电力电子电路的数字化控制技术

摘要：阐述了单片机、数字信号处理器和现场可编程门阵列的性能特点和在电力电子电路数字化控制中的应用，展望了电力电子电路控制技术的发展趋势。关键词：电力电子电路；数字控制；单片机；数字信号处理器；现场可编程门阵列

1引言

电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路，提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。

用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。

2电力电子电路的单片机控制

单片机是一种在一块芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定时器/计数器和I/O接口等单元的微控制芯片，具有速度快、功能强、效率高、体积小、性能可靠、抗干扰能力强等优点，在各种控制系统中应用广泛。单片机的CPU经历了由4、8、16、32直至64位的发展过程，主要以美国INTEL公司生产的MCS－51（8位）和MCS－96（16位）两大系列为代表。

在电力电子电路中,单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。文献[1]利用80C196KC型单片机实现了一种对DC/DC变换器的新型控制方法——双调制高频PWM控制，解决了数字化PWM中高频与精度之间的矛盾。文献[2]介绍了一种采用80C196MC16位单片机为主构成控制电路的并网逆变器，如图1所示。其中单片机

配合D/A转换器和MOSFET功率模块实现SPWM正弦脉宽调制、电流同步跟踪、并网逆变/独立逆变的切换控制等功能。逆变器并网运行时，要求输出电流与电网电压同频同相。由电网电压产生一个过零脉冲信号，加到单片机80C196MC的EPA捕捉中断输入口P2.1上，完成以此为基准时间点的正弦波数据的依次输出。一个周期的单位正弦波数据采用表格的形式存放于EPROM中，然后由单片机按定时时间依次送到双路8位D/A中的一路，由D/A将这些数据转换成模拟信号，即单位幅值的标准正弦波。逆变器独立供电时，主要进行输出电压控制，单片机内含的三相波形发生器（WG）可提供三对PWM信号，它们具有相同的周期和死区时间，占空比则可以通过编程随意设定。另外，电路中的单片机还具有对过流、过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。

单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们不得不转而寻求功能更强的芯片的帮助，于是，DSP应运而生。

3电力电子电路的DSP控制

数字信号处理器(DSP)是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器，其内部集成了波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采样/保持和A/D转换电路，并提供PWM信号输出。与单片机相比，DSP具有更快的CPU、更高的集成度和更大容量的存储器。DSP属于精简指令系统计算机（RISC），大多数指令都能在一个周期内完成，并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令。同时，DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增加了多级流水线，使其具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机（CISC），多数指令要2～3个指令周期才能完成。单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据。单片机的ALU只能做加法，而乘法则需要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。与16位单片机相比，DSP执行单指令的时间快8～10倍，一次乘法运算时间快16～30倍[3]。

在电力电子装置中，DSP主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能。应用的具体电路包括UPS逆变控制电路、交流电机调速电路、功率因数校正电路和谐波抑制电路等。文献[4]研制了一种1～2kVA小型单相在线式UPS，采用以TMS320F240（包含专用PWM产生电路、两路10位A/D采样通道、28个复用I/O口）为核心的数字化控制电路，完成系统级控制和逆变器（开关频率为20kHz）控制。仿真和实验表明，电路输出稳定、动静态特性良好。DSP在系统中还承担数字锁相、检测、显示控制以及与上位机的通信功能。文献[5]介绍了利用TMS320F240型DSP控制电机运行的实现方法。F240具有20MIPS的高速处理能力和面向电机控制的专用外围设备，能实时产生空间向量对称PWM波形，实现包括电流环在内的全数字调制。文献[6]介绍了采用由DSP和微处理器构成双PWM控制的变流器的工作原理和硬件构成，电路具有结构简单、控制灵活、实时性好、功率因数高等特点，对谐波具有非常好的抑制效果。文献[7]用DSP芯片TMS320F240实现了输出功率为2kW的单相PFC电路的数字控制。图2为控制系统原理图，开关频率为33kHz。实验测得功率因数0.994，效率95％。

虽然DSP有着许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。

图1并网逆变器电路原理框图

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电力电子电路的数字化控制技术

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图22kWDSP控制PFC系统

4FPGA在电力电子电路中的应用

现场可编程门阵列（FPGA）属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程I/O模块、可编程内部连线。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑、替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL)来对系统进行设计，采用三个层次（行为描述、RTL描述、门级描述）的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高（MHz级）、数据率高（20MB/s以上）、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势[8]。FPGA已应用于逆变器控制系统[9]、直流电机调速[10]、PWM控制[11]等。

5电力电子电路控制技术发展趋势

单片机、DSP、FPGA等在电力电子电路的控制系统中得到了广泛的应用，虽然它们较之模拟控制电路有许多共同的优良特性，但是它们也各有其独到之处。随着电力电子电路的日趋高频化和复杂化，上述芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果，因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势。 1）单片机＋DSP结构比如，在UPS中，DC/DC、AC/DC的控制可以采用单片机，而DC/AC的控制则采用运算速度和频率更高的DSP芯片。

2）DSP＋FPGA结构DSP具有软件的灵活性，而FPGA具有硬件的高速性，能够处理复杂算法。因此，本结构有助于在设计中协调软、硬件之间的关系，且对不同算法都有较强的适应能力。

3）嵌入DSP模块的FPGA将具有基本数字信号处理功能的DSP模块嵌入到FPGA中，这样FPGA提供的DSP性能可以达到每秒1280亿MAC，将大大高于目前主流DSP的性能[8]。