DDS技術(shù)在機(jī)場(chǎng)助航燈恒流調(diào)光器系統(tǒng)中的應(yīng)用
DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)是一種實(shí)用的新型頻率合成技術(shù)。隨著數(shù)字集成電路與微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，這種頻率合成方式顯示出了極高的性價(jià)比，具體體現(xiàn)在頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)及控制靈活方便等方面。
機(jī)場(chǎng)助航燈系統(tǒng)中，恒流調(diào)光器是核心控制設(shè)備，國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)現(xiàn)行使用的恒流調(diào)光器都是屬于以晶閘管為開關(guān)器件的相控調(diào)壓技術(shù)產(chǎn)品。這種電力電子裝置存在著網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低以及向電網(wǎng)注入諧波電流的兩大電力公害。隨著IGBT作為一種新的功率開關(guān)器件得到廣泛的應(yīng)用，本文以IGBT代替?zhèn)鹘y(tǒng)的晶閘管，將DDS技術(shù)應(yīng)用于SPWM波形的發(fā)生，可以方便的對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)壓調(diào)頻，同時(shí)提高了SPWM輸出波形的品質(zhì)。
l 助航燈正弦波恒流調(diào)光器的工作原理
助航燈調(diào)光器主回路采用AC—DC—AC方案，由整流和逆變組成，如圖1所示。
整流部分采用二極管全橋不控整流，將三相交流電變?yōu)橹绷鳎孀儾糠植捎弥悄芄β誓KIPM輸出單相等效正弦電壓，通過LC濾波得到正弦電壓經(jīng)升壓變壓器輸出到機(jī)場(chǎng)燈光回路。其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
恒流調(diào)光器的作用就是將工頻的交流電源變成電壓調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)的恒流源，調(diào)光器可以控制電流分級(jí)輸出，從而控制助航燈的光強(qiáng)等級(jí)，當(dāng)回路負(fù)載發(fā)生變化時(shí)通過調(diào)光器的作用使負(fù)載電流保持不變。
2 DDS技術(shù)的基本原理
DDS技術(shù)是從正弦函數(shù)的相位出發(fā)，通過調(diào)節(jié)頻率控制字直接產(chǎn)生所需的各種不同頻率的信號(hào)，主要由參考頻率源、相位累加器、正弦ROM表、D／A轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成，如圖3所示。其信號(hào)生成的具體過程是：在參考時(shí)鐘頻率fc的控制下，將頻率控制字k送入相位累加器。用其輸出作為正弦ROM表的查找地址而對(duì)其進(jìn)行查找，后者中的每個(gè)地址代表周期正弦波的一個(gè)相位點(diǎn)，每點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化的幅值，相當(dāng)于一個(gè)相位／幅值變換器，查找后的數(shù)據(jù)經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器得到的是階梯波，最后經(jīng)低通濾波器對(duì)階梯波進(jìn)行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波，如圖3所示。
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為了形象地說明DDS相位量化的工作原理，可將正弦波在一個(gè)完整周期內(nèi)的相位變化用相位圓來(lái)表示，相位和幅值是一一對(duì)應(yīng)的，如圖4所示。N位相位累加器對(duì)應(yīng)相位圓上的2N個(gè)相位點(diǎn)，圖中相位累加器的位數(shù)N=4，共有16個(gè)幅度碼與0°～360°中的16個(gè)相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)，幅度碼存儲(chǔ)在ROM中，在k的作用下，相位累加器對(duì)ROM進(jìn)行尋址，完成相位／幅值轉(zhuǎn)換。DDS輸出信號(hào)頻率fc和fc以及頻率控制字k之間的關(guān)系為：fo=fck/2N
3 基于DDS技術(shù)的SPWM波形的生成
3．1 SPWM波形生成的步驟
本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用DSPTMS320LF240A，利用片上自帶的事務(wù)管理器(EVA)模塊代替了傳統(tǒng)DDS技術(shù)波形產(chǎn)生中的D／A模塊，如圖5所示。將一個(gè)周期劃分為l 024個(gè)點(diǎn)，用于保證波形的平滑程度。具體的過程可分為以下幾個(gè)步驟：
1)選定頻率控制字進(jìn)行相位累加
在ROM(利用2407A的ROM)中建立的是一個(gè)大小為2M個(gè)點(diǎn)的正弦表(M=10)，相位累加器(N位，N=32)，在每個(gè)載波周期內(nèi)與產(chǎn)生的相位增量k(頻率控制字)相累加。
根據(jù)所要求的輸出頻率fo，當(dāng)Tc選定后由(2)式即可求出k。正弦數(shù)據(jù)表的實(shí)際大小是1 024個(gè)點(diǎn)，選用32位累加器低16位的低十位對(duì)正弦表進(jìn)行尋址。在這種情況下，給定k就決定了輸出調(diào)制正弦波的頻率。通過設(shè)置k值的不同可以產(chǎn)生不同輸出頻率的正弦波，根據(jù)實(shí)際要求計(jì)算出頻率控制字，使相位累加器開始工作，將后者的低十位作為地址去查找正弦表中當(dāng)前相位所對(duì)應(yīng)的幅值TEMP。助航燈調(diào)光器要求輸出電壓頻率不變，因而頻率控制字不需要改變。
2)根據(jù)調(diào)光要求計(jì)算調(diào)制比
助航燈連接在隔離變壓器的次級(jí)，燈泡發(fā)光強(qiáng)度與回路中的電流IH成正比，通過改變回路中電流IH的大小調(diào)節(jié)燈泡的亮度，助航燈恒流調(diào)光器可人為設(shè)定為五級(jí)電流(2．8A、3．4A、4．1A、5．2A、6．6A)，回路電流，。由升壓變壓器初級(jí)電壓UL決定，設(shè)燈光回路總負(fù)載為Z，則有：
M為升壓變壓器的變比。由上式可知燈光回路電流IH是隨著升壓變壓器的初級(jí)端電壓成比例變化的。我們可根據(jù)外界要求的光級(jí)設(shè)定好電流值，進(jìn)一步求出UL的值，再根據(jù)公式：
M=UL／UC(UC是直流測(cè)電壓)
從而可以計(jì)算出調(diào)制比，由計(jì)算出的調(diào)制比對(duì)正弦表中檢索出的幅值進(jìn)行調(diào)幅，即可得到所需的電壓。參考波的正弦幅值為：
Temp=Temp0·M
(Temp0為正弦ROM表中的幅值)
3)SPWM波形的產(chǎn)生
將調(diào)幅后的結(jié)果送入EVA模塊的比較寄存器，通過設(shè)置定時(shí)l的周期寄存器T1PR，可使其在連續(xù)增／減計(jì)數(shù)模式下產(chǎn)生載波信號(hào)，其中斷周期是載波周期，如圖6示。在此計(jì)數(shù)模式下，定時(shí)器1計(jì)數(shù)器(T1 CNT)從0開始遞增至周期寄存器(T1PR)的值后又遞減到0，如此循環(huán)反復(fù)。在其不斷計(jì)數(shù)的同時(shí)，比較單元的比較邏輯也在不斷將定時(shí)器l計(jì)數(shù)器的值和比較寄存器的值進(jìn)行比較，由于助航燈光的電源系統(tǒng)需要四路PWM波形，因而在幅值的設(shè)置上使其中的兩個(gè)比較單元一樣，讓二者和周期寄存器的值進(jìn)行比較，相位累加器的采樣頻率與載波頻率相同，每一個(gè)載波周期，比較單元的值更新一次，并與定時(shí)器1的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值T1CNT與CMPR相匹配時(shí)，DSP內(nèi)部的PWM電路將根據(jù)比較方式控制寄存器和死區(qū)控制寄存器的設(shè)定輸出邏輯輸出PWM波形。
[!--empirenews.page--]3．2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)
1)硬件實(shí)現(xiàn)
硬件實(shí)現(xiàn)包括硬件初始化和PWM初始化，PWM初始化包括下列寄存器的初始化T1PR(周期寄存器)，ACTRA(動(dòng)作控制寄存器)，DBTCONA(死區(qū)控制寄存器)，COMCONA(比較控制寄存器)，T1CON(定時(shí)器l控制寄存器)。
2)軟件實(shí)現(xiàn)
DSP的控制系統(tǒng)程序主要由主程序和中斷服務(wù)子程序，中斷服務(wù)子程序用于產(chǎn)生正弦脈寬SPWM信號(hào)，主程序主要進(jìn)行初始化以及等待中斷的到來(lái)，設(shè)置TlCON后，定時(shí)器1開始工作，并重新開啟中斷。圖7為初始化程序的流程圖。圖8為T1定時(shí)器下溢中段子程序流程圖。
3)系統(tǒng)的總體框圖見圖9。
4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
選擇載波頻率fc=4kHz，死區(qū)時(shí)間為3．2μs．輸出頻率fo=50Hz；助航燈恒流調(diào)光器三相輸入電壓為380V／50Hz，圖10是在某負(fù)載下不同光級(jí)給定時(shí)(一級(jí)光、五級(jí)光)對(duì)應(yīng)電流絕對(duì)值波形，橫軸為時(shí)間軸，單位為250μs，縱坐標(biāo)為電流瞬時(shí)值，單位為O．67mA。試驗(yàn)表明系統(tǒng)的輸出波形質(zhì)量高，在相同負(fù)載不同光級(jí)間的切換時(shí)間不超過ls，動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了在機(jī)場(chǎng)助航燈調(diào)光器系統(tǒng)中應(yīng)用DDS技術(shù)來(lái)產(chǎn)生SPWM波形的原理和具體實(shí)現(xiàn)過程，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果說明其輸出波形質(zhì)量高，總諧波含量少，方法簡(jiǎn)便可靠。
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