基于单片机控制的航空测试用交流电源设计

刘建辉等

摘 要：作为航空测试系统的重要组成部分，航空测试用交流电源不仅关系着测试系统的运行情况，而且对于航空事业的整体发展也具有重要影响。基于此，文章引入单片机，通过对DC/DC直流降压电路和DC/AC逆变电路进行分析，进而对逆变控制信号的生成方式展开研究，以期以更加科学、合理的交流电源为航空测试系统的正常、安全运行提供可靠保障。

关键词：单片机；航空测试；交流电源

前言

航空领域的迅速发展对其测试系统也提出更高的要求，传统的以人工控制为主的航空测试用交流电源已难以满足航空测试系统高精度测试的新要求。因此，文章将研究重点转至具有高稳定性和较高性能的单片机方面，以构建软件的方式使得SPWM脉冲宽度调试的控制波予以生成，进而降低逆变器输出的波形畸变率，从整体上提高交流电源运行的稳定性，具体研究内容如下。

1 系统结构

1.1 航空测试交流电源简介

航空测试用交流电源是能够为航空测试系统在地面进行设备调试与测试时提供可调节的115V/400Hz的高精度交流电的专用电源，其主要被应用在航空交流测试系统用电设备中，通过为系统设备的运行提供高精度的电流，从而确保各类航空设备能够在相对稳定的环境中测试[1]。

1.2 系统结构

系统主要由整流器、DC/DC直流降压电路、DC/AC逆变电路、隔离驱动器以及单片机（P87LPCC768）和UC3846芯片共同构成。当220V的交流电经由整流滤波后，将300V大小的高压直流电予以输出，并使其经过直流降压电路进行降压，由此得到160V的标准高压直流电。随后，将此高压直流电利用单片机控制的逆变桥进行逆变，使其进一步转化为115V/400Hz的交流电压输出，此交流电压输出则为航空测试用电源输出。在此过程中，单片机对整个电路的形成与工作过程实施监控，以确保航空测试用交流电源得以正常、持续工作[2]。

1.3 DC/DC直流降压电路

由上文可知，规格为220V/50Hz的交流电在进行整流后，转变成的直流电压可达到300V，因此，为了确保航空使用交流电源115V/400Hz的交流输出，须将生成的300V高压直流电进行降压，使其达到规格为160V的直流电，从而确保电源输出需要。实现方法可使用推挽变换器，在将开关管数量减至原有全桥方式一半的同时使得整流后的直流电压利用率提升至原有全桥方式的一倍。具体操作如下：

利用UC3846电流型控制芯片对直流降压电路进行控制，使得推挽变换器在工作过程中产生的磁偏能够以周期的形式被抑制，从而令主开关管的电流峰值设置更加方便，同时，促使电路的动态响应更加灵敏。对UC3846进行分析可知，其是一类基于双端输出的电流控制集成芯片，其在电源设计中的优势为具有较少的外界元器件且具有较为简单的外电路装配。UC3846芯片的控制闭合电路有二部分，其一为输出电压反馈的误差放大器，主要功能是与基准电压进行对比，并生成误差电压，其二为电感内电流在反馈电阻中所产生的电压同误差电压做出对比后而产生的调制脉冲宽度。考虑到峰值电感电流实际上是由误差信号控制的，故将UC3846芯片及其外接元件共同组成电流型脉冲宽度调制器。因此，只需对UC3846芯片的外接元件进行设定，进而确保主电路工作频率达到航空测试要求的50kHz[3]。

1.4 DC/AC逆变电路

选取规格为115V/400Hz的全桥逆变正弦波输出电路作为本次基于单片机控制的航空测试用交流电源的DC/AC逆变电路。逆变桥的稳定电压主要由DC/DC直流降压电路的输出电容来提供，所设计的逆变桥电路主要由VM3-VM6构成，其调制方式为双极性，而单片机产生的SPWM互补脉冲则经由硬件延时互锁隔离电路加载至HCPL3120，即隔离驱动光耦的输入端，光耦电源则主要由主变压器线圈所引出的辅助绕组予以提供。在驱动电流方面，考虑到电路的驱动电流是由光耦脉冲输出的门极所提供的，因此，为了避免输出门极间相互影响而产生的桥臂直通使电路出现短路，应在彼此互补的驱动脉冲间设置时长约为2us的死区时间，同时，对于安全工作的死区时间则以硬件互锁和软件编程两种方式进行设定。

2 逆变控制信号生成

利用P87LPC768单片机对文章设计的航空测试交流电源进行控制，对该单片机进行分析可知，其以加速处理器结构为主，在原有的80C5I标准的基础上使得指令执行速度提升原来的2倍。一般情况下，一个机器周期大都由6个振荡周期共同构成，而对于多数指令而言，其执行时间通常为6或12个振荡周期，即2个或4个机器周期，从而实现定时器、精确模拟量比较器和A/D转换器与PWM的输出等相关功能。还需说明的是，由于P87LPC768单片机的引脚个数为20个，而无论是输出口还是输入口，其大都是能够被重复利用的，因此，在进行航空测试电源设计过程中，应由特殊功能寄存器完成其所对应的管脚功能。

本次设计的航空测试用交流电源中，利用单片机提供的PWM输出口将SPWM的驱动脉冲予以输出，而后，在借助A/D转换接口、过载和输入电压进行采样，最终实现电路的保护。其中，SPWM脉冲波的生成应以查表法获得，同时，以调制波和三角波对称规则计算正弦波半周期的单个SPWM波脉宽，并以此为依据，制定出SPWM脉冲宽度表，将其存储至单片机程序存储器中。在系统初始化后，便进入脉冲宽度表的自动查询流程，并从PWM口将当前电流输出所需的脉冲宽度予以输出，最后，经由硬件互锁隔离电路获取逆变桥开关驱动脉冲，实现对逆变桥的驱动。

3 实验测试与结果分析

利用文章的设计方案对飞机的测试系统进行供电前，首先进行了纯电阻、纯电容以及电感实验。在进行电容与电感实验时，将测试系统负载功率因数进行调整（调至0.7），并将交流直流输入电压分别设定为220V和160V，以双极性调制的方法对电路逆变桥进行调制，并将载波频率和调制波频率分别设置为10kHz和400Hz，同时，将调制比调至0.9，将直流侧电容C调至220uF。实验结果表明，逆变器所输出的波形同理想的正弦波相接近，而电容性与电感性负载所输出的电压电流波形并未发生严重畸变，且在单片机作用下，能够较好地实现交流电压的平稳输出，并使其满足不同频率的变化，为航空测试系统的安全、有效运行提供可靠保障。

4 结束语

文章通过对航空测试交流电源进行简要概述，进而对电源的系统结构、DC/DC直流降压电路和DC/AC逆变电路等展开了设计和分析，并对逆变控制信号的生成方式做出探究。研究结果表明，文章所设计的航空测试交流电源能够较好地满足航空测试系统的相关要求，对于航空测试交流电源领域的后续研究具有重要的借鉴意义和应用价值。

参考文献

[1]傅元，张钦，丁振宇.基于单片机控制的精密交流步进电源[J].仪器仪表用户，2015，1（5）：44-46.

[2]芦守平，姜瀚文，徐千.基于单片机控制的程控开关电源研究[J].电子技术应用，2011，5（11）：78-81.

[3]卢旭锦，王永强.基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源[J].现代电子技术，2013，8（15）：149-152.