一種數字式飛機高壓直流發電機的電壓調節器設計

盧建華，郝凱敏，趙學遠，孫 躍，張 波

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

電能具有易于產生、傳輸、易于實現智能化分配的特點，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給全機的機載設備供電[2]。 圖1 所示為多電飛機高壓直流發電系統結構框圖。 從圖1 可以看到，電壓調節器控制著高壓直流無刷發電機的激磁電流，直接關系著直流發電機的發電品質，影響著整個飛機的電氣系統。

圖1 高壓直流發電系統結構圖Fig.1 Structure of a high-voltage DC power generation system

在傳統飛機上， 電壓調節器常采用炭片式、晶體管式或者放大器式的電壓調節器，其存在著體積重量大、調壓誤差大、反應慢等缺點，并且傳統調壓器的控制器多采用模擬電路實現，在某型飛機電壓調節器的設計[3]以及實現過程中發現，基于模擬電路的調壓器的調試過程費時費力。 而且在傳統飛機上當飛機出現空中停車需要重新啟動發電機時，需要飛行人員手動按壓復位按鈕，才能使得發電機保護電路和負載接入系統，這在一定程度上增加了飛機空中啟動的風險。 隨著微處理器及計算機技術的發展，集成化、智能化、數字化的電壓調節器成為飛機電壓調節器的必然選擇[4]。

1 數字式電壓調節器總體方案設計

基于DSP 的數字式電壓調節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 數字式電壓調節器總體結構框圖Fig.2 Block diagram of the overall structure of the digital voltage regulator

數字式電壓調節器的原理為當飛機發電機輸出電壓Uo高于（低于）額定值時，芯片TMS320F2812（以下簡稱F2812）采集發電機輸出電壓信號，經過F2812 的內部PID 算法，輸出占空比σ 低于（高于）50%的PWM 波， 然后經過電平轉換電路將其電壓放大驅動勵磁電路的開關管，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生低于（高于）額定電流的激磁電流If，從而使得發電機的輸出電壓升高（降低），最終使發電機輸出電壓達到穩定。

值得指出的是，為了保護飛機發電機，防止激磁電流過大引起發電系統癱瘓[5]，設計激磁電流的信號采集電路，對激磁電流進行實時監控，當激磁電流超出極限值時， 電壓調節器輸出低電平信號，不再驅動勵磁。 與此同時， 通過F2812 內部的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。 為了實現發電機在啟動后負載和保護電路能夠自動接入， 設計發電機轉速信號的采集電路，當發電機轉速達到穩定時，啟動保護程序并通過程序控制使得負載自動接入電網。

2 硬件設計

數字式電壓調節器硬件核心采用TI 公司推出的32 位定點DSP 芯片TMS320F2812，F2812 芯片內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]。 為了實現發電機的調壓和保護功能，需要設計CPU 最小系統、電壓信號采集電路、電平轉換電路及電源電路。

2.1 CPU 單元

CPU 是實現數字式電壓調節器設計功能的核心。 根據所設計的總體方案，CPU 單元應該具有采樣通道、PWM 波輸出通道以及通信通道。 圖3 所示為F2812 最小系統。 最小系統主要由F2812 芯片、30 MHz 晶振和電容、電感器件組成。其中ADCINA0為發電機輸出電壓Uo的采樣通道，ADCINA1 為發電機轉速信號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 的電壓信號進行處理。 同時為了設備安全，需要將強電與弱電隔離，因此采用具有良好穩定性和線性度的HCNR201 光電耦合器完成隔離設計[7]。 所設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，降低調壓器穩態誤差，因此在設計發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：

根據光耦器件HCNR201 傳輸特性，有：

式中：傳輸增益K 為1±5%。

聯列式（1）～式（4），并將電阻參數帶入公式，得到：

由式（5）可以看出，采樣電壓與發電機輸出電壓成線性關系。

由于F2812 對于輸入電壓有著嚴格的要求，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D 點電壓略大于3.3 V 時，二極管D1導通，當D 點電壓略低于0 V 時，二極管D2導通。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。

所設計的激磁電流信號采集電路、轉速信號采集電路與發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，轉速電壓信號Un與轉速n 成正比。

2.3 電平轉換電路

F2812 輸出PWM 波形的高電平為3.3 V， 而勵磁電路開關管卻需要5 V 以上的電壓驅動。 因此需要將F2812 輸出的PWM 進行電平轉換。 電平轉換模塊采用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80 MHz，完全能夠滿足本設計需求。 設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，經過74HC245 芯片電平轉換，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，從而驅動后級激磁電路。 其中第1 引腳（DIR）為方向控制引腳，當輸入高電平時，表示A 組引腳為輸入，B 組引腳為輸出。

圖5 PWM 電平轉換電路Fig.5 PWM voltage transformer circuit

2.4 電源電路

電壓調節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 的內核電壓要求1.8 V，Flash 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 電壓轉換芯片。 由于在設計中芯片供電統一采用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 模塊實現變壓。

3 系統軟件設計

系統軟件采用TI 公司發布的CCS7.2 軟件編程，為了使得系統有良好的動靜態特性，控制規律采用工業上常采用的PID 算法。

3.1 控制規律參數的確定

為了滿足穩定時間不大于0.3 s，穩態誤差不超過2 V 的指標要求， 針對某型飛機的高壓直流發電系統[8]進行仿真。

在MATLAB 中采用試湊法調整PID 參數，并對其仿真， 最終得到當Kp=10.3，Ki=0.17，Kd=0.11 時，系統輸出階躍響應曲線達到最優。 其響應曲線如圖6 所示。

圖6 發電系統階躍響應曲線Fig.6 Step response curve of power generation system

由圖6 可以看出，在最優響應曲線下，系統峰值電壓為270 V，穩定時間為0.08 s，符合設計預期。

3.2 程序設計

電壓調節器的實現調壓以及保護的邏輯判斷都是通過軟件控制F2812 的寄存器來實現的。 根據設計的總體方案，設計程序流程如圖7 所示。

軟件設計的為了使得系統在發電機完成啟動之后能夠產生占空比σ 與發電機輸出電壓誤差值ΔUo成負相關的PWM 波。 并實時監控發電機激磁電流狀態， 當ADCINA7 收到超出設定范圍的信號時，DSP 向上位機發出故障信號， 并封鎖輸出PWM波。 當DSP 內部程序根據ADCINA7 接口信號判定發動機處于啟動階段時，斷開保護程序，保證發電機正常啟動。

通常激磁電路的開關管頻率為2 kHz。 在采樣數據的處理過程中， 充分利用DSP 高速運算的特點，在每個周期內采集10 次數據，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，只對數字式調壓器的采樣及PWM 輸出部分進行實物實驗驗證， 示波器波形如圖8 所示。 對調壓系統進行仿真驗證。 將數字式電壓調節器和文獻[3]中的脈沖調頻式電壓調節器激磁電流響應作對比， 其響應曲線如圖9 所示。 可以看出數字式電壓調節器響應速度更快，激磁電流值更為安全可靠。

5 結語

圖8 示波器波形Fig.8 Oscilloscope waveforms

本文所設計的數字式電壓調節器具有以下特點：①集成了飛機發電機的電壓調節和保護電路，并能在發電機正常建壓之后自動接入負載電路和保護電路，這樣有利于在空中停車特情發生后快速重啟發電機，降低空中停車重啟風險；②電壓調節器的動態響應得到優化，響應速度更快，激磁電流得到限制，有利于發電機的安全穩定；③數字式電壓調節器的具有開發周期短，集成度高，易于實現的優點。

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