航空數(shù)字電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性自我診斷與分析

時間：2008-11-03 21:18:00

關鍵字：電源系統(tǒng) 數(shù)字電源 BSP AD9852

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0 引言
在航空電源系統(tǒng)中，實用DSP編程實現(xiàn)穩(wěn)定性測量可以很好進行在線的檢測，對電源系統(tǒng)實時的分析判斷，以方便對電源系統(tǒng)進行動態(tài)的調整，確保航空電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本文設計了一種采用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系統(tǒng)進行實驗驗證。整個設計的優(yōu)點就在于，簡單快捷，可移植性強，并且能夠實現(xiàn)由DSP在數(shù)字控制電源拓撲的同時，動態(tài)的、在線的對系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性進行實時的診斷。

1 工作原理
對于航空電源來說，我們關心的是環(huán)路中小信號擾動或元器件誤差對變換器的影響：擾動應該是隨時間衰減的，而不能被放大。傳遞函數(shù)可以清楚的說明這一點，如果傳遞函數(shù)顯示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，那么擾動就會被放大，對應電路中將會出現(xiàn)振蕩情況。閉環(huán)傳遞函數(shù)能夠為確定電源閉環(huán)是否穩(wěn)定提供基本依據(jù)。一個穩(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正弦信號r(t)=Arsintot，那么，無論從理論上還是實驗上都可以證明，該系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸出是一個與輸出信號同頻率的正弦信號，但振幅和相角不同于輸入。保持輸入信號的幅值Ar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Ac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，常用G(jω)表示，即G(jω)=A(ω)ejφ(ω)它是一個以頻率ω為自變量的復變函數(shù)，也就是傳遞函數(shù)，因此，本文的思路是利用小信號注入的方法，通過激勵信號和響應信號的幅值和相位變化得到被測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，最后判斷出系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

2 設計方案
整個系統(tǒng)由三個模塊組成：由DSP與DDS共同作用的掃頻信號發(fā)生模塊；被測系統(tǒng)響應信號的采樣模塊；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)使用的測試系統(tǒng)一數(shù)字控制移相全橋。

3 系統(tǒng)的設計
    按照設計思路，我們首先介紹等幅變頻小信號源的發(fā)生部分。
    在這部分中，分為硬件和軟件兩部分進行介紹。硬件上，等幅變頻信號源由DSP芯片TMS320F2812和DDS芯片AD9852共同組成。DDS一般由相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉換器及低通濾波器組成，其基本原理是將波形數(shù)據(jù)先存儲起來，然后在頻率控制字的作用下，通過相位累加器從存儲器中讀出波形數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過數(shù)模轉換和低通濾波之后輸出。本次設計中，參考時鐘信號由外接50MHz的石英晶體振蕩器產(chǎn)生。經(jīng)內(nèi)部可編程參考時鐘相乘器4倍頻后，DDS參考時鐘頻率為200MHz。在輸出后面濾波器設計為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DDS的控制流程：
    (1)給系統(tǒng)上電，由DSP向AD9852發(fā)出復位信號，此信號需要至少保持1O個參考時鐘周期的高電平；
    (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)部更新時鐘模式改變成外部時鐘更新模式；
    (4)將AD9852時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)出外部更新時鐘，更新AD9852內(nèi)部控制寄存器；
    (5)DSP發(fā)出外部更新信號，至少等待1．0 ms時間使AD9852內(nèi)部鎖相環(huán)鎖定。然后由DSP發(fā)送有關信號波形參數(shù)給AD9852，對內(nèi)部控制寄存器內(nèi)容進行更新，使AD9852輸出模擬信號。
    其次，我們介紹等幅變頻小信號注入被測系統(tǒng)具體實現(xiàn)。
    一般而言，在系統(tǒng)的正常操作下，要使所注入的測試信號是有效的，且不受任何衰減和干擾，則注入點的選擇必須滿足下列兩個要求：
    (1)信號回路必須限制為單一路徑；
    (2)在信號注入點之處，輸出阻抗必須運小于輸入阻抗。
    通過對被測電源變換器進行建模分析，我們找到最佳掃頻信號注入點，如圖3箭頭所指的地方。

    將測試掃描信號注入轉換器控制回路中的裝置，可以借助下面三種方式來實現(xiàn)：
    (1)使用主動總和連接注入(active summing junction injection)裝置；
    (2)使用電壓器注入裝置；
    (3)使用電流測試棒注入裝置。
    在這里使用變壓器來作為注入裝置。具體實現(xiàn)是：在變壓器T的原邊端連接到掃頻信號源，而在副邊端并聯(lián)一個適當?shù)碾娮?，以達到阻抗匹配的效果，然后將整個裝置的副邊端串連到被測系統(tǒng)的適當注入點處，這樣就可以進行頻率響應的測試了。
    一系列等幅變頻正弦信號注入到被測系統(tǒng)之后，我們使用AD采樣將激勵信號和響應信號的相關數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中。因此，我們在最后一步介紹，采樣以及數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)部的相關算法處理。
    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行響應信號的采樣。文獻中提到，帶通信號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倍最高信號頻率，仍然可以恢復出原信號。

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