當前航空電源型號各異，種類龐雜，應該說綜合性能還不夠高。特別是隨著航空器的不斷發(fā)展，其對電源保障需求面臨諸多新挑戰(zhàn)。因此，研制先進電源保障設備，提高其通用性、綜合性，可為現有各類航空器提供通用配套保障，不但能夠適應航空器換代的需要，提高其實用性，而且可以壓縮保障裝備設備的數量和規(guī)模。研究事例為航空逆變電源，其特性是負載三相平衡的前提下，能夠保證三相電壓的幅值、相位始終處于平衡。構成的組合式三相全橋逆變電路見圖1。本文引入了技術現代電子設計自動化技術(EDA)，綜合運用非常超高速集成電路硬件描述語言設計語言(VHDL)和可編程邏輯電路(PLD)元器件進行控制邏輯的設計與實現，對組合式三相逆變電路進行狀態(tài)控制，獲得要求的輸出電壓及波形。

圖1 組合式逆變電路示意圖

1 正弦脈寬調制方案的設計與計算

脈寬調制(Pulse-width Modulation，PWM)是在固定頻率下，設計一定規(guī)律的脈寬系列，控制逆變器的開關器件的導通及截止狀態(tài)，在輸出端獲取所需航空電源，滿足設計的品質要求。

1.1 等效面積法的數學模型

采納等效面積正弦波脈寬調制(SPWM)生成法，具有輸出波形諧波量小，波形接近正弦波形而且算法簡單等優(yōu)勢特點。

先把理想正弦波劃分為若干等份，如圖2所示，某一等份的弧線與時間軸形成的面積等同于某矩形脈寬，前提是矩形脈寬中點與弧線投影的中心點在時間軸上重合，且兩者面積相等，劃分的等份數量越大，整個矩形脈沖系列就越近似于設計所需的理想正弦波形，其中，矩形脈寬就是用于控制逆變器上元器件的導通、截止狀態(tài)。

圖2 等效面積算法SPWM生成模型

如第k個脈沖，其的正弦波形弧線垂直向下與時間軸形成的面積為SAk，與其等效的脈沖矩形面積為SRk，易得到公式：

式中：調制參數為M;理想正弦波被劃分為N等份。

每等份的時間寬度為θk，每等份的時間軸中點為αmk，等效面積的矩形寬度(相當于導通時間)為θpk，等效面積的矩形前后兩端剩余時間(相當于截止時間)寬度為θnk，計算公式分別是：

1.2 設計計算及數據生成

設定一定數值后，通過上述等式和公式，利用數學工具Matlab軟件進行數值計算，生成表1和脈沖數據。

表1 脈沖系列數據

2 軟、硬件的設計與實現

2.1 軟件設計與實現

控制電路的硬件采用PLD元器件，并基于VHDL語言進行設計達成所需的邏輯功能，做到數字化控制。整個系統(tǒng)主要由開關模塊M_ONOFF、可控時鐘分頻器M_CLOCK、反饋調制模塊M_MANDP、脈沖寬度數值存儲器A、B、C：PW_ROM和脈沖發(fā)生器M_PWM等模塊按一定邏輯對接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設計文件M_TOP_SPWM，可實現等效面積正弦波脈寬調制法設計所需的脈沖波形系列，用來控制開關器件IGBT的導通和截止狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)對接圖

2.2 邏輯電路的硬件編譯與實現

逆變控制電路的頂層設計文件用VHDL 語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ(Multiple Array MatriX Programmable Logic User SystemⅡ)為本實驗的EDA設計軟件，并在EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)(GW-GK系統(tǒng))上完成仿真和硬件測試實驗。首先選用ALTERA 公司的EP1K50TC144-3芯片，然后如圖4，圖5所示對此芯片管腳進行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機接口與目標板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實現了控制系統(tǒng)電路邏輯功能。

圖4 芯片引腳的鎖定分配

圖5 連接下載

3 仿真結論與開發(fā)前景

頂層設計文件編譯后進行實驗仿真，結果如圖6所示，其中脈沖系統(tǒng)S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號，S_C12、S_C34 是單相全橋逆變器C 的控制信號，顯而易見三個單相全橋逆變器控制脈沖信號S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實驗設計所需的品質要求。

圖6 實驗功能仿真效果圖

采用VHDL硬件描述語言對硬件的功能進行編程，在實驗室就能設計獲得所需的控制邏輯電路，特點明顯，具有傳統(tǒng)實驗方法根本無法實現的靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構的優(yōu)勢，這大大提升了航空電源控制系統(tǒng)設計的靈活性，實現了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設計實驗周期，減少誤差，提高設計系統(tǒng)的精確度(如圖6所示，可控制到3ms以下)，而且可以高度縮小控制系統(tǒng)的硬件規(guī)模，提高了集成度，降低了開發(fā)成本，有利于當前航空事業(yè)突飛猛進對電源的多樣化需求開發(fā)，前景廣闊。