航空數(shù)字電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性 自我診斷與分析

0 引言
    在航空電源系統(tǒng)中，實(shí)用DSP編程實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性測(cè)量可以很好進(jìn)行在線的檢測(cè)，對(duì)電源系統(tǒng)實(shí)時(shí)的分析判斷，以方便對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，確保航空電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本文設(shè)計(jì)了一種采用TMS320F2812 DSP芯片為主體的新型的數(shù)字控制航空電源的穩(wěn)定性自我測(cè)試診斷方案。本方案中選擇DSP控制的數(shù)字移相全橋作為被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。整個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就在于，簡(jiǎn)單快捷，可移植性強(qiáng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)由DSP在數(shù)字控制電源拓?fù)涞耐瑫r(shí)，動(dòng)態(tài)的、在線的對(duì)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)的診斷。

1 工作原理 
    對(duì)于航空電源來說，我們關(guān)心的是環(huán)路中小信號(hào)擾動(dòng)或元器件誤差對(duì)變換器的影響：擾動(dòng)應(yīng)該是隨時(shí)間衰減的，而不能被放大。傳遞函數(shù)可以清楚的說明這一點(diǎn)，如果傳遞函數(shù)顯示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，那么擾動(dòng)就會(huì)被放大，對(duì)應(yīng)電路中將會(huì)出現(xiàn)振蕩情況。閉環(huán)傳遞函數(shù)能夠?yàn)榇_定電源閉環(huán)是否穩(wěn)定提供基本依據(jù)。一個(gè)穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，如果在它的輸入端加一個(gè)正弦信號(hào)r(t)=Arsintot，那么，無論從理論上還是實(shí)驗(yàn)上都可以證明，該系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸出是一個(gè)與輸出信號(hào)同頻率的正弦信號(hào)，但振幅和相角不同于輸入。保持輸入信號(hào)的幅值A(chǔ)r不變，將頻率ω從0到∞依次改變，則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出的幅值A(chǔ)c和相角φ也隨著改變，系統(tǒng)輸出量與輸入量幅值比隨頻率變化的特性，稱為幅頻特性，常用A(ω)表示；輸出量與輸入量之間的相位差隨頻率變化的特性，稱為相頻特性，常用φ(ω)表示。兩者合稱為頻率特性或頻率響應(yīng)，常用G(jω)表示，即G(jω)=A(ω)ejφ(ω)它是一個(gè)以頻率ω為自變量的復(fù)變函數(shù)，也就是傳遞函數(shù)，因此，本文的思路是利用小信號(hào)注入的方法，通過激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的幅值和相位變化得到被測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，最后判斷出系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

2 設(shè)計(jì)方案
    整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成：由DSP與DDS共同作用的掃頻信號(hào)發(fā)生模塊；被測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)的采樣模塊；穩(wěn)定性判斷模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。圖2為本系統(tǒng)使用的測(cè)試系統(tǒng)一數(shù)字控制移相全橋。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    按照設(shè)計(jì)思路，我們首先介紹等幅變頻小信號(hào)源的發(fā)生部分。
    在這部分中，分為硬件和軟件兩部分進(jìn)行介紹。硬件上，等幅變頻信號(hào)源由DSP芯片TMS320F2812和DDS芯片AD9852共同組成。DDS一般由相位累加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成，其基本原理是將波形數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來，然后在頻率控制字的作用下，通過相位累加器從存儲(chǔ)器中讀出波形數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波之后輸出。本次設(shè)計(jì)中，參考時(shí)鐘信號(hào)由外接50MHz的石英晶體振蕩器產(chǎn)生。經(jīng)內(nèi)部可編程參考時(shí)鐘相乘器4倍頻后，DDS參考時(shí)鐘頻率為200MHz。在輸出后面濾波器設(shè)計(jì)為80MHz的低通濾波器。
    主要的輸出要求如下：掃頻范圍為：1~80MHz(正弦波)；掃頻非線性：<5％；輸出電壓：0．5V。
    在軟件上，我們給出DSP對(duì)DDS的控制流程：
    (1)給系統(tǒng)上電，由DSP向AD9852發(fā)出復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)需要至少保持1O個(gè)參考時(shí)鐘周期的高電平；
    (2)將S／P SELECT置1，選擇并行數(shù)據(jù)輸入方式；
    (3)給AD9852發(fā)送控制字，使AD9852工作狀態(tài)由缺省的內(nèi)部更新時(shí)鐘模式改變成外部時(shí)鐘更新模式；
    (4)將AD9852時(shí)鐘倍頻器工作的控制字寫入AD9852的I／O緩沖寄存器中，然后由DSP發(fā)出外部更新時(shí)鐘，更新AD9852內(nèi)部控制寄存器；
    (5)DSP發(fā)出外部更新信號(hào)，至少等待1．0 ms時(shí)間使AD9852內(nèi)部鎖相環(huán)鎖定。然后由DSP發(fā)送有關(guān)信號(hào)波形參數(shù)給AD9852，對(duì)內(nèi)部控制寄存器內(nèi)容進(jìn)行更新，使AD9852輸出模擬信號(hào)。
    其次，我們介紹等幅變頻小信號(hào)注入被測(cè)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)。
    一般而言，在系統(tǒng)的正常操作下，要使所注入的測(cè)試信號(hào)是有效的，且不受任何衰減和干擾，則注入點(diǎn)的選擇必須滿足下列兩個(gè)要求：
    (1)信號(hào)回路必須限制為單一路徑；
    (2)在信號(hào)注入點(diǎn)之處，輸出阻抗必須運(yùn)小于輸入阻抗。
    通過對(duì)被測(cè)電源變換器進(jìn)行建模分析，我們找到最佳掃頻信號(hào)注入點(diǎn)，如圖3箭頭所指的地方。

    將測(cè)試掃描信號(hào)注入轉(zhuǎn)換器控制回路中的裝置，可以借助下面三種方式來實(shí)現(xiàn)：
    (1)使用主動(dòng)總和連接注入(active summing junction injection)裝置；
    (2)使用電壓器注入裝置；
    (3)使用電流測(cè)試棒注入裝置。
    在這里使用變壓器來作為注入裝置。具體實(shí)現(xiàn)是：在變壓器T的原邊端連接到掃頻信號(hào)源，而在副邊端并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮瑁赃_(dá)到阻抗匹配的效果，然后將整個(gè)裝置的副邊端串連到被測(cè)系統(tǒng)的適當(dāng)注入點(diǎn)處，這樣就可以進(jìn)行頻率響應(yīng)的測(cè)試了。
    一系列等幅變頻正弦信號(hào)注入到被測(cè)系統(tǒng)之后，我們使用AD采樣將激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中。因此，我們?cè)谧詈笠徊浇榻B，采樣以及數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)部的相關(guān)算法處理。
    我們所使用的TI公司的TMS320F2812DSP芯片，自帶有AD采樣模塊，但是AD采樣頻率為12．5MHz，而變頻信號(hào)源的頻率上限為100MHz，按照奈奎斯特采樣理論，顯然直接采樣并不可行，因此采用欠采樣的方法進(jìn)行響應(yīng)信號(hào)的采樣。文獻(xiàn)中提到，帶通信號(hào)f(t)，其通帶為(f1，f2)。根據(jù)帶通采樣定理，只要fs和被采樣帶寬(f1，f2)滿足式(1)要求，則不必大于2倍最高信號(hào)頻率，仍然可以恢復(fù)出原信號(hào)。

   
式中：N是滿足式(2)的某正整數(shù)。
    由于掃頻信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)頻率是連續(xù)變化的，因此根據(jù)公式計(jì)算出來的fs也是連續(xù)變化的，我們將AD外設(shè)時(shí)鐘由DDS產(chǎn)生，在程序中計(jì)算出掃頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的fs，將其送入DDS的頻率字控制寄存器中，DDS輸出變頻信號(hào)的同時(shí)，輸出同頻率的AD采樣控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)與掃頻信號(hào)同步地變速率采樣。
    將數(shù)據(jù)采樣到DSP之后，由文獻(xiàn)，我們可以得出被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)頻特性U(ω)和虛頻特性V(ω)的計(jì)算公式以及系統(tǒng)的相頻特性θ(ω)的計(jì)算公式。U和V為傳遞函數(shù)的實(shí)部和虛部，式(3)中兩個(gè)表達(dá)式為離散后的計(jì)算公式。

   
    △t為采樣間隔；
    m為采樣次數(shù)。
    在DSP中，將采集的數(shù)據(jù)通過該公式，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性自我判斷的目的。

4 結(jié)語
    通過上述介紹可知，航空數(shù)字電源系統(tǒng)本身的頻率特性自我監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)較為靈活，性價(jià)比較高，具有體積小，使用方便，可移植性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。還可以進(jìn)一步擴(kuò)展功能，充分展現(xiàn)數(shù)字控制技術(shù)的魅力。