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(tǒng)采用“開關點預置可調(diào)脈寬控制技術”的全數(shù)字化PWM控制方式，具有自動調(diào)壓，故障保護和軟起動等功能。文中介紹了電壓控制系統(tǒng)的工作原理及實現(xiàn)電路。

關鍵詞：脈寬調(diào)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：02192713（2000）0839204

　　1引言

目前，變換器中采用的脈寬調(diào)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(shù)少且低次諧波含量少等優(yōu)點，但卻存在不能自動調(diào)壓的缺點。電源輸出電壓的調(diào)節(jié)需依靠另外的調(diào)壓電路，如通過調(diào)節(jié)變換器直流環(huán)節(jié)電壓來實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。變換器內(nèi)部多了一個環(huán)節(jié)，因此電路較復雜，可靠性下降。

(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(diào)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(diào)節(jié)脈沖寬度進行調(diào)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。

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(diào)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(shù)少，低次諧波含量低的優(yōu)點，又具有正弦脈寬調(diào)制方式自動調(diào)節(jié)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(diào)脈寬控制原理

利用諧波消去法優(yōu)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(nèi)由72個方波合成的PWM電壓波形，圖中數(shù)字表示脈沖的個數(shù)。根據(jù)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(shù)；

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(shù)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(jù)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(xiàn)半個方波，這在控制電路中難以實現(xiàn)。

一旦PWM電壓波脈沖個數(shù)確定后，變換器輸出電壓就是確定不變的，要想調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shù)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(diào)節(jié)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(xiàn)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

圖2PWM電壓調(diào)節(jié)信號波形