交直流开关电源数控系统设计及关键问题研究论文.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 r5 8 1 2 1 1 7 对比传统的线性电源 开关电源具有体积小 效率高的优越性 从而在电力 传动 微型计算机 家用电器 通讯电源等领域中得到广泛应用 然而 因其输 出精度较低 有开关纹波等因素 在高性能应用场合尚未完全取代线性电源 为 此 采用数字技术控制来提高开关电源的性能已成为精密电源的一大发展方向 本文运用了数字智能开关电源的概念 着重研究数字化精密电源模块控制的几个 关键技术 针对系统在不同模块之间信号隔离传输的问题 对各种模拟信号传输的方式 进行了性能比较 研究了模拟 数字式变换传输的方式的各种应用 在此基础上 提出了串行d a 隔离传输的方案 通过数控电源系统中微处理器实现 验证了这 种方法的能够实现电源装置中信号的精密传输 将反时限过流保护的概念引入智能电源系统 参考国际通用反时限控制曲 线 通过构造器件的热库模型采用微处理器程控能够方便实现各种反时限控制特 性 文中还阐述了智能控制的硬件组成和软件算法 最后在集中上述技术的基础上研究和开发了一套精密交直流数控开关电源 装置 经过对系统的各控制部分的软硬件设计与调试 实现了数字控制在精密智 能电源模块系统中的应用 使之具有相当的稳定性和可靠性 浙江大学硕土学位论文 a b s t r a c t h a v i n go v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fp o n d e r o u s i n e f f i c i e n tl i n e a rp o w e r s o u r c e s w i t c hp o w e rs u p p l i e sa r ew i d e l ya p p l i e di np o w e rm o t i o n i n d u s t r i a l c o m m u n i c a t i o n p c o f f i c ea n df a m i l ye l e c t r o n i c se q u i p m e n te t c b u tt h er i p p l e a n dl o wp r e c i s i o nm a k ei t i m p o s s i b l e t or e p l a c el i n e a rp o w e rs o u r c e c o m p l e t e l y d i g i t a lc o n t r o lc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fs w i t c hc o n v e r t e ra n di so n eo f t h ed i r e c t i o n so fp r e c i s es o u r c e t h ed e f i n i t i o no ft h ei n t e l l i g e n ts w i t c hp o w e ri s p u tf o r w a r d a c c o r d i n gt o t h en e c e s s i t yo ft h ec o n t r o la n da p p l i c a t i o n t h e p a p e ra n a l y z e s t h e k e yt e c h n i q u e s o fd i g i t a lc o n t r o l l e d i n t e l l i g e n t s o u r c e m o d u l e b a s e do ni n t r o d u c t i o no ft h ei s o l a t e d a n a l o gs i g n a lt r a n s m i s s i o n t h i sp a p e r m a d ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fav a r i e t yo fi s o l a t e dt e c h n o l o g i e s a n dp u t f o r w a r dan o v e ld i g i t a ii s o l a t i n gm e t h o db a s e do ns e r i a li n t e r f a c ed ac o n v e r t e r t h e n b a s e do ni t s t y p i c a la p p l i c a t i o n i na d i g i t a l c o n t r o l l e d s m p s t h e c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h i sm e t h o dc a nr e a l i z eh i g hp r e c i s i o n c o n t r o lf o rp o w e re l e c t r o n i c si n s t a l l a t i o n i n v e r s e t i m eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o ni su s e di n p o w e rs u p p l yi n s t a l l a t i o nt of i t t h eh e a tc h a r a c t e r i s t i co ft h ed e v i c e sf a u l tc u r r e n tw i t h r e f e r e n c et o i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n s t h ee q u a t i o nb yt h e i n t e g r a t i o n o fc u r r e n tt e r mi ss u i t a b l et od e s c r i b et h ep r o c e s so fh e a ta c c u m u l a t i o n a a l g o r i t h mb yc u r v e f i t t i n g i s i m p l e m e n t e di n am i c r o p r o c e s s o r b a s e dp o w e r s u p p l yi n s t a l l a t i o n t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t a i li sp r o p o s e d a n dt h e r e l a t i o n s h i p o ft i m e s e t t i n g c o n s t a n tw i t hh e a tm o d e li s s i m p l y d i s c u s s e d t h es c h e m e sa b o v ea r ea p p l i e dt oi nad i g i t a lc o n t r o l l e dp o w e rc o n v e r t e r u l t i m a t e l yt e s tt h e i rf e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t y 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 开关电源技术及其发展 电源技术尤其是开关电源技术是一门实践性很强的工程技术 服务于各行各 业 电力电子技术是电能的最佳应用技术之一 当今电源技术融合了电气 电子 系统集成 控制理论 材料等诸多学科领域 随着计算机和通讯技术发展而来的 现代信息技术革命 给电力电子技术提供了广阔的发展前景 同时也给电源提出 了更高的要求 随着开关电源在电子装置中的普遍使用 高频开关工作时产生的 大量电磁干扰 会影响其他设备甚至电源本身的正常工作 电源在使用时可能会 向电网注入大量的谐波 从而造成对电网的污染 世界各国纷纷对电源产品提出 了不同要求并制定了一系列的产品规范 只有满足产品规范尤其是安全和电磁兼 容方面的规范的 如欧洲的c e 标准北美地区的u l 或c a s 认证 才能够进入 市场 随着经济全球化的发展 满足国际规范的产品才能获得进出的通行证 开关电源是从7 0 年代才真正的发展起来的 期间系统的电力电子理论开始 建立 这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础 在以后的一段时间里 开关电源技术有了长足的发展 但其产品存在开关频率低 2 0 k h z 以下 功率 密度比较低 可靠性较差的缺点 因此开关电源主要的发展方向 是针对上述缺 点不断加以改善 大功率场效应管 m o s f e t 及绝缘栅晶体管 i g b t 的出现为 高频和大功率变换器提供了有利的条件 新的变换技术和控制理论的不断发展 各种类型专用集成电路 高频磁性元件 高频电容的研制应用 到8 0 年代 已 出现了开关频率达到1 m h z 功率密度达到每立方英寸5 0 w 的开关电源 从组成上 开关电源可分成器件 主电路与控制等三部分 目前在电力电子 器件方面的发展可以p o w e r m o s f e t i g b t i g c t 等为代表的现代电力半导 体器件的广泛应用为主要标志 电路方面的发展是以p w m 电路拓扑和软开关技 术等高频电力电子技术的完善为主要标志 数字化则应属于控制方面的重要发展 方向 随着信息技术的突飞猛进 将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用 开关电源目前的发展 主要朝着更高的功能密度和变换效率及更好的动态特 性 更好的环保性能 智能化与高可靠性 更广泛的应用等方向发展 1 2 智能化的开关电源 1 2 1 典型的开关电源主拓扑 移相控制全桥p w m 零电压谐振软开关变换器是近年来开关电源研究的热 点 它是p w m 技术与谐振技术完美结合的产物 是目前高频大功率应用的最佳 浙江大学硕士学位论文 选择 以此为例我们探讨数字化控制在功率开关电路中应用的优越性 4 j 这种开关技术的特点是 1 谐振技术对元件性能指标要求较高 要求其有较好的参数一致性 2 元器件在谐振状态时要承受较高的电气应力 尤其在大功率应用中使用电压 谐振的单端谐振电路时 虽然可以取得极高的工作频率 实验产品可以达到 1 0 m h z 但元件要承受几倍以上电源电压的应力 实现起来比较困难 3 无论电路采用何种谐振方式 当电源的负载发生变化时 必然会影响到电路 的谐振参数 因此 谐振状态是局部的 有一定的负载区间 难以在全部或 大部分负载区间实现谐振 电路的反馈控制环路在各种不同的负载特性下难以稳定 目前的开关电源其 反馈控制环路一般都是采用电流或电压单一反馈形式 电流反馈对于负载变 化的响应较为灵敏 同时在p w m 脉冲宽度控制 的控制范围小于5 0 时 电路有较好的稳定性 但输出电压并不十分精确 实际控制中在较轻或较重 负载时 常常会由于形成p w m 的斜坡电压的特性不良 产生脉宽抖动的 现象 电压反馈控制的电源电路输出较为精确 但在反馈环路的相频特性上 存在两个拐点 环路更容易产生振荡 尤其在负载特性不确定或存在较大滞 后的情况下 电源的调试很困难 1 2 2 开关电源的模拟控制 1 传统的开关电源采用模拟电路控制 但模拟控制存在许多固有的缺点 1 因采用大量的分散元件和电路板 导致硬件成本偏高 系统的可靠性下 降 2 由于人工调试器件的存在 如可调电位器 导致生产效率降低及控制系 统的一致性差 3 器件老化及热漂移问题的存在 导致电源输出性能下降 甚至导致输出 失败 4 产品升级换代困难 对同一型号的模拟控制逆变电源 若不改动硬件 升级是不可能的 每一个新型的逆变电源都要求重新设计 制造控制系 统 5 模拟控制的逆变电源的监控功能有限 一旦出现故障 要想恢复正常 技术人员必须亲赴现场 6 模拟方式很难实现逆变电源的并联 1 2 3 开关电源的数字控制 开关电源的反馈控制环路一般都采用模拟控制方式 如果用数字控制方式代 浙江大学硕士学位论文 替模拟控制 那么上述问题可以得到很大的改善 数字元件本身不存在离散 性问题 对于谐振元件的离散性 可以通过数字控制方式主动控制调整 在 控制过程中 使用数字控制可以动态的根据负载情况 将电路的开关参数调 整到最佳状态 使开关元件始终保持在谐振工作状态 避免电路的效率下降 对于采用全桥移相部分谐振技术的电路 通过智能调整上下臂开关元件的工 作死区 可以在最小谐振电流下满足谐振工作状态 从而减轻开关元件的电 压 电流应力 这在大功率应用中极为重要 研究表明 智能化控制系统的 控制精度和稳定性远远优于一般的模拟控制方式 另一方面 开关电源的应用上要求智能化 随着开关电源技术的成熟 在有 些应用场合 开关电源就是设备的全部 比如 广泛应用的通讯电源 电焊设备 电池充电设备及电动车和充电设备等 对于这样的设备 要求开关电源能够独立 工作 同时具有一定的智能 能实现精确的程序控制 并且能组网工作 以便于 实时了解设备的参数 如电压 电流 工作状态 正常 故障等 信息 对于采 用模拟量反馈控制的开关电源 在这些场合使用时不可避免地存在这样一些问 题 1 负载在较大范围内变化时反馈环路不稳定 易产生自激振荡 2 不能实现精确的程序控制 电池的充电设备 t g 脉冲弧焊电源设备必须按 照工作规程进行程序控制 电源的输出可能为恒流恒压或恒压限流 恒流恒 压 所用的电源必须能够在各种工作状态之间自由转换 这是常规开关电源 难以实现的 3 伺服型开关电源常常要求电源的输出受外电路控制 远程控制信号通常为模 拟信号 其在传输过程中常常会受n t 界干扰 导致控制失败 1 2 4 开关电源的智能控制 以数字量代替模拟量实现环路控制的所谓智能化开关电源 可以有效地解决 上述问题 目前 关于智能电源模块的定义或标准尚未明确 有一种说法是模块能够与 外界进行更多的信息交流 如模块能够向外提供其内部的工作状态和参数 并能 够接受外部的命令和参数 自动改变工作状态和输出参数 也有一种说法将内置 单片机的电源模块称为智能的电源模块 电源模块智能化的一个重要原因是为了 实现无人值守 因此 电源模块具有与外界通信的能力便是一个重要的内容 内 置单片机是增强通信能力的方便廉价的手段 同时 在数据采集 故障判断 条 件控制等方面 单片机也是容易实现的 因此 在智能电源模块中通常都由单片 机来实现智能化方面的功能 图1 1 表达了传统智能电源模块的一种常见结构 在这种结构里 主功率电 路的闭环控制和故障保护都是由模拟电路实现 单片机负责电路参数和故障信号 3 浙江大学硕士学位论文 的采集 并将这些数据传到外界 同时接受外界的命令和数据 控制主电路的热 丌 关机和调节控制环的给定基准 图1 1传统智能电源模块的常见结构 随着电力电子技术和信息技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能 要求的提高 开关电源越来越广泛地应用于银行 证券 军事 医疗 航空航天 等领域 早期的开关电源 只需要达到其输出不断电 稳压 稳频的要求即可 然而 现代的电源除了满足这些要求外 还必须环保无污染 即需要具有绿色环 保性的开关电源 同时 随着网络技术的发展 对开关电源的网络功能也提出了 更高的要求 研究开发高性能的开关电源系统成为越来越迫切的要求 作为高性能的开关电源必须满足 1 高的输入功率因数 低的输出阻抗 2 快速的暂态响应 稳态精度高 3 稳定性高 效率高 可靠性高 4 低的电磁干扰 5 智能化 6 完善的网络功能 显然 这些要求的实现离不开数字化控制技术 图1 2 表达了数字化智能电源模块的结构 与传统智能电源模块相比 一个 显著的区别就在于 这种结构将主电路的控制环也移交给单片机用离散的方法处 理 我们还可以看出 这种结构节省了一个d a 环节 1 2 5 开关电源的智能控制发展 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的 数字化能够减 浙江大学硕上学位论文 少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数 有效地解决电源模块中诸如可 靠性 智能化和产品一致性等工程问题 极大地提高生产效率和产品的可维护性 k 电能输出 电能输入 通信 主功率电路 驱动信号电路参数电路参数 模拟量 输出反馈 图1 2数字化智能电源模块的结构 开关电源采用数字控制 具有以下明显优点 1 易于采用先进的控制方法和智能控制策略 使电源模块的智能化程度更高 性能更完美 2 控制灵活 系统升级方便 甚至可以在线修改控制算法 而不必改动硬件线 路 3 控制系统的可靠性提高 易于标准化 可以针对不同的系统 或不同型号的 产品 采用统一的控制板 而只是对控制软件做一些调整即可 4 系统维护方便 旦出现故障 可以很方便地通过r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 接 口或u s b 接口进行调试 故障查询 历史记录查询 故障诊断 软件修复 甚至控制参数的在线修改 调试 也可以通过m o d e m 远程操作 5 1 系统的一致性好 成本低 生产制造方便 由于控制软件不像模拟器件那样 存在差异 所以 其一致性很好 由于采用软件控制 控制板的体积将大大 减小 生产成本下降 6 易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统 为了得到高性能的并联运 行逆变电源系统 每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制 易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流 控制算法 不需要通讯 从而实现高可靠性 高冗余度的逆变电源并联运 行系统 1 3 课题研究的内容和意义 目前以数字方式对开关电源等电力电子设备进行控制已有很多成果 本论文 主要研究高性能精密电源的数字控制系统中几项关键技术 并应用建立了一种高 性能精密电源模块的控制系统 在以往研究的基础上 重点解决下列问题 浙江大学硕士学位论文 1 系统模块间信号的隔离传输 走向系统化和智能化的精密开关电源装置不仅包括主功率电路部分 还有核 心控制 信号的检测 界面管理 保护监控及通信单元等 在这些模块之间如何 进行信号的可靠传输 就需要提供满足保障性能的隔离方案 数字信号的隔离比 较简易 重点是模拟信号的传输 特别是作为参考信号的精密传输对系统输出性 能非常关键 文中将在分析比较各种传输方法的基础上 探讨将模拟信号变换为 数字式隔离传输的方式 并研究在具体数控系统中的实现方案 2 反时限的过流保护 反时限的过流保护方式可以较好地适应电源的故障特性 电源过流引起的是 后果是器件温升过高而损坏 国际上通用的反时限控制曲线并不能很好地反映热 积累的效应 需要根据器件的热传递模型探讨接近实际的控制算法 并且通过微 机实现智能控制的方案 通过理论分析与设计 在一套实际的交直流数控开关电源装置中实现上述技 术的综合应用 充分利用系统资源 构造合理的控制系统 进行任务的协调处理 最终通过实验验证了方案对提升系统整体性能的作用 新江大学硕士学位论文 第二章开关电源数控系统的结构与方案 2 1 开关电源的数字化控制闭 开关电源的数字化控制大致可以分为两类 装置系统级的数字化控制和开关 功率变换器的数字化 其中前者中又可分离出系统间及人机的通讯数字化 装置系统级的数字化包括 1 系统的人机界面 如数字化面板的参数设定与状态显示 2 系统的程序控制 包括参数自动设定与调整 工作状态的识别与系统参数 优化 如采用模糊逻辑 神经网络及变结构控制 3 自动监测与保护 4 系统的遥控与计算机通讯等 通讯电源系统为提高容量和运行可靠性 通常 是由j v 个模块构成 可达2 0 0 个以上 的 模块间的均流 系统与模块间控 制与反馈均可经由数字式通讯实现 系统的遥控 遥测目前已经可以通过因 特网实现 这可以极大地改变电力电子设备的运行管理 开关功率变换器的数字化是指对功率开关的状态实时控制 采用数字控制的 方法对变换器中的功率开关器件的状态进行直接干预 可以包括 1 对开关的频率 相位和占空比的直接调整 2 对软开关 有源箝位等新型拓扑的辅助功率开关进行直接控制 3 对电流电压的瞬态实施实时检测和保护 4 对桥式电路中上 下开关臂的导通重合或导通死区时间进行精确控制 5 对多电平变换电路中的各开关器件实现精确协调控制 6 对不同回路中的功率开关实旆精确的同步和协调控制 7 对变换器的输出参数 如电流 电压等 的实行数字化实时控制 数字化实时控制的实现是以m c u d s p 以及现场可编程逻辑门阵列 f p g a 等为基础的 2 2 开关电源数控系统的常见结构及功能 随着单片机技术的发展和控制理论研究的深入 开关电源的数字化控制也从 比较简单的m c u 加电源芯片的控制结构发展到利用高性能d s p 及f p g a 进行 p w m 通信 监控的全数字化控制结构 实时性和多任务的要求使双c p u 结构 得到了更加广泛的应用 浙江大学硕士学位论文 2 2 1 单片m c u 系统 由于p w m 技术可以极有效地抑制谐波 动态响应好 且在频率 效率等方 面亦有着明显的优点 因而应用领域极其广泛 其控制策略不断被提出 单片机 的数字控制研究也多集中于这个领域 目前大多智能型开关电源 广泛采用的是 单m c u 加电源专用芯片的控制结构 p w m 控制脉冲发生器有模拟集成电路 例 如s g 3 5 2 5 t l 4 9 4 u c 3 8 4 4 等 亦有专用数字集成电路 如m u l l a r d 公司的 h e f 4 7 5 2 s i e m e n s 公司的s e l 4 5 2 0 m a r c o n i 公司的m a 8 1 8 m i t e l 公司的 s a 8 6 6 s a 8 6 9 s a 8 0 1 等 近几年来 一些单片机生产厂家为了节约微机资源 推出了附有p w m 波形发生器的微处理器 如i n t e l 的8 x c l 9 6 m c m d 微处理 器产生s p w m 信号方便可靠 稳定性和抗干扰能力均较好 多用于三相逆变电 源 图3 l 为常见的分别应用m c s 5 l 和m c s 9 6 系列单片机构成的控制系统 口 m c s 5 l 系列单片机控制系统 键盘 显示l 幅值相位l 检测r 一 8 0 c 1 9 6 故曩掣卜 b m c s 9 6 系列单片机控制系统 图2 1两种控制系统 s a 系列s p w m 发生器是m i t e l 公司生产的专用数字化产品 无温漂 无 时漂 重复性好 s a 4 8 2 8 作为单片机的外设 同单片机并联 通过对单片机编 程 只需将s p w m 的初始化信息和控制信息写入s a 4 8 2 8 的相关寄存器 即可 产生精确的全数字化的单相 双相 三相的s p w m 波形 电源频率 波形方向 输出波形放大 每个输出间的相位关系 脉冲延时 防止上下桥臂短路 脉冲 取消时间 减少开关损耗 电压 频率比 初始电压等都可通过单片机编程控 制 调节容易 同时采用应用较广 价格低廉 功能较强的8 0 5 1 单片机作为控 制器件 可迸一步降低成本 编程简单 灵活 新增功能方便 扩展性好 8 0 c 1 9 6 系列单片机是i n t e l 公司m c s 9 6 系列中专用于电机控制的产品 除 了具有一般1 6 位单片机的功能外 还集成了专用于电机控制的外围部件 即波 形发生器w f g w a v ef o r mg e n e r a t o r p w m 调制器 可以编程产生中心对称 的三相s p w m 波形及用于开关电源和脉宽调制的p w m 波形 这为开发交直流 浙江大学硕士学位论文 调速电源 开关电源带来了极大的方便 不仅可以节约开发费用 减小产品体积 且因为它具有强大的保护功能 所以能极大地提高产品的可靠性 此外它还具有 事件处理阵列e p a e v e n tp r o c e s s o ra r r a y 功能 可以监视与控制外部事件 有中断传输服务器p t s p e r i p h e r a l t r a n s a c t i o ns e v e r 可以在c p u 少干预的情 况下 处理中断请求 p t s 可以支持单字节 或字 传输 数据块传输 a d 转 换扫描和串行s i o s e r i a li n p u t o u t p u t 功能 有多路a d 转换通道 可进行8 位或1 0 位转换 且转换时间 保持器的采样时间均可由编程决定 多达5 0 条以 上的i o 引脚可以由编程决定其功能 除了产生多路s p w m p w m 波形 8 0 c 1 9 6 系列单片机还用于产生s p w m 电路的正弦波参考信号 如图b 所示 正弦波 信号的产生方法很多 将在第二节详细阐述 m c u 的种类很多 除了常用的5 1 及9 6 系列 根据系统的具体控制要求 还可以采用p i c 等更高性能的微控制器进行系统设计 p i c 系列单片机是由美国m i c r o e h i p 公司推出的首次采用r i s c r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 结构的高性价比嵌入式控制器 总线结构采取数据总 线和指令线分离的哈佛结构 双流水线处理使得指令单周期执行 具有很快的程 序执行速度 一次性可编程o t p o n et i m ep r o g r a m m a b l e 特性 很适合于低 成本的商品化开发生产 其中广泛应用的p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机具有片内功能齐全 价格低廉 速 度快 易学 易开发等优点 在实际运用中能做到控制部分单片工作 大大提高 了控制的可靠性 其如下性能使之在p w m 控制应用中更受注目 1 1 单字节指令不仅使程序占用空间减少 而且在遇到干扰 程序跑飞时 不会 误认操作码为操作数 单周期 仅g o t o 双周期 使指令速度快 在2 0 m h z 晶振频率下 指令执行时间为2 0 0 n s 在p w m 控制中 高速是极为有利的 条件 随着p i c 系列单片机速度的不断提高 p w m 控制将更为方便 2 片内具有单片机常用的功能 如a d 转换 d a 转换 捕捉输入 比较输出 p w m 波形发生器 1 2 c 和s p i s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 接口 异步串行 通讯u s a r t u n i v e r s a ls e d a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r 模拟电压比较器 l c d 驱动等 这些功能使其单片机控制系统的外围电路极其简单 3 p i c l 6 f 8 7 x 单片机具有有利于开发的e 2 p r o m 型和f l a s h 型 及有利于小 批量生产的一次可编程o t p 型 其价格低廉可与p w m 芯片相比 这些特性使得p i c 成为了理想的逆变电源数字控制器 常见控制结构如图 2 2 浙江大学硕士学位论文 p i c 单片机 j 塑垒 里重卜斗 p w m l p w m 2 l 电流电压l h加 l 温度采样r 过簇嚣路卜 1 n t s c i 保护i 图2 2 逆变电源的p i c 控制系统 p i c 单片机片内集成的2 个c c p c a p t u r e c o m p a r e p w m 部件 能够在软 件设定下完成脉冲调宽 捕捉事件并触发 比较器输出控制和a d 转换的启动 等功能 工作在p w m 方式下 可输出高达1 0 位的脉宽调制波形 且c c p 模块 采用了双缓冲器结构 可以使p w m 输出受干扰的影响大为减小 利用单片机内 置的a d 接口 可以进行软件p i d p r o p o r t i o n a l i n t e g r a ld e r i v a t i v e 控制 形成 闭环控制 a d 输入口还可进行输入电流 电压和输出电流采样 从而实现稳压 过流过压保护 并具有温度采样以控制风扇 调整系统内温度以免过热 其外部 中断输入可作封锁p w m 输出的保护信号使用 另外 利用p i c 单片机串行通信 接口 s c i 模块 依据r s 4 8 5 接口标准与p c 机通信 使逆变电源可实现网络 化监控 利用p c 机对逆变电源进行监测 自动实现各种状态转换 实现网络化 监控 p i c 单片机控制逆变电源 一方面 系统执行效率高 外围电路简单 易于 扩展 具有更大的控制灵活性 另一方面 降低了产品开发成本 具有较强的实 际意义 2 2 2 单片d s p f p g a 系统 用单片机进行数字控制 由于其运算速度不高 各方面功能不强 难以适应 电力电子的高频化控制 无法进行实时跟踪 只能应用于监控部分 新一代的数 字信号处理器 d s p 采用哈佛结构 流水线操作 具有运算速度快 计算精度 高 抗干扰能力强等优点 特别是美国t i 德州仪器 公司于1 9 9 7 年推出的 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列 面向新一代电力电子和电机控制 具有以下特点 1 改进的哈佛结构 具有分离的程序和数据总线以分别访问分离的程序和数据 存储器 地址总线也是分离的 这种多总线结构使得指令和数据能并行移动 和同步执行 加快了执行的速度 2 可执行高达4 级流水线操作 利用同步的程序 数据总线和流水线操作 可 以缩短整个执行时间 获得百万指令每秒 例如 t m s 3 2 0 c 2 4 0 的指令周期 为5 0n s 运算能力为2 0m b i t s d s p 的执行速度则高达1 6 g b i t s 3 具有丰富的独特的外围电路 如1 6 通道双1 0 位a d 三个1 6 位通用定时 器 三个带有死区功能的全比较单元以及四个捕获单元 特别它具有1 2 个 浙江火学硕士学位论文 比较 脉宽调制 p w m 通道可以产生u p s 电源所必须的p w m 波形 4 d s p 内部硬件实现了其他处理器要用软件或子程序实现的功能 例如 硬件 包含1 6 1 6 位单周期乘法 数据移位和地址操作 5 该系列芯片提供了一个相当大的有助于改善系统性能的片上存储器 程序存 储器 包含电机控制及程序调试的程序 局部数据存储器 以便保存指令 所用的数据 全局数据存储器 保存与其它处理器共用的数据 或者用作 额外数据空间 本地数据存储器的上端3 2 k 字地址空间 8 0 0 0 h f f f f h 与 全局数据存储器共享 通过3 条并行总线可对以上存储器空间进行存取 由于3 条总线的操作是独立的 因此可以同时访问程序空间和数据空间 在 个指定机器周期内 中央算术逻辑单元可执行多达3 次的并行存储器操作 6 d s p 的指令集 r i s c 简化了数字信号处理过程 例如 m a c d 命令可完 成4 个操作 两个数相乘 移位 把乘的结果与以前的值相加 把最终结果 转移到邻近的寄存器 这种单指令简化了软件开发 减少了程序代码 7 2 4 x 系列芯片的一个显著特点就是具有片上f l a s h 因此更容易构造目标系 统 对于片上f l a s h 的编程也提供了利用j t a g 接口的编程工具 由于其特有的寄存器结构 功能强大的寻址方式 灵活的指令系统及其强大 的浮点运算能力 使得d s p 不仅运算能力较单片机有了较大提高 而且在该处 理器上更容易实现高级语言 正是由于其特殊的结构设计和超强的数据运算能 力 使得d s p 能用软件实现以前需用硬件才能实现的功能 也同样使数字信号 处理中的一些理论和算法可以实时实现 基于t m s 3 2 0 c 2 4 x 的数字变换器 开 器形8 故障保护8 直藉莩量 动态波形 校正 开关点信号1 1 开关信号优 时钟中11 电压电流 a d 故障检测 1 直流分 直流分1 控制延时 获取开 的预置程序ll 化处理程序 断程序jl 检测采样lf 转换ll 与处理程序ll 量检测 f 量调节il 确定 i 关延时 图3 3基于d s p 的数字变换器系统结构简图 以t m s 3 2 0 c 2 4 x 为核心的数字变换器常见结构及功能如图3 3 利用其强大 的运算能力 可采用高阶p i d 算法进行精密控制 自适应k a l m a n 滤波算法可减 小传感噪声 而功率因数较正算法则可以减小功率损耗 还可以用f f t 算法对 电机的机械谐振 线性谐波等进行分析 d s p 高效的数字调压 s p w m 和故障 保护功能使得它在高频开关电源如u p s 系统的逆变器控制中得到了广泛应用 由于d s p 在数据处理方面不论是在精度还是在速度方面都要优于普通微处 理器 采用d s p 技术 可以实现对各反馈信号进行快速实时处理 使得输出电 浙江大学硕士学位论文 源的电压和频率的波动马上得到调整 以保证输出电源的稳定 故采用d s p 技 术具有不可比拟的优势 前面提到 数字化p w m 电路一直是设计中的难点 使用微处理器 一般为 单片机 实现这个电路的功能 应该说还是比较容易实现的 像有的单片机还专 门集成了这种功能 如1 9 6 m c 但是 不是所有的单片机都有这种方便的p w m 输出功能 如8 0 9 8 只有一路p w m 输出 而5 1 系列没有p w m 输出 要产生p w m 输出 需较复杂的软件支持以及使用中断方式 这样会产生两个结果 一是处理 这个事件占用c p u 的时间较长 使单片机的效率降低 因为一般单片机还要处 理其他事件 二是采用了中断方式后 使产生的p w i v i 波精密度得不到保证 死 区时间较长 有的占空比不能实现 因此使用一般的单片机实现该功能也不理想 若使用1 9 6 m c 那成本就比较高 一片1 9 6 m c 价格在1 5 0 元左右 总的来说 用微处理器实现数字系统的优点是硬件结构变化不大 且程序修 改方便 试制时承担风险小 其缺点是 速度低 抗干扰能力差 保密性差 如 果使用f p l d f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s 器件来实现 那么仅需一片芯 片就能实现 使用现场可编程逻辑器件实现各种电源控制电路是一种非常有效的 设计方法 专用集成电路a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 由于灵活性不够 其应用受到一定的限制 因此对于复杂的控制电路 设计者更希望自己设计专用 集成电路芯片 并要求设计的周期短 在实验室里就能完成 现场可编程逻辑器 件f p l d 的出现正好满足了这样的需要 目前的现场可编程逻辑器件 f p l d 有x i l i n x 公司的x c 系列 a 1 t e r a 公 司的e p l d 系列 t i 公司的t p c 系列和l a t t i c e 公司的i s p l s i 系列等 各个公 司的f p l d 结构不同 设计方法不同 其应用范围也有所不同 但其共同特点是 可以在实验室中将大量的复杂数字电路设计到一片芯片中 从而实现系统的微型 化和高可靠性 而这 特点给电力电子技术中控制电路的设计和制作带来了极大 的益处 f p l d 器件主要有三种 它们是现场可编程门阵列f p g a f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y 可擦除可编程逻辑器件e p l d e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s 在系统可编程大规模集成逻辑器件i s p l s i i n s y s t e mp r o g r a m m a b l el a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 各种f p l d 的结构不同 设 计方法不同 其应用范围也有所不同 但同为现场可编程器件 它们还是有着许 多共同的特点 首先 它们有着相同的开发步骤 设计者们在实验室内就可以设 计出高集成度的专用芯片 而且还可以通过开发系统软件提供的仿真功能对设计 的结果进行检验 保证设计的成功 此外 由于f p l d 器件的用户现场可编程的 特性 可以大大缩短设计的实现周期 可以在很短的时间内 由设计者现场提供 样机 使产品的上市时间大大缩短 适应现代市场竞争需求 f p l d 器件的有效 逻辑容量密度一般都很大 使用f p l d 器件后不仅大大减少印制电路板的空间 浙江大学烦士学位论文 大大降低系统功耗 同时还大大提高了系统设计的工艺可实现性和产品的可靠 性 f p l d 器件的最大优点是可以反复编程 重复使用 这样使设计没有前期投 资风险 在开发系统中直接进行系统仿真 故也没有工艺实现的损耗 以致在小 批量的产品应用场合 成本远低于门阵列和全定制a s i c 它们最大的区别在于采用了不同的存储技术 f p g a 采用的是c m o s s r a m 技术 可以在线编程 工作时一般需外接一 片e p r o m 或p r o m 芯片来存放编程数据 e p l d 采用的是c m o s e p r o m 技 术 编程时需要p r o m 编程器 i s p l s i 采用的是e 2 c m o s 技术 且在器件中已 集成了所有的编程电路和升压电路 烧录电路简单 因此修改时十分方便 不必 擦除原先烧录的文件即可烧录新的文件 三种器件的另一个较大的区别在于延迟时间 e p l d 器件的延迟时间是可预知和固定的 在e p l d 器件中的功能模块上实 现任何功能都具有同样的速度 i s p l s i 器件的输入 输出之间的延时也是恒 定和可预知的 与输入输出无关 这个特点使片内互连更为完善 使用者可以方 便地实现各种复杂的设计 f p g a 的延时无法预先估计 需要通过定时仿真来确 定 f p l d 器件主要用来实现复杂的数字系统或复杂系统中的数字电路部分 例 如 在变频调速系统中 要实现复杂的控制函数和高精度的速度调节 则可采用 此器件实现控制电路功能 在稳压电源中的多环控制系统中 它也非常适用 将f p g a 与单片机一起构成系统 就能产生在电力电子控制系统中经常使用 的三相s p w m 波 设计的第一步是原理图的输入 在原理图的输入时 用户可以自定义功能模 块 然后用硬件描述语言进行描述 如实现双边三角波发生器的电路可使用一个 九位计数器 用最高位与其他八位做异或运算的结果作为输出 该输出为双边三 角波输出 由于器件模块乘积项的限制 需要将一个大的功能模块分成若干个小 模块 在该设计中 将计数器分为几个四位计数器 将比较器分为几个二位比较 器和几个辅助计较器 接下去是对设计进行仿真 若仿真验证设计结果正确 就可对设计进行配置 和烧录 生成一块具有三路输出的p w m 波形发生器a s i c 当然 用一块芯片实现复杂系统功能仅仅是该类器件优点的一部分 该类器 件的另一个优点是修改方便 像i s p l s i 系列器件 不需将器件从系统中拔出 只需一个简单的烧录电路 不需消除原来的烧录电路就可以将修改后的设计烧录 至芯片 像前面所述的三路输出p w m 波形发生器 在实际应用中可能有不同的 要求 有的需要与单片机连接 有的需要提高精度 这些都只需在原有的设计上 略加修改 然后重新烧录即可 上述虽然是一个简单的例子 但是从中可看出对 于复杂的电力电子控制系统 该种设计方法将带来很大的方便 利用f p g a 构成 控制电路 设计节省了硬件资源 使电路工作更为可靠 也为高载频s p w m 波 浙江大学硕士学位论文 形生成器提供了一条快速实现途径 d a t a b u s 周期 寄存器 基准l 计数器l r r 而 瓣h 熟寄存器 j 寄存器 1 1 1 1 一 l 一 黼h 熬寄存器l7 l 寄存器 土一 黼h 熟寄存器i i 寄存器 r e f 叫燕 7 计斯暑导 l 厂 近塑爿磊 i 癣蕊 l 厂 题滩 2 2 3 双c p u 系统 图2 4用f p g a 的p w m 部分设计框图 由一片m c u 或d s p 加上存储器 模 数 数 模 转换单元和外设接口就可以构成一个 完整的控制系统 但这种方案若要达到高速实时控制则是不可行的 因为m c u 或d s p 除 要完成复杂的算法 还要采集处理数据 控制外部系统中的执行机构和实现人机接口等功能 而这些工作势必会大大延长系统对控制对象进行控制的周期 在单c p u 系统中 全部的 控制 监测和运算都由c p u 来完成 致使c p u 只能串行地完成任务 这将造成 两方面的结果 一是控制响应的速度很大程度上取决于c p u 的速度 c p u 则成 为系统性能提高的瓶颈 对于要求高速采样 控制 输出的应用 系统显得力不 从心 二是选择算法时必须放弃虽有较满意的性能 但计算量大的方案 因此自8 0 年代以来 国内外逐渐开始研制多c p u 型电源控制硬件结构 各 种方案总的来说可分为两类 一类是将保护功能和人机界面等功能分开 由不同 的c p u 分别承担电气量的采集与变换 控制逻辑运算 人机对话和打印输出 与上位机通信 数字量输入和处理等功能 这样的系统特点是模块化 能够实现 故障定位到板 开发保护的新功能方便 但接线复杂 各板之间联络线多 会影 响系统的可靠性 c p u 数目多 使得装置体积大且成本也较高 另一类是多c p u 并列处理式结构 不同保护功能 高频 距离等 由不同的c p u 完成 该系统 的特点是每个保护插件的硬件完全相同 只是e p r o m 中的运行程序不同 各板 间的联络线很少 因而维护检修方便 抗干扰能力强 此外 也可以只将信号采 集与处理的功能分离出来 由一个专用c p u 承担 而保护的其余任务仍旧留给 主c p u 完成 下面将介绍开关电源数控系统中常见的几种双c p u 结构特点及其应用 2 2 3 1m c u m c u 结构 埘札 阱乩 叫乱 浙江人学硕士学位论文 虽然d s p 具有高速信号采集和处理能力 但其价格昂贵 在一些精度和实时 性要不高的场合 可以用双m c u 单片机来代替d s p 一般将任务分为两块 测量 单片机和管理单片机 测量单片机专门负责对各电压 电流信号进行快速采样处 理 并根据其结果对可控硅的导通角及保护动作电路 d a 电路进行控制 而管 理单片机则从事键盘