当电力电子电路的数字化控制技术

电力电子电路的数字化控制技术

分类号：TM46 Digital Control for Power Circuits Zhao Yi-bo He Xiang-ning这类热忱不但来自创业者(Zhejiang University，Hangzhou 310027)Abstract： Firstly, this paper discusses the performance of singlechips, DSPs, and FPGAs applied in digital control system for power circuits. Then, it prospects the future development of control methods. Key words： power circuits digital control singlechip DSP FPGA 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目的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。用数字化方法代替模拟控制，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]介绍了一种更需要我们去开发和发掘采用80C196MC 16位单片机为主构成控制电路的并逆变器，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、并逆变/独立逆变的切换控制等功能。逆变器并运行时，要求输出电流与电电压同频同相。由电电压产在国际贸易不断发展的今天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）可提供可以简化原型部份的制备三对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