（电路与系统专业论文）基于sopc的电力电子控制技术研究.pdf

i ! ，f ，； ，。趟1 毒 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 基于s o p c 的电力电子控 制技术研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：趟 e l 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 猛纽 日 期：2 垒f 翌! 之：眵 导师签名：躲迕 ， 扣 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文提出了一种基于s o p c 实现电力电子控制技术的方法。文中首先对电力电 子控制技术中的正弦脉宽调制( s p w m ) 相关内容进行研究，在深入研究s p w m 控制 原理、各种s p w m 的实现算法的基础上，给出本文s p w m 的实现方法。具体介绍 了s o p c 系统的设计与实现方法。本方法通过d s pb u i l d e r 实现算法控制模块，使 用嵌入式系统处理器n i o si i 作为核心控制电路，利用f p g a 中的可编程逻辑资源 和i p 软核设计了该嵌入式系统处理器的接口功能模块。借助于a v a l o n 总线，实现 k 了对用户自定义外设组件、l c d 显示器、键盘等硬件的控制。最后阐述了系统的整 体设计框架和各个模块的具体电路设计。本设计方法使用a l t e r a 公司的f p g a c y c l o n ee p l c l 2 q 2 4 0 c 8 进行功能验证，仿真结果表明该方法可以有效地实现对频 率和幅值的控制。 关键词：可编程片上系统，正弦脉宽调制，n i o si i ，a v a l o n 总线 a b s t r a c t am e t h o do fp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do ns o p cw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , r e l e v a n tc o n t e n t so fs p w mi nc o n t r o lt e c h n o l o g yo fp o w e re l e c t r o n i c sw e r e s t u d i e d t h e nt h en e wr e a l i z a t i o nm e t h o do fs p w mw a sp r o p o s e do nt h eb a s i co f s t u d i e so fc o n t r o lp r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o na l g o r i t h m so fs p w m n e x t ，d e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fs o p cs y s t e mw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h i sd e s i g nt h e o r y , a l g o r i t h mo fc o n t r o lm o d u l ew a sg e n e r a t e db yu s i n gd s pb u i l d e r , t h ee m b e d d e d p r o c e s s o rn i o si ia c t e da sac o n t r o lu n i ta n df u n c t i o n a li n t e r f a c em o d u l ew a sd e s i g n e d u s i n gp r o g r a m m a b l el o g i cr e s o u r c e sa n di ps o f tc o r ei n s i d eo ff p g a u s e r - d e f i n e d p e r i p h e r a lc o m p o n e n t s ，l c dm o n i t o r s ，k e y b o a r d sa n do t h e rh a r d w a r ew e r ec o n t r o l l e d t h r o u g ht h ea v a l o nb u s f i n a l l y , f r a m e w o r ko ft h eo v e r a l ld e s i g na n dd e s i g n i n go fe a c h m o d u l ew e r ed i s c u s s e d ，t h i sd e s i g nm e t h o d w a sv e r i f i e du s i n gc y c l o n ee p1c1 2 q 2 4 0 c 8 ， o n et y p ef p g ao fa l t e r ac o r p o r a t i o n t h e e f f i c i e n c yo fc o n t r o li nf r e q u e n c ya n d a m p l i t u d ec a n b ec o n f i r m e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s t z h a n g y i n g ( c i r c u i t sa n ds y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f x i ez h i y u a n k e yw o r d s ：s o p c ，s p w m ，n i o si i ，a v a l o nb u s t r ， # 凡 ：良 留 ， ，j 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2s o p c 技术的应用现状与发展方向：2 1 2 1 各种嵌入式处理器的比较2 1 2 2s o p c 技术应用现状3 1 3 电力电子控制技术的发展概述及研究现状3 1 3 1 电力电子控制技术的发展概述：4 1 3 2 电力电子控制技术的研究现状：5 1 4 论文的主要内容及结构安排6 第二章电力电子控制的理论研究。7 2 1 脉宽调制( p w m ) 控制技术7 2 2 正弦脉宽调制技术的基本原理一7 2 2 1 正弦脉宽调制的采样算法8 2 2 2 正弦脉宽调制( s p w m ) 的调制方法1 0 2 2 3 正弦脉宽调制( s p w m ) 的控制模式1 2 2 3 脉宽调制技术实现的方法对比1 3 2 4s o p c 方案的优势1 4 2 5 本章小结i 1 5 第三章控制器的算法模块设计与仿真：1 6 3 1d s pb u i l d e r 技术1 6 3 1 1d s pb u i l d e r 简介1 6 3 1 2d s pb u i l d e r 技术的设计规则1 7 3 1 3d s pb u i l d e r 技术的设计流程1 7 3 2 基于直接数字频率合成技术的波形实现1 7 3 2 1d d s 基本原理1 8 3 2 2d d s 性能分析1 9 3 3 基于d s pb u i l d e r 的运算模块设计2 0 3 3 1 正弦波和三角波生成与仿真2 0 1 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 2s p w m 模块的搭建与仿真2 2 3 3 3v h d l 转换2 4 3 3 4 死区2 5 3 4 本章小结2 5 第四章基于s o p c 的控制器总体设计2 6 4 1 控制器总体设计2 6 4 1 1 基于s o p c 开发环境2 6 4 1 2n i o s 处理器+ 2 6 4 1 3 a v a l o n 总线一2 7 4 1 4 控制系统的总体设计流程j 2 9 4 2 基于n i o si i 自定义外设组件的设计3 0 4 2 1 自定义外设组件的设计方法3 1 4 2 2 基于n i o s l l 的自定义s p w m 模块设计3 2 4 3 基于n i o si d e 环境的软件开发3 9 4 3 1 软件系统的开发环境二。3 9 4 3 2 软件开发流程4 l 4 4 本章小结4 3 第五章硬件设计与实现4 4 5 1 系统控制器总体设计4 4 5 2 仿真一4 8 5 2 1 模块的r t l 级仿真4 8 5 2 2 模块的时序分析4 8 5 3 下载4 9 第六章结论5 0 参考文献一5 1 致谢：5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，电力电子变换器的控制技术变得越来越复杂。在传 统功率电子技术中，电路控制部分是按模拟信号来设计和工作的。采用了微处理器， 但由于微处理器的速度有限，通常只具有给定正弦波的发生、控制电源的开关及实 现保护显示等功能，由于需要模拟电路的参与，导致系统的成本偏高、精度和可靠 性不高、产品升级换代困难。随着电力半导体器件不断地向高频、高效和智能化方 向发展，电力电子控制系统的实时性要求越来越高。随着重要部门、用电设备对高 品质的电源和电能质量的需求日益增多，高性能p w m 控制器的研究越来越受到关 注。 片上可编程系统( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 是现代电子技术和电 子系统设计的汇聚点和最新发展方向，它将普通e d a 技术、计算机系统、嵌入式 系统、工业自动化控制系统、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 及无线电技术等融为 一体，涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容。s o p c 结合了s o c 、p l d 和f p g a 各自的优点，集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围i o 及可编程逻辑。用 户可以利用s o p c 平台自行设计各种高速高性能的d s p 处理器或特定功能的c p u 处理器，从而使电子系统设计进入一个全新的模式。在应用的灵活性和价格上s o p c 有极大的优势，s o p c 被称为“半导体产业的未来”【1 1 。 s o p c 其意义就是一个可编程电子系统，在s o p c 出现之前，a s i c 和f p g a 不 同的技术特征决定了它们应用于不同领域的市场，a s i c 被用于大批量的专业产品， 尽可能高额的设计与制造成本，实现良好的性价比，f p g a 虽价格昂贵，但由于其 可编程的灵活性而广受小批量应用的青睐。现代大容量、高速度的s o p c 的出现， 为不断发展的电力电子控制领域提供了更好的支持。目前应用于数字化电力电子设 备中的控制部分，多以m c u d s p 为核心，以软件实现离散域的运算及控制。尽管 d s p 处理器具有通过软件设计能适用于实现不同功能的灵活性，但面对当今迅速变 化的市场，d s p 处理器显得力不从心，常用的控制器( 高性能单片机或d s p ) 的这 种固定的硬件结构以及顺序执行的c p u 架构往往不能完全满足要求。与单片机和 d s p 相比，s o p c 具有更高的处理速度，应用在数字化电力电子设备中，可以大大 简化控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。而且s o p c 中都 内嵌有可配置的高速r a m 、p l l 、l v d s 、i m 阻l 以及硬件乘法累加器等d s p 模 块。用s o p c 可以很好地解决并行性和速度问题，而且其灵活的可配置性，是其他 处理器不可比拟的1 2 】。本文针对s o p c 具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周 l 华北电力大学硕士学位论文 期短等优点，提出将其应用于电力电子的控制技术以满足对实时性要求很高的应用 场合。 1 2 s o p c 技术的应用现状与发展方向 1 2 1 各种嵌入式处理器的比较 目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构 包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是 嵌入式系统硬件中的核心部分。从单片机、d s p 到f p g a ，品种越来越多，速度越 来越快，性能越来越强，价格也越来越低。根据处理器现状，嵌入式处理器可分为 四类【3 】： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ，其典型代表是单片机。单片 机芯片内部提供了各种必要的功能和外设，适合控制，具有很高的性价比，是目前 嵌入式处理器的主流产品。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ，它是专门用于信号处理 方面的处理器，在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率 和指令执行速度，在数字滤波、f f i 、频谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规模的 应用。 ( 3 ) 嵌入式微处理器( m i c r 0 p r o c c s s o fu n i t ，m p u ) ，它是由通用计算机中的c p u 演变而来的，具有较高的性能，但价格也较高。和计算机处理器不同的是，在实际 嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部 分，这样就能以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，它的最大特点是成功实现了软硬 件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。绝大部分系统构件都是 在系统内部，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性和设计生产 效率。 与单片机和d s p 相比，s o p c 具有更高的处理速度。这是因为s o p c 中使用的 主要是n i o s 嵌入式处理器，它以软件形式提供了标准外围设备和用户自定义的外设。 根据实际的开发应用，提供时钟、串行通信、通用i o 接口、s d r a m 控制器以及其他 存储器的控制器。根据用户的需要，用户可以创建自己的自定义外围设备并将其集成到 n i o s 处理器系统中。由于硬件的速度比软件快，因此使用软件编程完成的外围数据处 理，可配置的n i o s 软核除了可以自定义外围设备，也可以自定义指令。用户可以根据 自定义的硬件增加指令，如复数运算等。这样能够加快系统的运行速度，满足特定的要 求，实现更高的性能价格比。 2 华北电力大学硕士学位论文 所以s o p c 应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控制系统结构，并可 实现多种高速算法，具有较高的性价比，由于s o p c 处理器的诸多优点，已经成为 研究的热点和重点。 1 2 2s o p c 技术应用现状 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 称为可编程片上系统，是指将一个完整 产品的功能集成在一个可编程的芯片上。其中可以包括微处理器c p u 、数字信号处 理器d s p 、存储器、总线和总线控制器、外围设备接口以及包括数模混合电路( 放 大器、比较器、刖d 和d a 转换器、锁像环等) 。s o p c 不仅是一个专业领域的概 念，而且是计算机、微电子及电子系统设计应用领域等多学科的交叉与融合。由于 s o p c 可以充分利用已有的设计积累，并且它的核心技术是i p 复用，因此发展非常 迅速，成为集成电路设计历史上的一次飞跃和主要研究方向。 s o p c 的设计方法是自项向下( t o p d o w n ) 的从系统级到功能模块的软、硬件协 同设计方法，实现了软、硬件的无缝结合，直接在处理器芯片内嵌入操作系统的代 码模块，具有极高的综合性。在s o p c 中，往往需要集成了一个甚至若干个处理器， 包括r i s c 处理器、d s p 处理器以及某些专门应用设计的专用指令集处理器。这些 处理器是s o p c 的一个重要组成部分。处理器和s o p c 的其余部分融合在一起，共 同构成一个完整的系统。因此，将集成在s o p c 上的处理器称为嵌入式处理器【引。 s o p c ：m u c + d s p + f p g a ，s o p c 可以将m c u 、d s p 和f p g a 完美结合。 ， ( 1 ) s o p c 2 m c u ：目前，在大容量f p g a 中可以嵌入一个或多个软核c p u ( n i o s 或者n i o s l i ) ，或预嵌入5 1 系列单片机和a r m 等微处理器； ( 2 ) s o p c 2 d s p ：d s p 对海量数据快速处理的优异性能主要在于它的流水线计算 技术，只有规律的加减乘除等运算才容易实现流水线的计算方式。然而，这种运算 方式也比较容易用f p g a 的硬件门电路来实现。 ( 3 ) s o p c 2 f p g a ：s o p c 一般采用大容量f p g a 为载体，除了在一些片内f p g a 中定制m c u 处理器和d s p 功能模块外，还可以设计其它逻辑功能模块，实现 m c u + d s p + f p g a 在单芯片上完美集成。 总之，s o p c 技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式 处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、d s p 系统、数字通信系统、 存储电路以及普通数字系统等，在单一可编程片上系统中实现，使得所设计的电路 系统在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品 维护及其硬件升级等多方面实现最优化，而这也正是s o p c 技术的发展的根本方向。 1 3 电力电子控制技术的发展概述及研究现状 3 华北电力大学硕士学位论文 1 3 1 电力电子控制技术的发展概述【5 8 】 电力电子技术是以功率处理、电能变换为主要对象的现代工业电子技术，包括 电力半导体器件、变换电路和控制技术三个部分。电力电子控制技术也随着新一代 器件的问世不断更新。电力电子控制也从最初由分立元件组成以相位控制为手段的 控制电路发展到集成控制器，到如今实现高频开关的计算机控制，发展方向趋于更 高频率、更低损耗和全数字化。 传统模拟控制电路存在着控制精度低、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虽然简化了电路的控制线路，提 高了控制信号的开关频率，但是由于阻容元件的存在，模拟控制电路参数的精度和 一致性、元件老化等问题仍然存在。同时，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、控 制不够灵活、通用性不强、集成度低等问题。 用数字化控制代替模拟控制，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，减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高 系统的可靠性。所以单片机、d s p 和f p g a 等在电力电子电路的控制系统中得到了 日益广泛的应用。 ( 1 ) 电力电子电路的单片机控制 单片机是一块芯片上集成了c p u 、r a m r o m 、定时器计数器和i o 接口等单 元的一种微控制芯片，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，在电力电子控制中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电 流调节、p w m 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。 单片机控制虽然通过数字化的控制方法，克服了模拟电路的固有缺陷，得到高 精度和高稳定度的控制特性且实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率 与控制精度是互相矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们不 得不转向功能更强的芯片的帮助，于是d s p 技术应运而生。 ( 2 ) 电力电子电路的d s p 控制 近年来迅速崛起的新一代可编程处理器d s p ，其内部集成了波特率发生器和 f i f o 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 山d 转换电路，并提供p w m 信号输出。与单片机相比，d s p 具有更快的c p u 、更 高的集成度和更大容量的存储器。d s p 属于精简指令系统计算机( r i s c ) ，并可通 过并行处理技术，同时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( c i s c ) ，采用诺依曼结构，程序 4 莲 华北电力大学硕士学位论文 和数据在同一空间存储，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。 虽然d s p 电路具有结构简单、控制灵活、实时性好、功率因数高，对谐波具有 非常好的抑制效果等优点。但是它也存在一定的局限性，如p w m 信号频率及其精 度、采样频率的选择、运算时间及精度、采样延时等。这些因素会或多或少地影响 电路的控制性能。 ( 3 ) f p g a 在电力电子电路中的应用 现场可编程门阵列( f p g a ) 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f p g a 的集成度非常大，一片 f p g a 少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片f p g a 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( v h d l ) 来对系统进行设计，采用三个层次( 行为描述、r t l 描述、门级描述) 的硬件描述和自上至下的设计风格，能分别对描述进行混合仿真，从而方便地进行 数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。而d s p 适合取样速率低和 软件复杂程度高的场合使用，当系统取样速率高( m h z 级) 、数据率高( 2 0 m b s 以上) 、条件操作少、任务比较固定时，f p g a 更有优势。f p g a 已应用于逆变器控 制系统、直流电机调速、p w m 控制等。 1 3 电力电子控制技术的研究现状【9 2 】 随着控制技术的发展，从模拟控制系统到数字控制系统是控制学发展的一大飞 跃。数字控制系统在抗干扰，控制的精确度，实时性，实现算法的复杂程度都远远 忧于模拟系统。数字化控制已广泛应用于电力电子电路的各个方面，满足了电力电 子电路日趋高频化和复杂化发展的需要，在提高系统效率、改善系统性能等方面发 挥着越来越重要的作用。 随着电力电子技术的发展，这些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。目前研 究较多的控制器，按组合类型可分为： ( 1 ) 单片机+ d s p 相结合。例如，在u p s 中，单片机常常用于控制d c d c ，a c d c ， 运算速度和频率更高的d s p 芯片则用来控制d c a c 。 ( 2 ) d s p + f p g a 相结合。具备两者的优势，即具软件灵活性，又有硬件高速性， 能够处理复杂算法，该组合有助于在设计中协调软、硬件之间的关系。 ( 3 ) 嵌入d s p 模块的f p g a 。将具有基本数字信号功能的d s p 模块嵌入到f p g a 中，这样f p g a 提供的d s p 高速度运算性能将大大高于目前d s p 的性能。 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 嵌入n i o s 软核的s o p c 。n i o s 嵌入式处理器是一个通用的3 2 位r i s c 处理 器软核，其中包含了一般处理器所具有的功能模块和接口，具有1 6 位的指令集、 可选的1 6 位或3 2 位数据通路，可配置为多种应用功能。它可以和用户逻辑结合， 共同下载到f p g a 器件中，就可以得到硬件开发平台；用户然后用c 或c + + 语言， 甚至可以使用j a v a 语言编写相关的软件系统，就可以得到一个实用的嵌入式应用系 统。 随着计算机技术和电力电子器件制造技术的发展以及新型电路变换器的不断 出现，现代控制理论向交流调速领域的不断渗透，特别是微型计算机及大规模集成 电路的发展，交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展，这时利用 s o p c 构成的控制系统就更能体现它的优越性能，利用n i o s 软核来产生控制触发信 号，可以减少占用的资源和时间，帮助微机更好的来控制电路。 1 4 论文的主要内容及结构安排 本文基于s o p c 技术的嵌入式解决方案，通过在d s pb u i l d e r 中搭建模块和在 s o p cb u i l d e r 中自定义正弦脉宽调制( s p w m ) 外设模块设计，实现了s p w m 控制器 的研究本文主要工作和内容结构安排如下： 第一章首先介绍本文研究的技术背景及意义，介绍电力电子控制技术的发展现 状，然后介绍各种嵌入式处理器的比较，引出嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ， s o c ) 以及其在很多方面的优势。 第二章首先阐述正弦脉宽调制法的基本思想以及s p w m 信号生成方法，然后 介绍正弦脉宽调制( s p w m ) 信号的调制方式和正弦脉宽调制的微机算法及优缺点， 其次分别介绍常用实现正弦脉宽调制技术的方法，最后通过和以上方案比较介绍 s o p c 实现方案的优势。 第三章算法模块的设计与仿真，主要基于d s pb u i l d e r 的控制模块设计，首先 是介绍d s pb u i l d e r 设计平台与流程，通过对d d s 基本原理及性能分析，利用d d s 模块产生s p w m 波形，并通过改变控制字来调整频率和幅度。 第四章主要介绍自定义s p w m 波形的实现方法。利用s o p cb u i l d e r 创建和配 置了n i o si i 软核处理器及其外设，以n i o s i ii d e 为软件开发平台，用c 语言编程， 设计并实现基于s o p c 的电力电子控制器。 第五章详细介绍了系统的硬件电路设计通过介绍f p g a 核心模块的基本设计j 存储器模块以及电源时钟源模块等设计来实现硬件平台。通过介绍按键和l c d 显 示电路的设计来实现控制与显示功能。仿真结果与下载实现。 第六章对本文所做工作的总结，指出本文研究的不足之处与展望。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力电子控制的理论研究 2 1 脉宽调s q ( p w m ) 控制技术 1 9 6 4 年，德国学者率先提出了把通讯系统中的调制技术引入到交流变频领域的 脉宽调制思想。但受电力电子器件发展水平的制约，脉冲宽度调制( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 技术并未得到广泛应用。直到进入上世纪8 0 年代，全控型 电力电子器件的出现和迅速发展，p w m 控制技术才真正得到应用。所谓脉宽调制 技术是为了实现变压、交频控制，利用全控制型电力电子器件的导通和关断把直流 电压变成一定形状的电压脉冲序列。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技 术的发展p w m 控制技术获得了空前的发展，目前p w m 技术已经广泛应用到直流 电源、交流逆变电源、电力传动及变频调速系统等领域。利用微处理器实现p w m 控制器后，p w m 技术不断优化和翻新，从效率最优，转矩脉动最小，再到消除谐 波噪声1 1 3 l 。从追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通波形正弦，先后出现 了多种p w m 控制技术，根据形成p w m 波原理的不同，大致分为以下几种：矩形 波p w m 、正弦波s p w m 、空间相量p w m ( s v m ) 等。这几类p w m 波各有优缺点， 因而适用不同的场合。其中正弦脉宽调制( s p w m ) 、空间电压矢量( s v p w m ) 是 当前工业应用最为广泛的两种。而实际工程中主要采用的p w m 技术是正弦 p w m ( i ! is p w m ) 。 2 2 正弦脉宽调制技术的基本原理 在p w m 波形中，各脉冲的幅值相等，如果要改变输出电压的幅值，那么按相 同的比例系数改变脉冲的宽度就可以了。如果给出了正弦波的频率、幅值和一个周 期内的脉冲数后，s p w m 波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。根据计 算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需的p w m 波形。但是，这 种计算很繁琐，较为实用的是采用调制的方式，即把所希望的波形作为调制信号， 把接受调制的信号作为载波。当调制信号为正弦波时，得到s p w m 波形。 s p w m ( 正弦脉宽调制波) 是将正弦波变成宽度渐变的脉冲波型，其中的脉冲波 型的宽度变化规律完全符合正弦的变化规律。基于采样控制理论的冲量等效原理： 大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间 的积分相等，其作用效果基本相同。这里所说的冲量是指脉冲的面积，效果是指它 们的输出响应波形。正弦脉宽调制方法就是将正弦波等效成一系列幅值相同但宽度 不同的脉冲波形，每一区间内正弦波的面积与脉冲波形的面积相等。如图2 - 1 所示， 把一个正弦波分成n 等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一 7 华北电力大学硕士学位论文 个面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一 等分的中点相重合。根据冲量相等，效果相同的原理，那么n 个等幅不等宽的脉冲 所组成的脉冲波形与正弦波等效。 圈2 - 1s p w m 控制的基本原理图 采用一组等腰三角形波信号( 载波) 与正弦波信号( 调制波) 通过比较器进行比 较，+ 载波通常采用等腰三角形，它的上下宽度和高度成线性关系，且左右对称。正 弦波的频率和幅值是可控的，只要改变正弦波的频率，就可以改变输出脉冲的频率。改 变正弦波的幅值，它与三角波的交点发生改变，使输出的脉冲序列的宽度发生变化，从 而改变输出脉冲的电压。如果把输出波形通过傅氏变换分析，就可以发现它们的低频段 特性非常接近，仅在高频段略有差异。如果脉冲越窄，它们输出的差异就越小1 1 4 1 。 2 2 1 正弦脉宽调制的采样算法 ( 1 ) 自然采样法 控制功率开关器件的通断在正弦波与载波三角波的自然交点时刻，这种生成 s p w m 的方法称为自然采样法。由于正弦波在不同相位角时其幅值不同，所以与三 角波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外，当正弦波频率或幅值变化时，各脉冲的 宽度也相应变化。采用这种方法生成的s p w m 波，虽然能真实反映脉冲产生和结 束的时刻但由于正弦波与三角波的交点具有任意性，脉冲中心在一个周期内不是等 距的，因此脉宽表达式是一个超越方程，不能用简单解析式表示。 要准确生成s p w m 波，就要准确地计算出正弦波与三角波的交点，三角载波 的周期为时间，交点a 决定了脉冲出现的时刻，交点b 决定了脉冲结束的时刻。 功率开关器件的导通时刻t 4 和关断时刻t 口。功率开关器件导通的区间则是脉冲宽度 f 一，其关断区间为脉冲的间隙时间拓，如图2 2 示。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 生成s p w m 的自然采样法 ( 2 ) 规则采样法 规则采样法是利用载波三角波的正峰值点、负峰值点所对应的正弦函数值来代 替三角波与正弦波自然交点处正弦函数值的方法，来求取脉冲宽度来生成s p w m 波。在规则采样法中，每个载波周期的开关点都是确定的。依据脉冲的中点是否以 相应的三角波峰值为对称，有对称规则采样法和不对称规则采样法。 对称规则采样法 对称规则采样是以每个三角载波的顶点或底点对称轴所对应的时间作为采样 时间，用所得到的阶梯波来逼近正弦波。其采样原理如图2 3 所示。 图2 - 3 生成s p w m 对称规则采样法 u r 、u c 为三角载波和基波的幅值，t s 为采样周期，为脉宽时间，t 1 、t 2 别对 应三角波的顶点和底点，m 为调制比，且m = u r u c 。可得： 个 f 一等o + m s i n 0 7 t 2 ) ( 2 - 1 ) 虽然对称规则采样的数学模型比较简单易行，但由于在每个三角载波的采样周 期中只能采样一次，因此所得到的阶梯波与所要得到的正弦波的逼近程度相差较 大。为了获得高精度的阶梯波，必须增加在每个三角载波周期内的采样点数，为此 提出了既在三角波底点和顶点对称轴采样的方法，这种采样法可以在一个载波周期 中采样两次，得到的阶梯波会大大逼近理想的正弦波，提高了采样的精度。 不对称规则采样法 9 华北电力大学硕士学位论文 不对称规则采样法同时在三角载波的顶点和底点采样，与对称规则采样法相 比，虽然其求取脉宽的计算量增加了，但是其p w m 输出波形更接近于自然采样的 结果，其采样原理如图2 - 4 所示，经数学推倒可得： 。警( 1 + m s i n t o f l ) 乙一警( 1 + m s i n m 囝 f t 【1 + i m ( s i n t o t 。+ 8 i n f 2 ) 】 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 中：t t 和t s 分别为采样周期与载波周期，且t t = 2 t s 。 图2 - 4 生成s p w m 不对称规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法，但计 算量要比自然采样法小得多自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波中点( 即 负峰点) 重合，规则采样法使两者重合。每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为 对称，这样就简化了计算的复杂性。 2 2 2 正弦脉宽调制( s p w m ) 的调制方法 根据正弦脉冲调制的极性不同，s p w m 可分为单极性控制方式和控制双极性控制 方式两种。 ( 1 ) 单极性三角波调制法 单极性s p w m 调制是指参加调制的载波三角波和正弦波参考信号极性不变。 单极性调制时，在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通和关断。单极性 调制的基本原理如图2 5 所示。它是将首先将调制信号的电压进行整流，把它从交 流信号变成直流信号，再将它和单极性的三角载波电压接入到电压比较器的反向输 入端，进行比较后将输出单极性的正弦脉冲信号。为了能够输出负方向的正弦脉冲 信号，必须将调制信号的电压接入到一个反相器，得到一个输出信号，再将它和得 到的单极性的正弦脉冲信号相乘，就可以得到正、负方向的正弦脉冲信号。 三角波调制电压与同极性的参考电压比较，如图2 - 5 ( a ) ，在将单极性的p w m 1 0 华北电力大学硕士学位论文 脉冲信号与所示的反相器信号图2 - 5 ( b ) 相乘，得正负半波对称的p w m 脉冲信号图 2 5 ( c ) 。 图2 - 5 单极性调制原理 单极性调制只适用于全桥电路，不适用于半桥电路。调制波是正弦波，其周期 反映了输出电压的基波频率，载波是采用等腰三角形的三角波，其周期决定于载波 频率( 也就是器件的开关频率) ，幅值为幅度调制比为1 时的正弦调制波的峰值，在 半周期内所有三角波的极性是相同的。调制波和载波的交点决定了s p w m 脉冲系 列的宽度和脉冲间的间隔宽度，这就相当于在每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两 个逆变器件中，只有一个开关器件按脉冲系列的规律来通断工作，另一个则完全截 止；在另外一个半周期内，则工作情况正好相反。 ( 2 ) 双极性三角波调制法 双极性s p w m 调制是指载波三角波和正弦参考信号是具有正负性变化的信号。 双极性调制时，同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的方式。将正负交 变的双极性三角波与参考波电压在电压比较器两端输入，通过直接比较就得到双极 性p w m 脉冲，如图2 - 6 示。与单极性调制方式相比，双极性调制方式的电路比较 简单，实现起来比较容易。但是，它在输出电压中高次谐波分量要比单极性调制方 式大得多，这是双极性调制方式的缺点。双极性调制输出相电压的脉冲系列仍然由 调制波和载波的交点来决定，这也就相当于两个开关器件是按照相电压脉冲系列的 规律，在一个周期内是互补导通的。 图2 6 双极性调制原理 对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关器件始终是轮流交替通断，而一 l l 华北电力大学硕士学位论文 般开关器件的关断时间总是比开通时间长，因此，容易引起电源短路，为此必须增 加延时触发装置，即“死区时间 控制。而单极性调制，当同桥臂上的两个开关器 件中一个按正弦规律在半个周期内开通和关断的同时，另一个开关器件始终是关断 的，因此可以省去延时触发环节，既简化了线路，又防止了延时引起的失真。此外， 由于减少了开关次数，可以大在降低开关损耗，提高了整个输出效率。但也应该指 出，采用单极性调制，随着负载的变化，当同臂上下两个开关器件均为不导通时， 会出现输出端电压的不确定性，从而对输出电压波形会产生一定影响。 2 2 3 正弦脉宽调制( s p w m ) 的控制模式 在正弦脉宽调制中，调制信号为正弦波，通过改变脉冲宽度实现对输出电压的 控制，通过改变调制周期来实现对输出频率的控制。一个调制信号周期内所包含的 三角载波的个数称为载波比，即n c m 一厂c i 肼，也称调制比。其中，c 为载波频率， 厂v 为调制波频率，也可以称为基波频率。对于单极式调制而言，由于一个周期内 有2 n 个脉冲，则n c u = 2 n ；而双极性调制由于一周期内有n 个脉冲，贝i j n c u = n 。 如果按载波比划分，那么正弦脉宽调制的控制方式可以分为同步调制，异步调制和 分段同步调制三种控制模式1 1 6 l 。 ( 1 ) 同步调制 同步调制模式是在调制信号周期变化的过程中，载波比固定不变，即载波比 n c a 等于常数。在这种模式下，每个周期内所含三角波的数目是固定的，因此产生 的脉冲数目也是固定的。如果载波比n 取3 的倍数，对于三相系统可以使三相之间 对称。但是，在双极性调制时，在正弦波的1 8 0 0 处，载波的正、负半周恰好分布在 1 8 0 * 处的左右两侧，为了保证正弦波的正、负半波完全对称，载波比n 必须为奇数。 这种控制方式的缺点是在基波频率较低时，载波数量显得稀疏，会造成电流波形脉 动增大，谐波分量也增大。 ( 2 ) 异步调制 为了消除上述同步调制的缺点可以采用异步调制方式。在调制信号周期变化的 过程中，载波比随基波频率变化而发生相应变化，即载波比n c u 是不等于常数的调 制。在这种模式下，在改变调制波信号频率厂。时保持三角波频率厂，不变。低速运 行时，随着逆变器输出电压每半个周期内的脉冲个数相应增加，低次的谐波分量相 应地减少，使系统具有较好的低频特性。 这种控制方式的缺点是：在改善低频特性的同时，又失去同步调制的优点，当 载波比随输出频率的改变而连续变化时，势必使逆变器输出电压的波形及其相位都 发生变化，很难保持输出的正负半波以及三相电压之间的严格对称关系，将会引起 负载电机运行的不稳定。其次，当逆变器输出频率增高时，载波比减小，半周期内 输出脉冲的数目减少，波形的正、负半周不对称，同时输出波形和正弦波之间的差 1 2 异也变大，从而使输出特性变坏，造成了相位漂移和偶次谐波的问题，引起电动