基于EDA技術的航空電源逆變控制電路設計

吳國強+蔣超++劉慶全+劉巖

摘要： 為適應航空電源品質的新需求和發展的快節奏，綜合先進的現代EDA技術與脈寬調制技術，精心設計航空逆變電路的調制方案。采納等效面積正弦波脈寬調制（SPWM）生成法構建控制數學模型，通過數值運算和數字轉換，運用硬件描述語言VHDL編寫實現設計所需的邏輯功能。以PLD元器件為調制控制電路的硬件，采用Max+PlusⅡ軟件在EDA實驗開發系統（GW?GK系統）上完成仿真和硬件測試實驗，獲得了三相SPWM波形脈沖序列，實現了數字化控制，確保了輸出波形諧波量小，波形接近理想正弦波形，同時簡化了控制電路的結構和規模，提高系統的控制精度及其可靠性。

關鍵詞： 硬件描述語言； 脈寬調制； 電子設計自動化； 邏輯功能設計

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A文章編號： 1004?373X（2014）08?0153?03

Design of aero power supply invert?controlling circuit based on EDA technology

WU Guo?qiang1， JIANG Chao2， LIU Qing?quan1， LIU Yan2， 3

（1. Unit 94816 of PLA， Fuzhou 350002， China； 2. Air Force Service College， Xuzhou 221000， China； 3. Unit 92919 of PLA， Ningbo 315000， China）

Abstract： To adapt to the new need and the quick development rhythm of the aero power quality， a modulation scheme of aero inverting circuit was designed by means of the advanced modern EDA technique and pulse?width modulation technique. The area?equivalent sine wave pulse width modulation （SPWM） was adopted to set up control mathematics model. The logic function needed in circuit design was realized with number operation， digital conversion and hardware description Language VHDL. PLDs are taken as the hardwares of the modulation control circuit. With the MAX+plus Ⅱ software， the simulation and hardware testing experiment were completed on the EDA test developing system （GW?GK system）， the three?phase SPWM waveform pulse series was acquired， the digitaliztion control was realized， the wave harmonic component was decreased and the almost ideal sine wave was obtained. The method simplified the structure and scale of the control circuit， and increased the control accuracy and credibility of the system.

Keywords： hardware description language； pulse width modulation； electronic design automation； logic function design

當前航空電源型號各異，種類龐雜，應該說綜合性能還不夠高。特別是隨著航空器的不斷發展，其對電源保障需求面臨諸多新挑戰。因此，研制先進電源保障設備，提高其通用性、綜合性，可為現有各類航空器提供通用配套保障，不但能夠適應航空器換代的需要，提高其實用性，而且可以壓縮保障裝備設備的數量和規模。研究事例為航空逆變電源，其特性是負載三相平衡的前提下，能夠保證三相電壓的幅值、相位始終處于平衡。構成的組合式三相全橋逆變電路見圖1。本文引入了技術現代電子設計自動化技術（EDA），綜合運用非常超高速集成電路硬件描述語言設計語言（VHDL）和可編程邏輯電路（PLD）元器件進行控制邏輯的設計與實現，對組合式三相逆變電路進行狀態控制，獲得要求的輸出電壓及波形[1?3]。

1正弦脈寬調制方案的設計與計算

脈寬調制（Pulse?width Modulation，PWM）是在固定頻率下，設計一定規律的脈寬系列，控制逆變器的開關器件的導通及截止狀態，在輸出端獲取所需航空電源，滿足設計的品質要求。

1.1等效面積法的數學模型

采納等效面積正弦波脈寬調制（SPWM）生成法，具有輸出波形諧波量小，波形接近正弦波形而且算法簡單等優勢特點[4?5]。

先把理想正弦波劃分為若干等份，如圖2所示，某一等份的弧線與時間軸形成的面積等同于某矩形脈寬，前提是矩形脈寬中點與弧線投影的中心點在時間軸上重合，且兩者面積相等，劃分的等份數量越大，整個矩形脈沖系列就越近似于設計所需的理想正弦波形，其中，矩形脈寬就是用于控制逆變器上元器件的導通、截止狀態[6]。

圖1組合式逆變電路示意圖

如第k個脈沖，其的正弦波形弧線垂直向下與時間軸形成的面積為SAk，與其等效的脈沖矩形面積為SRk，易得到公式：

[SAk=MUsα1kα4ksinθdθ=MUscosα1k-cosα4k =SRk=Usα2k-α3k]

式中：調制參數為M；理想正弦波被劃分為N等份。

每等份的時間寬度為θk，每等份的時間軸中點為αmk，等效面積的矩形寬度（相當于導通時間）為θpk，等效面積的矩形前后兩端剩余時間（相當于截止時間）寬度為θnk，計算公式分別是：

[θk=α4k-α1k=2πN,αmk=2πNk-1+2π2N=πN2k-1,θpk=α3k-α2k,θnk=θk-θpk2]

1.2設計計算及數據生成

設定一定數值后，通過上述等式和公式，利用數學工具Matlab軟件進行數值計算，生成表1和脈沖數據。

圖2 等效面積算法SPWM生成模型

2軟、硬件的設計與實現

2.1軟件設計與實現

控制電路的硬件采用PLD元器件，并基于VHDL語言進行設計達成所需的邏輯功能，做到數字化控制。

整個系統主要由開關模塊M_ONOFF、可控時鐘分頻器M_CLOCK、反饋調制模塊M_MANDP、脈沖寬度數值存儲器A、B、C：PW_ROM和脈沖發生器M_PWM等模塊按一定邏輯對接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設計文件M_TOP_SPWM，可實現等效面積正弦波脈寬調制法設計所需的脈沖波形系列，用來控制開關器件IGBT的導通和截止狀態。

2.2邏輯電路的硬件編譯與實現

逆變控制電路的頂層設計文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）為本實驗的EDA設計軟件，并在EDA實驗開發系統（GW?GK系統）上完成仿真和硬件測試實驗。首先選用ALTERA公司的EP1K50TC144?3芯片，然后如圖4，圖5所示對此芯片管腳進行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機接口與目標板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實現了控制系統電路邏輯功能。

3仿真結論與開發前景

頂層設計文件編譯后進行實驗仿真，結果如圖6所示，其中脈沖系統S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號，S_C12、S_C34是單相全橋逆變器C的控制信號，顯而易見三個單相全橋逆變器控制脈沖信號S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實驗設計所需的品質要求。

[圖4 芯片引腳的鎖定分配][圖5 連接下載]

采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進行編程，在實驗室就能設計獲得所需的控制邏輯電路，特點明顯，具有傳統實驗方法根本無法實現的靜態可重復編程和動態在系統重構的優勢，這大大提升了航空電源控制系統設計的靈活性，實現了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設計實驗周期，減少誤差，提高設計系統的精確度（如圖6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度縮小控制系統的硬件規模，提高了集成度[1，3]，降低了開發成本，有利于當前航空事業突飛猛進對電源的多樣化需求開發，前景廣闊。

圖6實驗功能仿真效果圖

參考文獻

[1] 王彩鳳，胡波，李衛兵，等.EDA技術在數字電子技術實驗中的應用[J].實驗科學與技術，2011（1）：8?10.

[2] 陸楨，紀志成，沈艷霞.96單片機生成SPWM的軟硬件策略[J]. 無錫輕工大學學報，2000，19（3）：287?291.

[3] 潘松，黃繼業.EDA實用教程[M].北京：科學出版社，2002.

[4] 侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計（修訂版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，1999.

[5] 胡興柳，彭小兵，穆新華.SPWM逆變電源的單極性控制方式實現[J].機電工程，2004，21（1）：169?172.

[6] 杜坤梅.數字脈寬調制方法的研究[J].哈爾濱理工大學學報，2001，4（6）：18?22.

整個系統主要由開關模塊M_ONOFF、可控時鐘分頻器M_CLOCK、反饋調制模塊M_MANDP、脈沖寬度數值存儲器A、B、C：PW_ROM和脈沖發生器M_PWM等模塊按一定邏輯對接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設計文件M_TOP_SPWM，可實現等效面積正弦波脈寬調制法設計所需的脈沖波形系列，用來控制開關器件IGBT的導通和截止狀態。

2.2邏輯電路的硬件編譯與實現

逆變控制電路的頂層設計文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）為本實驗的EDA設計軟件，并在EDA實驗開發系統（GW?GK系統）上完成仿真和硬件測試實驗。首先選用ALTERA公司的EP1K50TC144?3芯片，然后如圖4，圖5所示對此芯片管腳進行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機接口與目標板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實現了控制系統電路邏輯功能。

3仿真結論與開發前景

頂層設計文件編譯后進行實驗仿真，結果如圖6所示，其中脈沖系統S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號，S_C12、S_C34是單相全橋逆變器C的控制信號，顯而易見三個單相全橋逆變器控制脈沖信號S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實驗設計所需的品質要求。

[圖4 芯片引腳的鎖定分配][圖5 連接下載]

采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進行編程，在實驗室就能設計獲得所需的控制邏輯電路，特點明顯，具有傳統實驗方法根本無法實現的靜態可重復編程和動態在系統重構的優勢，這大大提升了航空電源控制系統設計的靈活性，實現了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設計實驗周期，減少誤差，提高設計系統的精確度（如圖6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度縮小控制系統的硬件規模，提高了集成度[1，3]，降低了開發成本，有利于當前航空事業突飛猛進對電源的多樣化需求開發，前景廣闊。

圖6實驗功能仿真效果圖

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整個系統主要由開關模塊M_ONOFF、可控時鐘分頻器M_CLOCK、反饋調制模塊M_MANDP、脈沖寬度數值存儲器A、B、C：PW_ROM和脈沖發生器M_PWM等模塊按一定邏輯對接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設計文件M_TOP_SPWM，可實現等效面積正弦波脈寬調制法設計所需的脈沖波形系列，用來控制開關器件IGBT的導通和截止狀態。

2.2邏輯電路的硬件編譯與實現

逆變控制電路的頂層設計文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）為本實驗的EDA設計軟件，并在EDA實驗開發系統（GW?GK系統）上完成仿真和硬件測試實驗。首先選用ALTERA公司的EP1K50TC144?3芯片，然后如圖4，圖5所示對此芯片管腳進行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機接口與目標板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實現了控制系統電路邏輯功能。

3仿真結論與開發前景

頂層設計文件編譯后進行實驗仿真，結果如圖6所示，其中脈沖系統S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號，S_C12、S_C34是單相全橋逆變器C的控制信號，顯而易見三個單相全橋逆變器控制脈沖信號S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實驗設計所需的品質要求。

[圖4 芯片引腳的鎖定分配][圖5 連接下載]

采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進行編程，在實驗室就能設計獲得所需的控制邏輯電路，特點明顯，具有傳統實驗方法根本無法實現的靜態可重復編程和動態在系統重構的優勢，這大大提升了航空電源控制系統設計的靈活性，實現了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設計實驗周期，減少誤差，提高設計系統的精確度（如圖6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度縮小控制系統的硬件規模，提高了集成度[1，3]，降低了開發成本，有利于當前航空事業突飛猛進對電源的多樣化需求開發，前景廣闊。

圖6實驗功能仿真效果圖

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