基于EDA技术的航空电源逆变控制电路设计
2014-09-27吴国强蒋超刘庆全刘岩
吴国强+蒋超++刘庆全+刘岩
摘要： 为适应航空电源品质的新需求和发展的快节奏，综合先进的现代EDA技术与脉宽调制技术，精心设计航空逆变电路的调制方案。采纳等效面积正弦波脉宽调制（SPWM）生成法构建控制数学模型，通过数值运算和数字转换，运用硬件描述语言VHDL编写实现设计所需的逻辑功能。以PLD元器件为调制控制电路的硬件，采用Max+PlusⅡ软件在EDA实验开发系统（GW⁃GK系统）上完成仿真和硬件测试实验，获得了三相SPWM波形脉冲序列，实现了数字化控制，确保了输出波形谐波量小，波形接近理想正弦波形，同时简化了控制电路的结构和规模，提高系统的控制精度及其可靠性。
关键词： 硬件描述语言； 脉宽调制； 电子设计自动化； 逻辑功能设计
中图分类号： TN964⁃34 文献标识码： A文章编号： 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
当前航空电源型号各异，种类庞杂，应该说综合性能还不够高。特别是随着航空器的不断发展，其对电源保障需求面临诸多新挑战。因此，研制先进电源保障设备，提高其通用性、综合性，可为现有各类航空器提供通用配套保障，不但能够适应航空器换代的需要，提高其实用性，而且可以压缩保障装备设备的数量和规模。研究事例为航空逆变电源，其特性是负载三相平衡的前提下，能够保证三相电压的幅值、相位始终处于平衡。构成的组合式三相全桥逆变电路见图1。本文引入了技术现代电子设计自动化技术（EDA），综合运用非常超高速集成电路硬件描述语言设计语言（VHDL）和可编程逻辑电路（PLD）元器件进行控制逻辑的设计与实现，对组合式三相逆变电路进行状态控制，获得要求的输出电压及波形[1⁃3]。
1正弦脉宽调制方案的设计与计算
脉宽调制（Pulse⁃width Modulation，PWM）是在固定频率下，设计一定规律的脉宽系列，控制逆变器的开关器件的导通及截止状态，在输出端获取所需航空电源，满足设计的品质要求。
1.1等效面积法的数学模型
采纳等效面积正弦波脉宽调制（SPWM）生成法，具有输出波形谐波量小，波形接近正弦波形而且算法简单等优势特点[4⁃5]。
先把理想正弦波划分为若干等份，如图2所示，某一等份的弧线与时间轴形成的面积等同于某矩形脉宽，前提是矩形脉宽中点与弧线投影的中心点在时间轴上重合，且两者面积相等，划分的等份数量越大，整个矩形脉冲系列就越近似于设计所需的理想正弦波形，其中，矩形脉宽就是用于控制逆变器上元器件的导通、截止状态[6]。
图1组合式逆变电路示意图
如第k个脉冲，其的正弦波形弧线垂直向下与时间轴形成的面积为SAk，与其等效的脉冲矩形面积为SRk，易得到公式：
[SAk=MUsα1kα4ksinθdθ=MUscosα1k-cosα4k =SRk=Usα2k-α3k]
式中：调制参数为M；理想正弦波被划分为N等份。
每等份的时间宽度为θk，每等份的时间轴中点为αmk，等效面积的矩形宽度（相当于导通时间）为θpk，等效面积的矩形前后两端剩余时间（相当于截止时间）宽度为θnk，计算公式分别是：
[θk=α4k-α1k=2πN,αmk=2πNk-1+2π2N=πN2k-1,θpk=α3k-α2k,θnk=θk-θpk2]
1.2设计计算及数据生成
设定一定数值后，通过上述等式和公式，利用数学工具Matlab软件进行数值计算，生成表1和脉冲数据。
图2 等效面积算法SPWM生成模型
2软、硬件的设计与实现
2.1软件设计与实现
控制电路的硬件采用PLD元器件，并基于VHDL语言进行设计达成所需的逻辑功能，做到数字化控制。
整个系统主要由开关模块M_ONOFF、可控时钟分频器M_CLOCK、反馈调制模块M_MANDP、脉冲宽度数值存储器A、B、C：PW_ROM和脉冲发生器M_PWM等模块按一定逻辑对接而成，如图3所示形成了逆变控制逻辑电路的顶层设计文件M_TOP_SPWM，可实现等效面积正弦波脉宽调制法设计所需的脉冲波形系列，用来控制开关器件IGBT的导通和截止状态。
2.2逻辑电路的硬件编译与实现
逆变控制电路的顶层设计文件用VHDL语言编程描述成逻辑电路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）为本实验的EDA设计软件，并在EDA实验开发系统（GW⁃GK系统）上完成仿真和硬件测试实验。首先选用ALTERA公司的EP1K50TC144⁃3芯片，然后如图4，图5所示对此芯片管脚进行输入输出定义、编译，通过ByteBlasterMV并行下载，打印机接口与目标板相连，完成芯片逻辑功能配置，最终在硬件上实现了控制系统电路逻辑功能。
3仿真结论与开发前景
顶层设计文件编译后进行实验仿真，结果如图6所示，其中脉冲系统S_A12、S_A34是单相全桥逆变器A的控制信号，S_B12、S_B34是单相全桥逆变器B的控制信号，S_C12、S_C34是单相全桥逆变器C的控制信号，显而易见三个单相全桥逆变器控制脉冲信号S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精确，完全满足实验设计所需的品质要求。
采用VHDL硬件描述语言对硬件的功能进行编程，在实验室就能设计获得所需的控制逻辑电路，特点明显，具有传统实验方法根本无法实现的静态可重复编程和动态在系统重构的优势，这大大提升了航空电源控制系统设计的灵活性，实现了硬件的“软件化”。用可编程逻辑器件PLD芯片不但压缩了设计实验周期，减少误差，提高设计系统的精确度（如图6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度缩小控制系统的硬件规模，提高了集成度[1，3]，降低了开发成本，有利于当前航空事业突飞猛进对电源的多样化需求开发，前景广阔。
图6实验功能仿真效果图
参考文献
[1] 王彩凤，胡波，李卫兵，等.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011（1）：8⁃10.
[2] 陆桢，纪志成，沈艳霞.96单片机生成SPWM的软硬件策略[J]. 无锡轻工大学学报，2000，19（3）：287⁃291.
[3] 潘松，黄继业.EDA实用教程[M].北京：科学出版社，2002.
[4] 侯伯亨，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计（修订版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.
[5] 胡兴柳，彭小兵，穆新华.SPWM逆变电源的单极性控制方式实现[J].机电工程，2004，21（1）：169⁃172.
[6] 杜坤梅.数字脉宽调制方法的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2001，4（6）：18⁃22.
整个系统主要由开关模块M_ONOFF、可控时钟分频器M_CLOCK、反馈调制模块M_MANDP、脉冲宽度数值存储器A、B、C：PW_ROM和脉冲发生器M_PWM等模块按一定逻辑对接而成，如图3所示形成了逆变控制逻辑电路的顶层设计文件M_TOP_SPWM，可实现等效面积正弦波脉宽调制法设计所需的脉冲波形系列，用来控制开关器件IGBT的导通和截止状态。
2.2逻辑电路的硬件编译与实现
逆变控制电路的顶层设计文件用VHDL语言编程描述成逻辑电路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）为本实验的EDA设计软件，并在EDA实验开发系统（GW⁃GK系统）上完成仿真和硬件测试实验。首先选用ALTERA公司的EP1K50TC144⁃3芯片，然后如图4，图5所示对此芯片管脚进行输入输出定义、编译，通过ByteBlasterMV并行下载，打印机接口与目标板相连，完成芯片逻辑功能配置，最终在硬件上实现了控制系统电路逻辑功能。
3仿真结论与开发前景
顶层设计文件编译后进行实验仿真，结果如图6所示，其中脉冲系统S_A12、S_A34是单相全桥逆变器A的控制信号，S_B12、S_B34是单相全桥逆变器B的控制信号，S_C12、S_C34是单相全桥逆变器C的控制信号，显而易见三个单相全桥逆变器控制脉冲信号S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精确，完全满足实验设计所需的品质要求。
采用VHDL硬件描述语言对硬件的功能进行编程，在实验室就能设计获得所需的控制逻辑电路，特点明显，具有传统实验方法根本无法实现的静态可重复编程和动态在系统重构的优势，这大大提升了航空电源控制系统设计的灵活性，实现了硬件的“软件化”。用可编程逻辑器件PLD芯片不但压缩了设计实验周期，减少误差，提高设计系统的精确度（如图6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度缩小控制系统的硬件规模，提高了集成度[1，3]，降低了开发成本，有利于当前航空事业突飞猛进对电源的多样化需求开发，前景广阔。
图6实验功能仿真效果图
参考文献
[1] 王彩凤，胡波，李卫兵，等.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011（1）：8⁃10.
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[5] 胡兴柳，彭小兵，穆新华.SPWM逆变电源的单极性控制方式实现[J].机电工程，2004，21（1）：169⁃172.
[6] 杜坤梅.数字脉宽调制方法的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2001，4（6）：18⁃22.
整个系统主要由开关模块M_ONOFF、可控时钟分频器M_CLOCK、反馈调制模块M_MANDP、脉冲宽度数值存储器A、B、C：PW_ROM和脉冲发生器M_PWM等模块按一定逻辑对接而成，如图3所示形成了逆变控制逻辑电路的顶层设计文件M_TOP_SPWM，可实现等效面积正弦波脉宽调制法设计所需的脉冲波形系列，用来控制开关器件IGBT的导通和截止状态。
2.2逻辑电路的硬件编译与实现
逆变控制电路的顶层设计文件用VHDL语言编程描述成逻辑电路后，采用Max+PlusⅡ（Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ）为本实验的EDA设计软件，并在EDA实验开发系统（GW⁃GK系统）上完成仿真和硬件测试实验。首先选用ALTERA公司的EP1K50TC144⁃3芯片，然后如图4，图5所示对此芯片管脚进行输入输出定义、编译，通过ByteBlasterMV并行下载，打印机接口与目标板相连，完成芯片逻辑功能配置，最终在硬件上实现了控制系统电路逻辑功能。
3仿真结论与开发前景
顶层设计文件编译后进行实验仿真，结果如图6所示，其中脉冲系统S_A12、S_A34是单相全桥逆变器A的控制信号，S_B12、S_B34是单相全桥逆变器B的控制信号，S_C12、S_C34是单相全桥逆变器C的控制信号，显而易见三个单相全桥逆变器控制脉冲信号S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精确，完全满足实验设计所需的品质要求。
采用VHDL硬件描述语言对硬件的功能进行编程，在实验室就能设计获得所需的控制逻辑电路，特点明显，具有传统实验方法根本无法实现的静态可重复编程和动态在系统重构的优势，这大大提升了航空电源控制系统设计的灵活性，实现了硬件的“软件化”。用可编程逻辑器件PLD芯片不但压缩了设计实验周期，减少误差，提高设计系统的精确度（如图6所示，可控制到3 ms以下），而且可以高度缩小控制系统的硬件规模，提高了集成度[1，3]，降低了开发成本，有利于当前航空事业突飞猛进对电源的多样化需求开发，前景广阔。
图6实验功能仿真效果图
参考文献
[1] 王彩凤，胡波，李卫兵，等.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011（1）：8⁃10.
[2] 陆桢，纪志成，沈艳霞.96单片机生成SPWM的软硬件策略[J]. 无锡轻工大学学报，2000，19（3）：287⁃291.
[3] 潘松，黄继业.EDA实用教程[M].北京：科学出版社，2002.
[4] 侯伯亨，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计（修订版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.
[5] 胡兴柳，彭小兵，穆新华.SPWM逆变电源的单极性控制方式实现[J].机电工程，2004，21（1）：169⁃172.
[6] 杜坤梅.数字脉宽调制方法的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2001，4（6）：18⁃22.
