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在航空電源系統中，實用DSP編程實現穩定性測量可以很好進行在線的檢測，對電源系統實時的分析判斷，以方便對電源系統進行動態的調整，確保航空電源系統的穩定性。因此，本文設計了一種采用TMS320F2812 DSP芯片為主體的新型的數字控制航空電源的穩定性自我測試診斷方案。本方案中選擇DSP控制的數字移相全橋作為被測系統進行實驗驗證。整個設計的優點就在于，簡單快捷，可移植性強，并且能夠實現由DSP在數字控制電源拓撲的同時，動態的、在線的對系統自身的穩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。傳遞函數可以清楚的說明這一點，如果傳遞函數顯示系統是不穩定的，那么擾動就會被放大，對應電路中將會出現振蕩情況。閉環傳遞函數能夠為確定電源閉環是否穩定提供基本依據。一個穩定的線性定常系統或環節，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，該系統或環節的穩態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，則系統穩態輸出的幅值Ac和相角φ也隨著改變，系統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，也就是傳遞函數，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的傳遞函數，最后判斷出系統是否穩定。 2 設計方案 整個系統由三個模塊組成：由DSP與DDS共同作用的掃頻信號發生模塊；被測系統響應信號的采樣模塊；穩定性判斷模塊。系統的總體框圖如圖1所示。圖2為本系統使用的測試系統一數字控制移相全橋。 3 系統的設計 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、數模轉換器及低通濾波器組成，其基本原理是將波形數據先存儲起來，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據，最后經過數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生。經內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)給系統上電，由DSP向AD9852發出復位信號，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，選擇并行數據輸入方式； (3)給AD9852發送控制字，使AD9852工作狀態由缺省的內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發出外部更新時鐘，更新AD9852內部控制寄存器； (5)DSP發出外部更新信號，至少等待1．0 ms時間使AD9852內部鎖相環鎖定。然后由DSP發送有關信號波形參數給AD9852，對內部控制寄存器內容進行更新，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具體實現。 一般而言，在系統的正常操作下，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： (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，而在副邊端并聯一個適當的電阻，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之后，我們使用AD采樣將激勵信號和響應信號的相關數據傳輸到DSP中。因此，我們在最后一步介紹，采樣以及數據在DSP內部的相關算法處理。 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。 由于掃頻信號源產生的信號頻率是連續變化的，因此根據公式計算出來的fs也是連續變化的，我們將AD外設時鐘由DDS產生，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，可實現與掃頻信號同步地變速率采樣。 將數據采樣到DSP之后，由文獻，我們可以得出被測系統的實頻特性U(ω)和虛頻特性V(ω)的計算公式以及系統的相頻特性θ(ω)的計算公式。U和V為傳遞函數的實部和虛部，式(3)中兩個表達式為離散后的計算公式。 △t為采樣間隔； m為采樣次數。 在DSP中，將采集的數據通過該公式，得到系統的傳遞函數，從而判斷系統的穩定性，實現的穩定性自我判斷的目的。 4 結語 通過上述介紹可知，航空數字電源系統本身的頻率特性自我監測系統，設計較為靈活，性價比較高，具有體積小，使用方便，可移植性強的優點。還可以進一步擴展功能，充分展現數字控制技術的魅力。 |
