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2003 年 6 月 　 第3期

通 信 電 源 技 術(shù)
Telecom Power Technologies

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文章編號(hào) :100923664 ( 2003) 03227203

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在電力電子電

路中的應(yīng)用
袁　 寧
( 郴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,湖南 郴州 　 423000)

摘　 要 : 從電力電子電路數(shù)字化控制的要求出發(fā) ,對(duì)分別由單片機(jī) 、 數(shù)字信號(hào)處理器 ( DSP) 以 及微型計(jì)算機(jī)等為主構(gòu)成的電力電子電路的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹和比較分析 ,指 出了電力電子電路新型控制技術(shù)的發(fā)展方向 。 關(guān)鍵詞 : 計(jì)算機(jī)控制 ; 電力電子電路 ; 單片機(jī) ;DSP 中圖分類號(hào) : TN712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A

Computer Control Technique Appl ied in Po wer Circuits
YUAN Ning ( Chenzhou Instit ute of Vocational Technology ,Chenzhou 423000 ,China) Abstract : Based on t he demand of digital cont rol for power circuit s , t he computer cont rol system , which is mainly composed of a singlechip , a DSP , or a microcomputer , respectively , is analyzed and compared in detail. The new cont rol met hod , which will be developed in t he f ut ure , is pre2 sented , as well. Key words : computer cont rol ; power circuit s ; single chip ; DSP

1　 引　 言
電力電子電路是綜合運(yùn)用電力 、 電子 、 控制等 多種技術(shù)對(duì)電能的幅值 、 相位 、 頻率等各種參量實(shí) 行變換的電路 ,主要由主電路和控制電路組成 ,其 中主電路構(gòu)成電能的能量傳遞通道 , 控制電路則 主要通過觸發(fā)信號(hào)的改變控制主功率開關(guān)管的導(dǎo) 通和關(guān)斷 ,從而調(diào)節(jié)電路的輸出 。 在電力電子技術(shù)發(fā)展的初期 , 電路的主功率 開關(guān)管采用整流管 、 晶閘管等不可控或者半控型 器件 ,其工作頻率低 ,控制部分主要采用模擬電路 進(jìn)行控制 , 存在控制精度低 、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 、 電路功 率因數(shù)低等缺點(diǎn) 。隨著大功率晶體管 ( GTR) 、 絕 緣柵極雙極晶體管 ( I GB T) 和大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體 管 ( POWER MOSFET) 等高頻率 、 全控型電力電

子器件的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 , 具有快速運(yùn)算能 力、 強(qiáng)大的信息儲(chǔ)存能力和邏輯判斷能力的計(jì)算 機(jī)控制技術(shù)在電力電子電路中得到越來越廣泛的 應(yīng)用 。 與傳統(tǒng)的模擬量控制方式相比 , 采用計(jì)算機(jī) 控制的電力電子電路具有以下顯著優(yōu)點(diǎn) [ 1 ] : ( 1 ) 數(shù)字化控制 ,可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器存在的諸 如溫度漂移等許多難以克服的缺點(diǎn) , 參數(shù)整定范 圍寬 ,比例 、 積分 、 微分系數(shù)可以單獨(dú)調(diào)節(jié) ,而且可 在整個(gè)控制范圍內(nèi)進(jìn)行變參數(shù)調(diào)節(jié) 。( 2 ) 使用靈 活 ,便于實(shí)現(xiàn)特殊的控制規(guī)律 ,如修改部分程序就 可改變調(diào)節(jié)規(guī)律 ,而無需改變硬設(shè)備 ,甚至可以在 線改變控制方案 , 因而可以在不增加使用設(shè)備的 情況下逐步提高控制水平 。( 3 ) 系統(tǒng)中由軟件取 代硬件來實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的檢測(cè)和調(diào)節(jié) 、 功率開關(guān) 器件的觸發(fā)控制 、 故障診斷等功能 ,減少了元器件 的數(shù)量 ,簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu) ,提高了系統(tǒng)的可靠性 。

收稿日期 : 2003201215

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( 4) 故障識(shí)別診斷能力強(qiáng) , 能自動(dòng)儲(chǔ)

存運(yùn)行數(shù)據(jù) , 有助于對(duì)故障的分析處 理 。( 5) 可以與上級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行 通信 ,實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和無人值守 。 本文以單片機(jī) 、 微型計(jì)算機(jī)和新 型數(shù)字信號(hào)處理器 ( DSP) 為例 , 闡述 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在電力電子電路中 的應(yīng)用 。
圖1　 逆變控制信號(hào)的形成原理

2　 單片機(jī)控制的電力電子電路
單片機(jī)主要以美國 IN TEL 公司生產(chǎn)的 MCS - 51 ( 8 位) 和 MCS - 96 ( 16 位) 兩大系列為代表 。 它在一塊芯片上集成了中央處理器 ( CPU ) 、 存儲(chǔ) 器 ( RAM , ROM ) 、 定 時(shí) 器 ( TIM ER ) / 計(jì) 數(shù) 器 ( COUN TER) 和輸入/ 輸出 ( I/ O ) 接口等單元 , 具 有體積小 、 速度快 、 功能強(qiáng) 、 效率高 、 性能可靠 、 抗 干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) , 因而在各種控制系統(tǒng)中得到 廣泛應(yīng)用 。 在電力電子電路的控制中 ,可采用由晶體管 、 電阻 、 電容等分立元件構(gòu)成的電子線路 ,也可采用 以 PWM 集成控制器為主構(gòu)成的模擬量控制電 路 。但兩者都存在一些問題 ,例如 ,由于控制系統(tǒng) 各環(huán)節(jié)由大量的晶體管 、 線性集成電路等元件組 成 ,裝置的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性往往受到一定的 影響 ; 模擬量元件在使用中易受外界環(huán)境的影響 , 從而使系統(tǒng)的運(yùn)行特性也隨之發(fā)生變化 ; 模擬量 控制方法精度不高 ; 通用性不強(qiáng) , 等等 。然而 , 采 用單片機(jī)進(jìn)行控制卻可克服上述模擬電路的固有 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 , 并可通過編制不同的程序軟件 實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制功能 。 單片機(jī)在電力電子電路中的應(yīng)用 , 主要包括 數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理 、 產(chǎn)生 PWM 控制信號(hào) 、 狀態(tài) 監(jiān)控以及故障診斷等 , 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 。 圖 1 所示是一個(gè)采用 87C196 KC 型單片機(jī)作 為主控芯片產(chǎn)生供 DC/ AC 變換器使用的逆變控 制信號(hào)的原理圖 。圖中 87C196 KC 的 PWM0 作 為模擬輸出接口 ( D/ A 轉(zhuǎn)換) ,CPU 運(yùn)算后得到的 占空比控制信號(hào)由 PWM0 口輸出 ,并被轉(zhuǎn)換電路 變換為直流電壓信號(hào) , 然后再被加到集成 PWM 控制器 ( SG3525 ) 的輸入端口上 。集成控制器產(chǎn)

生兩路相位相反的開關(guān)頻率高達(dá) 20 k Hz 以上的 PWM 信號(hào) , 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后便可控 制高頻開關(guān)管 T1 和 T2 ( I GB T) 的通斷 。
87C196 KC 軟硬件資源豐富 , 具有 16 K Byte EPROM 、 488 Byte RAM 和 24Byte 通用寄存器 ,

內(nèi)含 8 路 A/ D 轉(zhuǎn)換輸入通道和 3 路 PWM 信號(hào) 輸出口 ,速度快 、 效率高 、 功能齊全 [ 2 ] 。它不僅能 完全取代模擬控制器 , 方便地實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié) , 而 且可以通過改變軟件實(shí)現(xiàn)諸如自適應(yīng)控制 、 智能 控制等各種新型控制策略 。此外 , 還可利用其通 信接口與其他微機(jī)進(jìn)行通信 ,便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 。

3　 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)
　　 相對(duì)于單片機(jī)而言 ,微型計(jì)算機(jī)功能更全面 、 控制更靈活 、 人機(jī)界面更友好 、 操作更方便 , 它主 要應(yīng)用于電力電子裝置的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)和中心監(jiān) 控系統(tǒng) 。 一臺(tái)微型計(jì)算機(jī) ( 上位機(jī) ) 和多臺(tái)監(jiān)控模塊 ( 下位機(jī)) 構(gòu)成集中控制系統(tǒng) , 具有遙測(cè) 、 遙信 、 遙 調(diào)等功能的通信開關(guān)電源系統(tǒng) 。如圖 2 所示 , 系 統(tǒng)具有本地或遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 , 其中下位監(jiān)控模塊 完成電源系統(tǒng)的本地運(yùn)行信息顯示 、 參數(shù)設(shè)置以 及蓄電池組的運(yùn)行管理 , 并實(shí)時(shí)與上位監(jiān)控計(jì)算 機(jī)進(jìn)行串行通信 ; 上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以選擇為本 地集中監(jiān)控或遠(yuǎn)程集中監(jiān)控方式 , 它使得操作人 員在集中控制室能實(shí)現(xiàn)與本地一樣的操作及監(jiān)視 界面 ,特別是使多個(gè)電源系統(tǒng)的無人值守成為可 能 [ 3 ] 。故障信息的及時(shí)語音報(bào)警 、 實(shí)時(shí)打印與存 儲(chǔ)、 歷史信息的追憶等功能使監(jiān)控系統(tǒng)更加實(shí)用 。

4　 數(shù)字信號(hào)處理器 ( DSP) 在電力電

子電路中的應(yīng)用
　　 單片機(jī)在電力電子電路中的應(yīng)用在很大程度 上提高了電路的性能 , 但由于其自身運(yùn)算速度和 精度的限制 ,對(duì)于實(shí)時(shí)性與精度要求高 、 需要處理

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袁　 寧 : 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在電力電子電路中的應(yīng)用

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機(jī)調(diào)速電路 、 不停電電源 ( U PS) 的高頻逆變電路 、 功率因數(shù)校正電路和諧波抑制電路等 。文獻(xiàn) [ 6 ] 介紹了利用美國 TI 公司新近推出的專門面向電 機(jī)控制的 TMS320 F240 型 DSP 實(shí)時(shí)產(chǎn)生空間向 量對(duì)稱 PWM 波形控制電機(jī)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方法 , 由 于 DSP 內(nèi)含 20M IPS 的高速處理能力和面向電 機(jī)控制的專用外圍設(shè)備 , 能實(shí)現(xiàn)包括電流環(huán)在內(nèi) 的全數(shù)字調(diào)制 。文獻(xiàn) [ 7 ] 從抑制諧波的角度介紹 了用微處理器和 DSP 構(gòu)成的雙 PWM 變流器的 工作原理和硬件構(gòu)成 , 它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 控制靈活 , 實(shí) 時(shí)性好 , 功率因數(shù)高 , 有效地抑制了諧波 。文獻(xiàn) [ 8 ] 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 DSP 的功率變換器的控制系 統(tǒng) ,如圖 3 所示 。由圖可知 ,DSP 及其外圍電路構(gòu) 成了功率變換器的數(shù)字控制系統(tǒng) , 其輸入信號(hào)為 經(jīng)過 A/ D 變換后的各電路運(yùn)行參數(shù) ,輸出信號(hào)為 供給各開關(guān)管的 PWM 信號(hào) ,仿真和實(shí)驗(yàn)表明 ,系 統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能 。雖然 DSP 有著許多優(yōu) 點(diǎn) ,但是在實(shí)際應(yīng)用中 , 也存在一些問題 , 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2　 集中監(jiān)控系統(tǒng)示意

的數(shù)據(jù)量非常大的場(chǎng)合 , 它往往難以滿足電路的 控制要求 。而近年來迅速崛起的新一代可編程處 理器 — — — 數(shù)字信號(hào)處理器 ( DSP) , 由于具有高集 成度 、 獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 、 靈活方便的編程方法 、 高 速數(shù)字處理能力和完善的 I/ O 接口等諸多優(yōu)點(diǎn) , 以及逐步上升的性能價(jià)格比 , 在計(jì)算機(jī) 、 通信 、 圖 像處理 、 儀器儀表 、 工業(yè)控制等許多領(lǐng)域獲得廣泛 應(yīng)用 ,正逐步取代一度廣泛使用的單片機(jī) [ 4 ] 。 與單片機(jī)相比 ,DSP 具有較高的集成度 、 更 快的 CPU 和更大容量的存儲(chǔ)器 ,內(nèi)置有波特率發(fā) 生器和 F IFO 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 A/ D 和采樣/ 保持 電路 ,并提供 PWM 信號(hào)輸出 。更為不同的是 , DSP 為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) ( R ISC) 處理器 , 大多 數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成 , 并且通過并行處 理技 術(shù) , 使 一 個(gè) 指 令 周 期 內(nèi) 能 完 成 多 條 指 令 。 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)訪問指令或數(shù)據(jù) 。AL U 只能做加法 ,乘法需要由軟件來實(shí)現(xiàn) ,因此占用較 多的指令周期 ,因而速度比較慢 。與 16 位單片機(jī) 相比 ,DSP 執(zhí)行單指令的時(shí)間快 810 倍 ,一次乘法 運(yùn)算時(shí)間快 16～30 倍 [ 5 ] 。 在電力電子裝置中 ,DSP 主要應(yīng)用于交流電

圖3　 基于 DSP 控制的功率變換器系統(tǒng)框圖

5　 結(jié)束語
電力電子電路中主功率器件越來越高的開關(guān) 頻率 ,對(duì)控制芯片的運(yùn)算速度提出了越來越高的 要求 。然而 , 單片機(jī)和 DSP 的運(yùn)算速度越高 , 相 應(yīng)的價(jià)格也越昂貴 , 其推廣使用也越受到成本的 制約 。另一方面 , 在高頻 ( 幾百千赫茲到幾兆赫 茲) 功率變換電路中 , 即使是目前最先進(jìn)的 DSP 芯片 ,也難以承擔(dān)快速處理的重任 。因此 ,具備高 性能的完全數(shù)字化控制的電力電子電路的實(shí)現(xiàn) , 還有待計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 。除了單片機(jī) 、 ( 下轉(zhuǎn)第 40 頁)

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4　 利用 IR2125 的充電泵模式實(shí)現(xiàn) MOS 高壓浮動(dòng)連續(xù)驅(qū)動(dòng)
　　在需要高壓側(cè) MOSFET 連續(xù)導(dǎo)通的應(yīng)用 中 ,如控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) ,不能使用自舉模式來 控制以降低成本 , 必須使用隔離電源才能保證 MOSFET 正常工作 ,但成本較高 。圖 9 提供了一 個(gè)隔 離 電 源 方 案 : 充 電 泵 電 路 。充 電 泵 使 用 CMOS 555 定時(shí)器給 IR2125 提供低的工作電流 需要 。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí) , 自舉電容通過自舉 二極管和負(fù)載進(jìn)行充電 。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí) , Ω電阻給接在 555 定時(shí)器 通過和地連接的 100 K 1、 8 腳之間的100 nF電容充電 , 產(chǎn)生以 IR2125 第 5 腳為參考點(diǎn)的 - 15 V電壓 。充電泵電路由兩個(gè) IN4148 二 極 管 和 一 個(gè) 10 nF 的 電 容 組 成 , 它 將
555 的 3 腳的輸出的7. 5 k Hz方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐?U s 點(diǎn) 為參考電壓的 + 15 V電壓 ,并給自舉電容充電 。

Ω電阻開始對(duì)與 555 定時(shí)器 1 腳和地之間地100 K 其相連地 100 nF電容進(jìn)行充電 ,為 CMOS 定時(shí)器 產(chǎn)生電源電壓 。充電泵的輸出電壓隨電源電壓增 加而增加 。充電泵維持自舉電容上的電壓 , 并使 其保持在 IR2125 欠壓門限之上 。 電路設(shè)計(jì) 時(shí) , 應(yīng) 考 慮 555 最 大 工 作 電 壓 為 18 V ,因此穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值應(yīng)小于 18 V ; 充 Ω/ ( 1 W ) 的 , 功率應(yīng)根據(jù)高壓電源 電電阻 100 K 值、 IR2125 高端最大電源電流值 , 最小工作電源 電壓值定時(shí)決定 。

5　 結(jié)束語
目前汽車由涔流制動(dòng)系統(tǒng)的開關(guān)大多采用接 觸器來實(shí)現(xiàn) 。由于汽車運(yùn)行環(huán)境惡劣 , 開關(guān)通過 電流大 ( 可達(dá) 100 A ) , 開關(guān)頻繁 , 因此接觸器每 3 萬公里就要進(jìn)行一次更換 , 給汽車的維護(hù)保養(yǎng)帶 來很大負(fù)擔(dān) 。如采用 MOSFET 替代接觸器 , 即 可降低成本 ,增加系統(tǒng)的可靠性 ,同時(shí)給維護(hù)保養(yǎng) 帶來很大方便 。實(shí)際應(yīng)用中 , 充電泵模式驅(qū)動(dòng)采 用高壓浮動(dòng) MOSFET 。替代汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的 接觸器取得了良好效果 。 參考文獻(xiàn)
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圖 9 　IR2125 充電泵工作模式電路圖

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　　 電路啟動(dòng)時(shí) , MOSFET 開通時(shí) , 自舉二極管 阻斷 ,555 的 8 腳和 IR2125 的 8 腳與 + 12 V 電源 相連接 , 自舉電容上的電壓開始降落 , 同時(shí)位于

源技術(shù)應(yīng)用 ,2001 ,3 :40～42. 　

( 上接第 29 頁)

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微型計(jì)算機(jī)以及 DSP 等上述設(shè)備以外 ,現(xiàn)場(chǎng)可編 程門陣列 ( FP GA) 也已在電力電子電路中得到應(yīng) 用 ,而 DSP + FP GA 結(jié)構(gòu)或嵌入 DSP 模塊的 FP2
GA 結(jié)構(gòu)芯片將在未來的電力電子電路的控制系

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作者簡(jiǎn)介
袁　 寧 : (1970 - ) ,女 ,湖南郴州人 ,教師 ,主要研究方向?yàn)橛?jì) 算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 。

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