基于單片機控制的航空測試用交流電源設計

劉建輝等

摘 要：作為航空測試系統的重要組成部分，航空測試用交流電源不僅關系著測試系統的運行情況，而且對于航空事業的整體發展也具有重要影響。基于此，文章引入單片機，通過對DC/DC直流降壓電路和DC/AC逆變電路進行分析，進而對逆變控制信號的生成方式展開研究，以期以更加科學、合理的交流電源為航空測試系統的正常、安全運行提供可靠保障。

關鍵詞：單片機；航空測試；交流電源

前言

航空領域的迅速發展對其測試系統也提出更高的要求，傳統的以人工控制為主的航空測試用交流電源已難以滿足航空測試系統高精度測試的新要求。因此，文章將研究重點轉至具有高穩定性和較高性能的單片機方面，以構建軟件的方式使得SPWM脈沖寬度調試的控制波予以生成，進而降低逆變器輸出的波形畸變率，從整體上提高交流電源運行的穩定性，具體研究內容如下。

1 系統結構

1.1 航空測試交流電源簡介

航空測試用交流電源是能夠為航空測試系統在地面進行設備調試與測試時提供可調節的115V/400Hz的高精度交流電的專用電源，其主要被應用在航空交流測試系統用電設備中，通過為系統設備的運行提供高精度的電流，從而確保各類航空設備能夠在相對穩定的環境中測試[1]。

1.2 系統結構

系統主要由整流器、DC/DC直流降壓電路、DC/AC逆變電路、隔離驅動器以及單片機（P87LPCC768）和UC3846芯片共同構成。當220V的交流電經由整流濾波后，將300V大小的高壓直流電予以輸出，并使其經過直流降壓電路進行降壓，由此得到160V的標準高壓直流電。隨后，將此高壓直流電利用單片機控制的逆變橋進行逆變，使其進一步轉化為115V/400Hz的交流電壓輸出，此交流電壓輸出則為航空測試用電源輸出。在此過程中，單片機對整個電路的形成與工作過程實施監控，以確保航空測試用交流電源得以正常、持續工作[2]。

1.3 DC/DC直流降壓電路

由上文可知，規格為220V/50Hz的交流電在進行整流后，轉變成的直流電壓可達到300V，因此，為了確保航空使用交流電源115V/400Hz的交流輸出，須將生成的300V高壓直流電進行降壓，使其達到規格為160V的直流電，從而確保電源輸出需要。實現方法可使用推挽變換器，在將開關管數量減至原有全橋方式一半的同時使得整流后的直流電壓利用率提升至原有全橋方式的一倍。具體操作如下：

利用UC3846電流型控制芯片對直流降壓電路進行控制，使得推挽變換器在工作過程中產生的磁偏能夠以周期的形式被抑制，從而令主開關管的電流峰值設置更加方便，同時，促使電路的動態響應更加靈敏。對UC3846進行分析可知，其是一類基于雙端輸出的電流控制集成芯片，其在電源設計中的優勢為具有較少的外界元器件且具有較為簡單的外電路裝配。UC3846芯片的控制閉合電路有二部分，其一為輸出電壓反饋的誤差放大器，主要功能是與基準電壓進行對比，并生成誤差電壓，其二為電感內電流在反饋電阻中所產生的電壓同誤差電壓做出對比后而產生的調制脈沖寬度。考慮到峰值電感電流實際上是由誤差信號控制的，故將UC3846芯片及其外接元件共同組成電流型脈沖寬度調制器。因此，只需對UC3846芯片的外接元件進行設定，進而確保主電路工作頻率達到航空測試要求的50kHz[3]。

1.4 DC/AC逆變電路

選取規格為115V/400Hz的全橋逆變正弦波輸出電路作為本次基于單片機控制的航空測試用交流電源的DC/AC逆變電路。逆變橋的穩定電壓主要由DC/DC直流降壓電路的輸出電容來提供，所設計的逆變橋電路主要由VM3-VM6構成，其調制方式為雙極性，而單片機產生的SPWM互補脈沖則經由硬件延時互鎖隔離電路加載至HCPL3120，即隔離驅動光耦的輸入端，光耦電源則主要由主變壓器線圈所引出的輔助繞組予以提供。在驅動電流方面，考慮到電路的驅動電流是由光耦脈沖輸出的門極所提供的，因此，為了避免輸出門極間相互影響而產生的橋臂直通使電路出現短路，應在彼此互補的驅動脈沖間設置時長約為2us的死區時間，同時，對于安全工作的死區時間則以硬件互鎖和軟件編程兩種方式進行設定。

2 逆變控制信號生成

利用P87LPC768單片機對文章設計的航空測試交流電源進行控制，對該單片機進行分析可知，其以加速處理器結構為主，在原有的80C5I標準的基礎上使得指令執行速度提升原來的2倍。一般情況下，一個機器周期大都由6個振蕩周期共同構成，而對于多數指令而言，其執行時間通常為6或12個振蕩周期，即2個或4個機器周期，從而實現定時器、精確模擬量比較器和A/D轉換器與PWM的輸出等相關功能。還需說明的是，由于P87LPC768單片機的引腳個數為20個，而無論是輸出口還是輸入口，其大都是能夠被重復利用的，因此，在進行航空測試電源設計過程中，應由特殊功能寄存器完成其所對應的管腳功能。

本次設計的航空測試用交流電源中，利用單片機提供的PWM輸出口將SPWM的驅動脈沖予以輸出，而后，在借助A/D轉換接口、過載和輸入電壓進行采樣，最終實現電路的保護。其中，SPWM脈沖波的生成應以查表法獲得，同時，以調制波和三角波對稱規則計算正弦波半周期的單個SPWM波脈寬，并以此為依據，制定出SPWM脈沖寬度表，將其存儲至單片機程序存儲器中。在系統初始化后，便進入脈沖寬度表的自動查詢流程，并從PWM口將當前電流輸出所需的脈沖寬度予以輸出，最后，經由硬件互鎖隔離電路獲取逆變橋開關驅動脈沖，實現對逆變橋的驅動。

3 實驗測試與結果分析

利用文章的設計方案對飛機的測試系統進行供電前，首先進行了純電阻、純電容以及電感實驗。在進行電容與電感實驗時，將測試系統負載功率因數進行調整（調至0.7），并將交流直流輸入電壓分別設定為220V和160V，以雙極性調制的方法對電路逆變橋進行調制，并將載波頻率和調制波頻率分別設置為10kHz和400Hz，同時，將調制比調至0.9，將直流側電容C調至220uF。實驗結果表明，逆變器所輸出的波形同理想的正弦波相接近，而電容性與電感性負載所輸出的電壓電流波形并未發生嚴重畸變，且在單片機作用下，能夠較好地實現交流電壓的平穩輸出，并使其滿足不同頻率的變化，為航空測試系統的安全、有效運行提供可靠保障。

4 結束語

文章通過對航空測試交流電源進行簡要概述，進而對電源的系統結構、DC/DC直流降壓電路和DC/AC逆變電路等展開了設計和分析，并對逆變控制信號的生成方式做出探究。研究結果表明，文章所設計的航空測試交流電源能夠較好地滿足航空測試系統的相關要求，對于航空測試交流電源領域的后續研究具有重要的借鑒意義和應用價值。

參考文獻

[1]傅元，張欽，丁振宇.基于單片機控制的精密交流步進電源[J].儀器儀表用戶，2015，1（5）：44-46.

[2]蘆守平，姜瀚文，徐千.基于單片機控制的程控開關電源研究[J].電子技術應用，2011，5（11）：78-81.

[3]盧旭錦，王永強.基于ATmega8單片機控制的正弦波逆變電源[J].現代電子技術，2013，8（15）：149-152.