.電氣傳動，1995；(6)

3林渭勛.電力電子技術.杭州：浙江大學出版社

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