基于DSP的航空发电机检测电路的设计

郭凤琴，刘玉儒

（1.海军装备部航空技术保障部，北京 100071；2.烟台大学，山东 烟台 264005）

现代飞机的电子设备越来越多，这对机载电源系统的容量、供电质量以及可靠性提出了很高的要求[1-2]。传统上，飞机电源系统上使用的发电机控制器均是由模拟电路构成的，这种发电机控制器具有模拟反馈信号线性差、无法与中央控制系统或电源管理系统实现信息交换、参数调整不方便，不易于进行故障诊断等缺点[3]。

随着微电子技术的发展，微机和数字控制处理芯片的运算能力得到很大的提高，全数字化控制系统将不断取代传统的模拟器控制系统是发展趋势，考虑到交流发电机的控制系统是强非线性、复杂的系统，因此本文将针对机载同步发电机的控制器，设计采用DSP 处理器的数字化控制检测电路，具有通用性好、抗干扰能力强和便于实时控制等优点。

1 发电机控制器的检测电路设计

发电机的控制系统主要由电压调节器和控制保护系统组成。调压器是发电机控制系统的重要组成部分，直接影响发电机的运行特性，调压器应能自动调节发电机端电压，维持发电机端电压在给定水平上。控制保护系统主要是检测发电机出现过压、欠压、过频、欠频及差动电流过大等故障时，能将故障信号送入到DSP的功率驱动保护中断输入引脚，将PWM 输出引脚置为高阻态，以实现对系统的保护。

总体结构框图如图1所示。

图1 基于DSP的发电机控制器硬件总体结构框图

以TMS320LF2407A 芯片为本文中的DSP 发电机控制器运算控制核心，利用芯片事件管理器中的捕获单元CAP1 捕获到同步信号的上升沿，作为采样的起点；对发电机的机端电压进行高速交流采样，对励磁电流进行直流采样，采样完成后，由快速傅里叶算法或均方根算法，计算出机端电压。采样得到的电量送往控制调节模块用于计算PWM 波的占空比。

1.1 模/数转换电路

模拟量采集电路的任务是将检测到的电压和电流转换成标准的模拟电信号，再经过模/数转换器（A/D）变换成数字量，以便DSP 能够进行相应的数据处理和判断并作出相应的控制。模拟量采集电路主要由信号检测电路、多路开关、采样/保持电路和A/D转换器组成，原理图见图2。

采用TMS320LF2407A 芯片内置的采样/保持电路和A/D转换器，无须外置的相应电路。

TMS320LF2407A的ADC模块的原理框图如图3所示[4]。

TMS320LF2407A 芯片的ADC模块包括：带有内部采样保持电路的10 位A/D转换器，A/D转换器有16个模拟输入引脚和可单独访问的16个结果寄存器。当ADC 收到启动转换的请求，可以自动进行多路转换，转换完成后，数字结果将存储到对应的结果寄存器中[4]。

图2 模拟量采集电路原理图

图3 ADC模块的原理框图

1.2 交流信号检测调理

信号检测电路是对同步发电机控制器所需的物理量进行检测，再把高电压大电流信号变成低电压信号的过程。调理电路是把外部检测到的物理量在送到DSP 之前，调理到DSP 允许的电压范围之内[5]。

采用检测精度高，反应灵敏的霍尔传感器与由运算放大器组成的电平抬升电路作为DSP 发电机控制器模拟量采集电路的电压信号检测调理电路，其原理图如图4所示。

电压检测电路采用LEM 公司LV系列的电压检测用霍尔传感器LV28-P 器件，主要用于测量直流、交流和脉冲电压，如图4a）所示。LV28-P 霍尔电压传感器适用于测量电压范围为10～500 V，原边额定有效值电流为10 mA，原边电流测量范围为−14～+14 mA，为使传感器达到最佳精度，应通过选择R001 使原边额定有效值电流输入为10 mA。传感器的输出为电流，经过一精密电阻转化成电压信号后再连接一个电压跟随器以提高输入阻抗。

A/D 调理电路采用精密线性光耦器件HCNR200 进行内外部电源的隔离，如图4b）所示。HCNR200 隔离电压峰值高达8 000 V，输出跟随输入变化，线性度达0.01%。系统中利用HCNR200工作在光电压模式下（从第二级运放到第三级运放部分）实现增益为1的输出方式。检测电路检测到的电压信号，还送往保护电路，产生保护信号。

图4 电压检测调理电路

1.3 直流信号检测调理

采用霍尔电流传感器检测励磁电流。励磁电流作为待测电流接入霍尔电流传感器，由传感器的输出端输出与励磁电流成比例的检测电流，经过精密电阻R048可获得与励磁电流成正比的电压，此电压调整到0～3.3 V，直接接入TMS320LF2407A的ADCIN 引脚。励磁电流检测调理电路原理图如图5所示。

1.4 同步信号电路

同步信号电路将交流电压信号整形成同周期的方波信号，送入DSP 发电机控制器的捕获单元，当捕获到方波信号的上升沿时，产生中断申请，作为同步采样的起点。在交流采样中，频率跟踪采样，实质上是指实时检测信号的周期，根据信号周期随时调整采样间隔。

同步信号电路主要由滤波电路、LM339 过零比较电路、6N136 光电隔离等元件组成。为了防止同步电压中夹杂有高频的干扰信号，而使得同步信号电路产生不正确的同步方波信号，影响数据采集和计算。在同步电压输入到LM339 之前，采用了低通滤波电路对输入的同步电压信号进行滤波。通过LM339 完成同步电压的过零点检测，形成同步方波信号。最后经过光电隔离器件6N136 与DSP 进行隔离。同步信号电路原理图如图6所示。

图5 励磁电流检测调理电路原理图

图6 同步信号电路原理图

2 结论

本文给出了基于TMS320LF2407A DSP的发电机数字控制器的总体方案设计，并设计了详细的发电机控制器硬件检测外围电路，包括模/数转换电路、交流信号检测调理、直流信号检测调理、同步信号电路等电路，实现了输入/输出信号与DSP 芯片的隔离，保证了发电机数字控制器的正常工作。

[1]胡育文.全电飞机中的航空电源系统[C]//中国航空学会控制与应用第十一届学术年会论文集.烟台:海军航空工程学院,2004:19-24.

[2]刘建英,杨建中.飞机电源系统[M].北京:兵器工业出版社,2004:32-33.

[3]陈志辉.无刷发电机数字调压技术的研究[D].南京:南京航空航天大学,2000.

[4]张雄伟,曹铁勇.DSP 芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社,2000:1-13.

[5]王瑾.飞机无刷发电机及其电压调节技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2000.