電力電子電路的數字化控制技術(shù)

摘要：闡述了單片機、數字信號處理器和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列的性能特點(diǎn)和在電力電子電路數字化控制中的應用，展望了電力電子電路控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：電力電子電路；數字控制；單片機；數字信號處理器；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列

1引言

電力電子器件經(jīng)歷了工頻、低頻、中頻到高頻的發(fā)展歷程，與此相對應，電力電子電路的控制也從最初以相位控制為手段的由分立元件組成的控制電路發(fā)展到集成控制器，再到如今的旨在實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)的計算機控制，并向著(zhù)更高頻率、更低損耗和全數字化的方向發(fā)展。模擬控制電路存在控制精度低、動(dòng)態(tài)響應慢、參數整定不方便、溫度漂移嚴重、容易老化等缺點(diǎn)。專(zhuān)用模擬集成控制芯片的出現大大簡(jiǎn)化了電力電子電路的控制線(xiàn)路，提高了控制信號的開(kāi)關(guān)頻率，只需外接若干阻容元件即可直接構成具有校正環(huán)節的模擬調節器，提高了電路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模擬控制電路的固有缺陷，如元件參數的精度和一致性、元件老化等問(wèn)題仍然存在。此外，模擬集成控制芯片還存在功耗較大、集成度低、控制不夠靈活、通用性不強等問(wèn)題。

用數字化控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規模擬調節器難以克服的缺點(diǎn)，有利于參數整定和變參數調節，便于通過(guò)程序軟件的改變方便地調整控制方案和實(shí)現多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數目、簡(jiǎn)化硬件結構，從而提高系統的可靠性。此外，還可以實(shí)現運行數據的自動(dòng)儲存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現電力電子裝置運行的智能化。

2電力電子電路的單片機控制

單片機是一種在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定時(shí)器/計數器和I/O接口等單元的微控制芯片，具有速度快、功能強、效率高、體積小、性能可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，在各種控制系統中應用廣泛。單片機的CPU經(jīng)歷了由4、8、16、32直至64位的發(fā)展過(guò)程，主要以美國INTEL公司生產(chǎn)的MCS－51（8位）和MCS－96（16位）兩大系列為代表。

在電力電子電路中,單片機主要用作數據采集和運算處理、電壓電流調節、PWM信號生成、系統狀態(tài)監控和故障自我診斷等，一般作為整個(gè)電路的主控芯片運行，完成多種綜合功能。文獻[1]利用80C196KC型單片機實(shí)現了一種對DC/DC變換器的新型控制方法——雙調制高頻PWM控制，解決了數字化PWM中高頻與精度之間的矛盾。文獻[2]介紹了一種采用80C196MC16位單片機為主構成控制電路的并網(wǎng)逆變器，如圖1所示。其中單片機

配合D/A轉換器和MOSFET功率模塊實(shí)現SPWM正弦脈寬調制、電流同步跟蹤、并網(wǎng)逆變/獨立逆變的切換控制等功能。逆變器并網(wǎng)運行時(shí)，要求輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一個(gè)過(guò)零脈沖信號，加到單片機80C196MC的EPA捕捉中斷輸入口P2.1上，完成以此為基準時(shí)間點(diǎn)的正弦波數據的依次輸出。一個(gè)周期的單位正弦波數據采用表格的形式存放于EPROM中，然后由單片機按定時(shí)時(shí)間依次送到雙路8位D/A中的一路，由D/A將這些數據轉換成模擬信號，即單位幅值的標準正弦波。逆變器獨立供電時(shí)，主要進(jìn)行輸出電壓控制，單片機內含的三相波形發(fā)生器（WG）可提供三對PWM信號，它們具有相同的周期和死區時(shí)間，占空比則可以通過(guò)編程隨意設定。另外，電路中的單片機還具有對過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等情況的中斷保護以及監控功能。

單片機控制克服了模擬電路的固有缺陷，通過(guò)數字化的控制方法，得到高精度和高穩定度的控制特性，并可實(shí)現靈活多樣的控制功能。但是，單片機的工作頻率與控制精度是一對矛盾，而且處理速度也很難滿(mǎn)足高頻電路的要求，這就使人們不得不轉而尋求功能更強的芯片的幫助，于是，DSP應運而生。

3電力電子電路的DSP控制

數字信號處理器(DSP)是近年來(lái)迅速崛起的新一代可編程處理器，其內部集成了波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速同步串口和標準異步串口，有的片內還集成了采樣/保持和A/D轉換電路，并提供PWM信號輸出。與單片機相比，DSP具有更快的CPU、更高的集成度和更大容量的存儲器。DSP屬于精簡(jiǎn)指令系統計算機（RISC），大多數指令都能在一個(gè)周期內完成，并可通過(guò)并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期內完成多條指令。同時(shí)，DSP采用改進(jìn)的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時(shí)存儲程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增加了多級流水線(xiàn)，使其具有高速的數據運算能力。而單片機為復雜指令系統計算機（CISC），多數指令要2～3個(gè)指令周期才能完成。單片機采用諾依曼結構，程序和數據在同一空間存儲，同一時(shí)刻只能單獨訪(fǎng)問(wèn)指令或數據。單片機的ALU只能做加法，而乘法則需要由軟件來(lái)實(shí)現，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機相比，DSP執行單指令的時(shí)間快8～10倍，一次乘法運算時(shí)間快16～30倍[3]。

在電力電子裝置中，DSP主要完成主電路控制、系統實(shí)時(shí)監控及保護、系統通信等功能。應用的具體電路包括UPS逆變控制電路、交流電機調速電路、功率因數校正電路和諧波抑制電路等。文獻[4]研制了一種1～2kVA小型單相在線(xiàn)式UPS，采用以TMS320F240（包含專(zhuān)用PWM產(chǎn)生電路、兩路10位A/D采樣通道、28個(gè)復用I/O口）為核心的數字化控制電路，完成系統級控制和逆變器（開(kāi)關(guān)頻率為20kHz）控制。仿真和實(shí)驗表明，電路輸出穩定、動(dòng)靜態(tài)特性良好。DSP在系統中還承擔數字鎖相、檢測、顯示控制以及與上位機的通信功能。文獻[5]介紹了利用TMS320F240型DSP控制電機運行的實(shí)現方法。F240具有20MIPS的高速處理能力和面向電機控制的專(zhuān)用外圍設備，能實(shí)時(shí)產(chǎn)生空間向量對稱(chēng)PWM波形，實(shí)現包括電流環(huán)在內的全數字調制。文獻[6]介紹了采用由DSP和微處理器構成雙PWM控制的變流器的工作原理和硬件構成，電路具有結構簡(jiǎn)單、控制靈活、實(shí)時(shí)性好、功率因數高等特點(diǎn)，對諧波具有非常好的抑制效果。文獻[7]用DSP芯片TMS320F240實(shí)現了輸出功率為2kW的單相PFC電路的數字控制。圖2為控制系統原理圖，開(kāi)關(guān)頻率為33kHz。實(shí)驗測得功率因數0.994，效率95％。

雖然DSP有著(zhù)許多優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些局限性，如采樣頻率的選擇、PWM信號頻率及其精度、采樣延時(shí)、運算時(shí)間及精度等。這些因素會(huì )或多或少地影響電路的控制性能。

圖1并網(wǎng)逆變器電路原理框圖

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