電力電子電路的數(shù)字化控制技術(shù)

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(yīng)，電力電子電路的控制也從最初以相位控制為目的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)。專用模擬集成控制芯片的出現(xiàn)大大簡化了電力電子電路的控制線路，提高了控制信號的開關(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)等問題。
用數(shù)字化方法代替模擬控制，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)的自動儲存和故障自動診斷，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(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80C196MC 16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)過零脈沖信號，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，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PWM信號，它們具有相同的周期和死區(qū)時(shí)間，占空比則可以通過編程隨意設(shè)定。另外，電路中的單片機(jī)還具有對過流、過熱、欠壓等情況的中斷保護(hù)以及監(jiān)控功能。

圖1 并網(wǎng)逆變器中路原理框圖
單片機(jī)控制克服了模擬電路的固有缺陷，通過數(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。
2 電力電子電路的DSP控制
數(shù)字信號處理器 (DSP)是近年來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器。DSP屬于精簡指令系統(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)存儲程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增加了多級流水線，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，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問指令或數(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1~2 kVA小型單相在線式UPS，采用以TMS320F240（包含專用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)級控制和逆變器（開關(guān)頻率為20kHZ）控制電力電子電路的數(shù)字化控制技術(shù)
作者：