電力電子電路的數(shù)字化控制技術(shù)

摘要：闡述了單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的性能特點(diǎn)和在電力電子電路數(shù)字化控制中的應(yīng)用，展望了電力電子電路控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：電力電子電路；數(shù)字控制；單片機(jī)；數(shù)字信號(hào)處理器；現(xiàn)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(duì)應(yīng)，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(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)的計(jì)算機(jī)控制，并向著更高頻率、更低損耗和全數(shù)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(yīng)慢、參數(shù)整定不方便、溫度漂移嚴(yán)重、容易老化等缺點(diǎn)。專(zhuān)用模擬集成控制芯片的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了電力電子電路的控制線路，提高了控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率，只需外接若干阻容元件即可直接構(gòu)成具有校正環(huán)節(jié)的模擬調(diào)節(jié)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(shù)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(qiáng)等問(wèn)題。

用數(shù)字化控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn)，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過(guò)程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數(shù)目、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。此外，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現(xiàn)電力電子裝置運(yùn)行的智能化。

2電力電子電路的單片機(jī)控制

單片機(jī)是一種在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和I/O接口等單元的微控制芯片，具有速度快、功能強(qiáng)、效率高、體積小、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各種控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。單片機(jī)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(guó)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(jī)主要用作數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理、電壓電流調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和故障自我診斷等，一般作為整個(gè)電路的主控芯片運(yùn)行，完成多種綜合功能。文獻(xiàn)[1]利用80C196KC型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)DC/DC變換器的新型控制方法——雙調(diào)制高頻PWM控制，解決了數(shù)字化PWM中高頻與精度之間的矛盾。文獻(xiàn)[2]介紹了一種采用80C196MC16位單片機(jī)為主構(gòu)成控制電路的并網(wǎng)逆變器，如圖1所示。其中單片機(jī)

配合D/A轉(zhuǎn)換器和MOSFET功率模塊實(shí)現(xiàn)SPWM正弦脈寬調(diào)制、電流同步跟蹤、并網(wǎng)逆變/獨(dú)立逆變的切換控制等功能。逆變器并網(wǎng)運(yùn)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(hào)，加到單片機(jī)80C196MC的EPA捕捉中斷輸入口P2.1上，完成以此為基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)的正弦波數(shù)據(jù)的依次輸出。一個(gè)周期的單位正弦波數(shù)據(jù)采用表格的形式存放于EPROM中，然后由單片機(jī)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，即單位幅值的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。逆變器獨(dú)立供電時(shí)，主要進(jìn)行輸出電壓控制，單片機(jī)內(nèi)含的三相波形發(fā)生器（WG）可提供三對(duì)PWM信號(hào)，它們具有相同的周期和死區(qū)時(shí)間，占空比則可以通過(guò)編程隨意設(shè)定。另外，電路中的單片機(jī)還具有對(duì)過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等情況的中斷保護(hù)以及監(jiān)控功能。

單片機(jī)控制克服了模擬電路的固有缺陷，通過(guò)數(shù)字化的控制方法，得到高精度和高穩(wěn)定度的控制特性，并可實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制功能。但是，單片機(jī)的工作頻率與控制精度是一對(duì)矛盾，而且處理速度也很難滿足高頻電路的要求，這就使人們不得不轉(zhuǎn)而尋求功能更強(qiáng)的芯片的幫助，于是，DSP應(yīng)運(yùn)而生。

3電力電子電路的DSP控制

數(shù)字信號(hào)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)異步串口，有的片內(nèi)還集成了采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換電路，并提供PWM信號(hào)輸出。與單片機(jī)相比，DSP具有更快的CPU、更高的集成度和更大容量的存儲(chǔ)器。DSP屬于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC），大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成，并可通過(guò)并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)完成多條指令。同時(shí)，DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增加了多級(jí)流水線，使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC），多數(shù)指令要2～3個(gè)指令周期才能完成。單片機(jī)采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存儲(chǔ)，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問(wèn)指令或數(shù)據(jù)。單片機(jī)的ALU只能做加法，而乘法則需要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機(jī)相比，DSP執(zhí)行單指令的時(shí)間快8～10倍，一次乘法運(yùn)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(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及保護(hù)、系統(tǒng)通信等功能。應(yīng)用的具體電路包括UPS逆變控制電路、交流電機(jī)調(diào)速電路、功率因數(shù)校正電路和諧波抑制電路等。文獻(xiàn)[4]研制了一種1～2kVA小型單相在線式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(fù)用I/O口）為核心的數(shù)字化控制電路，完成系統(tǒng)級(jí)控制和逆變器（開(kāi)關(guān)頻率為20kHz）控制。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，電路輸出穩(wěn)定、動(dòng)靜態(tài)特性良好。DSP在系統(tǒng)中還承擔(dān)數(shù)字鎖相、檢測(cè)、顯示控制以及與上位機(jī)的通信功能。文獻(xiàn)[5]介紹了利用TMS320F240型DSP控制電機(jī)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方法。F240具有20MIPS的高速處理能力和面向電機(jī)控制的專(zhuān)用外圍設(shè)備，能實(shí)時(shí)產(chǎn)生空間向量對(duì)稱(chēng)PWM波形，實(shí)現(xiàn)包括電流環(huán)在內(nèi)的全數(shù)字調(diào)制。文獻(xiàn)[6]介紹了采用由DSP和微處理器構(gòu)成雙PWM控制的變流器的工作原理和硬件構(gòu)成，電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、實(shí)時(shí)性好、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，對(duì)諧波具有非常好的抑制效果。文獻(xiàn)[7]用DSP芯片TMS320F240實(shí)現(xiàn)了輸出功率為2kW的單相PFC電路的數(shù)字控制。圖2為控制系統(tǒng)原理圖，開(kāi)關(guān)頻率為33kHz。實(shí)驗(yàn)測(cè)得功率因數(shù)0.994，效率95％。

雖然DSP有著許多優(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(hào)頻率及其精度、采樣延時(shí)、運(yùn)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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電力電子電路的數(shù)字化控制技術(shù)

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圖22kWDSP控制PFC系統(tǒng)

4FPGA在電力電子電路中的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）屬于可重構(gòu)器件，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要任意設(shè)定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程內(nèi)部連線。由于FPGA的集成度非常大，一片F(xiàn)PGA少則幾千個(gè)等效門(mén)，多則幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)個(gè)等效門(mén)，所以一片F(xiàn)PGA就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯、替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語(yǔ)言(VHDL)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用三個(gè)層次（行為描述、RTL描述、門(mén)級(jí)描述）的硬件描述和自上至下(從系統(tǒng)功能描述開(kāi)始)的設(shè)計(jì)風(fēng)格，能對(duì)三個(gè)層次的描述進(jìn)行混合仿真，從而可以方便地進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，在可靠性、體積、成本上具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復(fù)雜程度高的場(chǎng)合使用；而當(dāng)系統(tǒng)取樣速率高（MHz級(jí)）、數(shù)據(jù)率高（20MB/s以上）、條件操作少、任務(wù)比較固定時(shí)，F(xiàn)PGA更有優(yōu)勢(shì)[8]。FPGA已應(yīng)用于逆變器控制系統(tǒng)[9]、直流電機(jī)調(diào)速[10]、PWM控制[11]等。

5電力電子電路控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

單片機(jī)、DSP、FPGA等在電力電子電路的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，雖然它們較之模擬控制電路有許多共同的優(yōu)良特性，但是它們也各有其獨(dú)到之處。隨著電力電子電路的日趨高頻化和復(fù)雜化，上述芯片的單一采用往往難以達(dá)到期望的控制效果，因此，各種控制芯片的混合使用將成為控制電路的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。 1）單片機(jī)＋DSP結(jié)構(gòu)比如，在UPS中，DC/DC、AC/DC的控制可以采用單片機(jī)，而DC/AC的控制則采用運(yùn)算速度和頻率更高的DSP芯片。

2）DSP＋FPGA結(jié)構(gòu)DSP具有軟件的靈活性，而FPGA具有硬件的高速性，能夠處理復(fù)雜算法。因此，本結(jié)構(gòu)有助于在設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)軟、硬件之間的關(guān)系，且對(duì)不同算法都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

3）嵌入DSP模塊的FPGA將具有基本數(shù)字信號(hào)處理功能的DSP模塊嵌入到FPGA中，這樣FPGA提供的DSP性能可以達(dá)到每秒1280億MAC，將大大高于目前主流DSP的性能[8]。