（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的逆变电源数字化控制的研究.pdf

西北工业大学硕士论文 ab s t r a c t 4 0 0 h z i n v e rt e r i s a s p e c i a l p o w e r s s u p p l y u s e d i n t h e a e r o n a u t i c a l s y s t e m . t h e r e a r e s o m e d i s a d v a n t a g e s s u c h a s t o o m a n y c o n tr o l e l e m e n t s , u n fl e x i b le , b a d c o n s i s t e n c y . d u e t o a l l o f t h i s d i s a d v a n t a g e s o f a n a l o g c o n tr o l m o d e u s e d i n c u r re n t p r o d u c t s ,t h e i m p l e m e n t a t i o n o f d i g i t a l c o n tr o l l e r i s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r .t h e s y s t e m i s c o n tr o l l e d b y a t i t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p . t h e p a p e r w i l l g i v e a c o m p r e h e n s iv e i n tr o d u c t i o n a b o u t d i g i t a l c o n tr o l l e r o f 4 0 0 h z i n v e rt e r s u p p l y . t h e a p p l i c a t i o n o f d i g it a l p i d i s t h e p a p e r s e m p h a s e s . a t t h e s a m e t i m e ,w e g i v e a r e l a t i v e i n tr o d u c t i o n o n f u z z y p i d f i r s t , t h e d e v o l p e m n t o f i n v e r te r p o w e r i s d i s c u s s e d . o n t h e b a s i s o f t h i s ,w e g iv e d t h e h a r d w a r e d e s i g n p r o j e c t b a s e d o n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a . t h e n , t w o a r it h m e t i c ,d i g it a l p i d a n d f u z z y p i d t o b e d i s c u s s e d . we u s e d t h e s i m u l a t i n g s o ft wa r e - ma t l ab t o s i mu l a t i e a l l o f t h i s t wo a r i t h me t i c i n o r d e r t o c o n f i r m p a r a m e t e r o f t h e s y s t e m . l as t ,w e g i v e d t h e s o ft w a r e d e s i g n . t h e p r o g r a m i s w r o t e u s i n g c a n d c o m p l i e . a t a r e s u l t , t h e r e a d a b i l i t y a n d s p e e d o f t h e p r o g r a m i s i m p ro v e d b e tt e r . a t t h e s a m e t i m e ， w e e n h a n c e d t h e s y s t e m r e l i a b i l it y u s i n g t h e t e c h n i q u e o f a n t i 一 a m m i n g i n t h e p r o g r a m d i s i g n . k e y wo r d s : i n v e rt e r p o w e r s u p p l y ; d s p ; d i g i t a l p i d c o n tr o l ; f u z z y c o n tr o l ; 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 逆变电源的现状与发展 1 . 1 . 1电源技术的现状( 1 ) 电源技术是一种应用功率半导体器件、 综合电力变换技术、 现代电子技术、 自 动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与 现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前 电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通 讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高 质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。 当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数 的变换和控制相关， 电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理， 特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力 的支持.因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技 术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低 材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深 远的影响。 随着科学技术的发展，对电源技术的要求越来越高，规格品种越来越广。 特种电源 ( 或称工业电源)应用的对象具有多样性、新颖性和复杂性，要求特 种电源设备不仅要保证内在性能的完美，而且要赋予其各式各样特定的外特性 以及和外部的接口方式，这就决定了特种电源技术必须兼收并蓄众多学科的精 华，融合各行各业的科技成果。特种电源输入多为交流市电，输出有直流、交 流或脉冲形式. ( 1 )交流变频调速器 交流变频调速器电源驱动交流异步电动机实现无级调速，已在电气传动中 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 逆变电源的现状与发展 1 . 1 . 1电源技术的现状( 1 ) 电源技术是一种应用功率半导体器件、 综合电力变换技术、 现代电子技术、 自 动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与 现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前 电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通 讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高 质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。 当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数 的变换和控制相关， 电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理， 特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力 的支持.因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技 术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低 材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深 远的影响。 随着科学技术的发展，对电源技术的要求越来越高，规格品种越来越广。 特种电源 ( 或称工业电源)应用的对象具有多样性、新颖性和复杂性，要求特 种电源设备不仅要保证内在性能的完美，而且要赋予其各式各样特定的外特性 以及和外部的接口方式，这就决定了特种电源技术必须兼收并蓄众多学科的精 华，融合各行各业的科技成果。特种电源输入多为交流市电，输出有直流、交 流或脉冲形式. ( 1 )交流变频调速器 交流变频调速器电源驱动交流异步电动机实现无级调速，已在电气传动中 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 占据越来越重要的地位，并且已获得巨大的节能效果。应用于产业自动化、风 机、水泵流量控制等领域。将交流变频调速技术应用于空调器中，具有舒适、 节能等优点。 ( 2 ) 电解、电镀电源 电解、电镀电源要求稳流、稳压。电解生产需要消耗巨大的直流电能，由 大功率整流设备供给，采用晶闸管稳流，有载调压加饱和电抗器稳流方式。 ( 3 ) 高频逆变式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效率、 省材料的新型焊机电源， 代表了当今焊机电源的发展方向。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于 短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电 源的工作可靠性 称为关键问题. ( 4 ) 中频感应加热电源 中频感应加热电源可广泛应用于各行业的金属熔炼、表面淬火处理以及透 热管等领域。 至今仍主要采用快速或高频晶闸管， 与国外产品相比有一定差距。 ( 5 ) 电力操作电源 电 力操作电源是为发电 j-、 水电 站及5 0 0 k v , 2 2 0 k v , 1 1 0 k v , 3 5 k v 等各类 变电站提供直流供电的电源设备，包括供给短路器分合闸及二次回路的仪器仪 表、继电保护、控制、应急灯光等各类低压电器设备用电。 ( 6 ) 正弦波逆变电 源 正弦波逆变电源要求精度稳压、 稳频， 并要求波形品质。 4 0 0 h z 中频逆变电 源稳压精度大、波形失真度小、能适应各种负载。同时发展了邮电通讯专用逆 变电源，电力系统、发电厂及直流电池屏专用逆变电源，车船载逆变电源，太 阳能及风力发电系统专用逆变电源等。 ( 7 ) 大功率高频高压直流电源 大功率高频高压直流电源得到广泛的应用， 如工业上用于环保的静电除尘、 污水处理、 激光器等。医学方面用于x光机、 c t等大型设备。 科研上用于高能 物理、等离子体物理、军事上的雷达发射器。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 ( 8 ) 动态静止无功补偿装置 动态静止无功补偿装置在电压等级、装置容量上不断提高，实现了全数字 化计算控制。我国己在钢厂等企业得到了成功应用，取得了较大的经济效益和 社会效益。 1 . 1 . 2 逆变电源的发展方向 电 源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。 1 9 6 9 年诞生的逆变电 源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电 子和电气领域得到了极其广泛的应用。随着电力电子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， 逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛， 对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的 交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自 所 需要的电 能形式12 1 在电力电子技术的应用及各种电源系统中， 逆变电源技术均处于核心地位。 近年来，现代逆变电源技术的发展主要表现出以下几种趋势: 1 .高频化理论分析和实践经验表明:电器产品的变压器、电感和电 容的体 积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频 5 0 h z提高到 2 0 k h z ，提高4 0 0 倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5 - - 1 0 %, 其主要材料可以节约9 0 % 甚至更高，还可以节电3 0 % 甚至更多。由于功率电 子 器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态 化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深 刻体现技术含量的价值。 2 .模块化模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电 源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至七 单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“ 标准” 功率模 块( s p m ) 。 近年， 有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去， 构成了 “ 智能化” 功率模块 ( i p m) ，不但缩小了 整机的体积，更方便了整机的设 计制造。有些制造商开发了 “ 用户专用” 功率模块 ( a s p m ) ，它把一台整机的几 乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 ( 8 ) 动态静止无功补偿装置 动态静止无功补偿装置在电压等级、装置容量上不断提高，实现了全数字 化计算控制。我国己在钢厂等企业得到了成功应用，取得了较大的经济效益和 社会效益。 1 . 1 . 2 逆变电源的发展方向 电 源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。 1 9 6 9 年诞生的逆变电 源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电 子和电气领域得到了极其广泛的应用。随着电力电子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， 逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛， 对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的 交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自 所 需要的电 能形式12 1 在电力电子技术的应用及各种电源系统中， 逆变电源技术均处于核心地位。 近年来，现代逆变电源技术的发展主要表现出以下几种趋势: 1 .高频化理论分析和实践经验表明:电器产品的变压器、电感和电 容的体 积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频 5 0 h z提高到 2 0 k h z ，提高4 0 0 倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5 - - 1 0 %, 其主要材料可以节约9 0 % 甚至更高，还可以节电3 0 % 甚至更多。由于功率电 子 器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态 化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深 刻体现技术含量的价值。 2 .模块化模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电 源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至七 单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“ 标准” 功率模 块( s p m ) 。 近年， 有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去， 构成了 “ 智能化” 功率模块 ( i p m) ，不但缩小了 整机的体积，更方便了整机的设 计制造。有些制造商开发了 “ 用户专用” 功率模块 ( a s p m ) ，它把一台整机的几 乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 线连接， 把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电 应力降至最低，提高了系 统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余、提 高可靠性方面的考虑， 一般采用多个独立的模块电源并联工作， 采用均流技术， 所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他模块再平均分担负 载电力。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流 输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大 的 提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作， 而且为电源修复提供充分的时间。 3 .数字化 现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术日 趋完 善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变 失真、 提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、 也便于自 诊断， 容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。 4 .绿色化 随着各种政策法规的出台， 对无污染的绿色电 源的呼声越来越高。 绿色电源的含义有两层:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电 是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电 源不能对电网产生污染。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还 应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有 重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节 能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统 方法是采用无源功率因数校正技术，目 前较先进的方法是:单相输入的采用有 源功率因数校正技术，三相输入的采用s p w m高频整流提高功率因数。 5 .并机冗余技术 当今对供电系统的要求趋势一个是高可靠性， 一个是大功率 化， 这两者都与电源的并联运行控制密切相关。 并联运行主要有以下三个好处: 第一:可以用来灵活的扩大逆变电源系统的容量:第二，可以组成并联冗余系 统以 提高运行的可靠性;第三，具有极高的系统可维修性能， 在逆变器出 现故 障时， 可以 很方便的进行热拔更换或维修。因为， 这样的并联运行系统在各种 应用领域得到了广泛的推广和应用。当前，并联控制方式一般分为集中控制、 主从控制、分散逻辑控制和无线独立控制四种方案。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 第二节 逆变电源的控制技术 1 .2.1 功率半导体器件的发展 电力电子技术， 功率半导体器件的发展对电 源控制技术的发展影响极大，它 们是密切相关，相互促进的。近几十年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和 改变着电源控制的面貌和应用， 而功率器件的发展是电力电子技术发展的动力， 一代新型功率器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命. 自从上个世纪五十年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得 了飞速的发展。 六十年代后期， 可关断晶闸管g t o实现了门级可关断功能，并 使斩波工作频率扩展到 1 k h z以上。七十年代中期，高功率晶体管和功率 m o s f e t问 世， 功率器件实现了 全控功能， 使得高频应用成为可能。 八十年代， 绝缘栅门控双极型晶体管 ( i g b t )问 世，它综合了 功率 m o s f e t和双极型功 率晶体管两者的功能，是当前应用最为广泛的功率器件。 在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。目前，对每一类 功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是 经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计者带 来极大的方便。现在己可以做到使用一片驱动器件、一个驱动电源来驱动三相 逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电 源，隔离驱动等，大 大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。 由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是 模拟p i d闭 环，也必须将最终的输出 转化为数字电 平。因此， 在功率器件的 控 制中采用数字控制技术明显优于模拟控制技术，具体来讲，数字控制技术在用 于功率器件控制时有如下独特优点: 可严格控制最小开通， 最小关断时间以 及死区时间。 可以 非常简单的实现s p wm控制。 可将整个控制系统划分为若干不同工作状态， 针对不同的状态施加不同 的控制策略。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 第二节 逆变电源的控制技术 1 .2.1 功率半导体器件的发展 电力电子技术， 功率半导体器件的发展对电 源控制技术的发展影响极大，它 们是密切相关，相互促进的。近几十年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和 改变着电源控制的面貌和应用， 而功率器件的发展是电力电子技术发展的动力， 一代新型功率器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命. 自从上个世纪五十年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得 了飞速的发展。 六十年代后期， 可关断晶闸管g t o实现了门级可关断功能，并 使斩波工作频率扩展到 1 k h z以上。七十年代中期，高功率晶体管和功率 m o s f e t问 世， 功率器件实现了 全控功能， 使得高频应用成为可能。 八十年代， 绝缘栅门控双极型晶体管 ( i g b t )问 世，它综合了 功率 m o s f e t和双极型功 率晶体管两者的功能，是当前应用最为广泛的功率器件。 在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。目前，对每一类 功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是 经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计者带 来极大的方便。现在己可以做到使用一片驱动器件、一个驱动电源来驱动三相 逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电 源，隔离驱动等，大 大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。 由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是 模拟p i d闭 环，也必须将最终的输出 转化为数字电 平。因此， 在功率器件的 控 制中采用数字控制技术明显优于模拟控制技术，具体来讲，数字控制技术在用 于功率器件控制时有如下独特优点: 可严格控制最小开通， 最小关断时间以 及死区时间。 可以 非常简单的实现s p wm控制。 可将整个控制系统划分为若干不同工作状态， 针对不同的状态施加不同 的控制策略。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 借助于电流传感器、比较器， 可以实现限流保护， 控制。 可进行时序滤波，进一步提高抗干扰能力。 多个数字芯片可相互监视，互为看门狗。 强干扰环境， 远距离控制可方便的采用奇偶校验， 数字通信技术。 可进行故障自诊断，显示。 限流关断达到恒转矩 光电隔离，电流环等 1 . 2 .2 逆变电源控制器的发展 逆变电源的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。 由于模拟控 制器中 存在以下的缺点:1 。 控制电路的元器件比较多，电路复杂， 所占的体积 较大。2 。灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变。3 。最主要 的是，逆变电源不便于调试，参数不一致，因为所使用的器件各自的特性差异 致使各电源之间特性有所差异，电源的一致性不好。 4 。有些器件的一些参数 受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有以上这些都使得模拟控制器的 可重复性比较差，控制效果不理想。因此逆变电源的控制器逐渐朝数字化方向 发展。以前，由于受到控制器及外围芯片的限制，模拟控制器向数字控制器的 转变始终未得以圆满实现。 近年来， 大规模集成电路a s i c ， 现场可编程逻辑器 件f p g a及数字信号处理器d s p 技术的发展， 给数字控制器的研究提供了机会， 同时数字智能化 p wm 调制技术的控制技术也有了长足的发展。数字控制器与 模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制 精度高、对环境因素不敏感等优点。 随着现有的工业电气传动、自 动控制等许多领域对逆变电源产品需求的增 加，用户也不断提高对电源控制技术的要求。许多设备试图使用8 位或是准1 6 位的微处理器实现电源的数字化控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都 阻碍了 这一要求的实现. 在很多领域 ( 如航空航天) ， 用户希望使用高效率、 高 精度的逆变电源。这种电 源的控制可以通过使用先进的电源控制理论、采用高 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 借助于电流传感器、比较器， 可以实现限流保护， 控制。 可进行时序滤波，进一步提高抗干扰能力。 多个数字芯片可相互监视，互为看门狗。 强干扰环境， 远距离控制可方便的采用奇偶校验， 数字通信技术。 可进行故障自诊断，显示。 限流关断达到恒转矩 光电隔离，电流环等 1 . 2 .2 逆变电源控制器的发展 逆变电源的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。 由于模拟控 制器中 存在以下的缺点:1 。 控制电路的元器件比较多，电路复杂， 所占的体积 较大。2 。灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变。3 。最主要 的是，逆变电源不便于调试，参数不一致，因为所使用的器件各自的特性差异 致使各电源之间特性有所差异，电源的一致性不好。 4 。有些器件的一些参数 受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有以上这些都使得模拟控制器的 可重复性比较差，控制效果不理想。因此逆变电源的控制器逐渐朝数字化方向 发展。以前，由于受到控制器及外围芯片的限制，模拟控制器向数字控制器的 转变始终未得以圆满实现。 近年来， 大规模集成电路a s i c ， 现场可编程逻辑器 件f p g a及数字信号处理器d s p 技术的发展， 给数字控制器的研究提供了机会， 同时数字智能化 p wm 调制技术的控制技术也有了长足的发展。数字控制器与 模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制 精度高、对环境因素不敏感等优点。 随着现有的工业电气传动、自 动控制等许多领域对逆变电源产品需求的增 加，用户也不断提高对电源控制技术的要求。许多设备试图使用8 位或是准1 6 位的微处理器实现电源的数字化控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都 阻碍了 这一要求的实现. 在很多领域 ( 如航空航天) ， 用户希望使用高效率、 高 精度的逆变电源。这种电 源的控制可以通过使用先进的电源控制理论、采用高 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 效的控制算法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器 ( d s p )来解决电源控制器不断增加的计算 量和速度需求是目 前最为普遍的做法。 将一系列外围设备如模数转换器( a i d ) , 脉宽调制发生器 ( p wm)和数字信号处理器 ( d s p )集成在一起，就获得一个 功能强大又非常经济的电 源控制芯片。 近年来， 各种集成化的单片d s p的 性能 得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好;同时价格却大幅度降 低，低端产品的价格己接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性价 比。 越来越多的单片机用户开始选用d s p 器件来提高产品的性能， d s p 器件取 代高档单片机的时机己成熟。 首先， 与单片机相比， d s p 器件具有较高的集成度。 d s p 具有更快的c p u , 更大容量的存储器， 内置有波特率发生器和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 集成了a / d和采样探持电路，可提供p wm输出。 更为不同的是， d s p 器件为精简指令器件， 大多数指令都能在一个周期内完成， 并且通过并行处理技术， 使一个指令周期内可完成多条指令。同时d s p 采用改 进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。又配 有内置高速硬件乘法器、多级流水线、使d s p 器件具有高速的数据计算能力。 而单片机为复杂指令系统计算机 ( c i s c ) ，多数指令要2 - 3 个指令周期来完成。 单片机采用冯诺依曼结构。程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访 问指令和数据。a l u只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指 令周期， 也就是说速度比 较慢。 所以，结构上的差异使d s p 器件比 准 1 6 位单 片机单指令执行时间快8 - 1 0 倍， 完成一次乘法运算快1 63 0 倍。 d s p 器件还提 供了高度专业化的指令集，提供了f f t快速傅立叶变换和滤波器的运算速度。 此 外， d s p 器件提 供了j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 接口 ， 具有更 先 进的 开 发手段，批量生产测试更方便。 其次， 基于d s p 芯片制造的电源控制器可以降低对传感器等外围器件的要 求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利 技术的保密。 现在各大d s p生产厂家都推出面向电源控制的内嵌式d s p 专用集 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 成电 路。 如占d s p 市场份额4 5 %的美国德州仪器公司， 凭借自己的实力， 推出 了专用于电 机、电 源控制的d s p芯片 t m s 3 2 0 x f 2 4 0 。 集成化d s p 核、事件管 理器和单片式 a / d 设计等诸多功能块集成在一起，就可以提供一个单芯片式数 字电源控制方案。该系列中的d s p 芯片包括一个4 0 mi p s d s p 核，两个事件管 理器，3 2 位的中央算术逻辑单元，双 1 0 位a / d转换器，6 4 k的v 0空间和一 个3 2 k字的闪速存储器， 它利用t ms 3 2 0 的定点d s p 软件开发工具和j t a g仿 真支持，可使电源控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用.另外， 美国模拟设备公司( a d) 也不甘落后， 与著名的i n t e l 公司合作， 生产出a d mc 3 x x 系列电机控制专用 d s p ， 性能与t i 公司的产品相差不大， 也是基于a d公司的 1 6 位定点d s p设计的，而且还集成了 三相p wm发生器 ( 1 6 位) 和a / d转换 器。其他比较有名的生产d s p 厂商还有mo t o r o l a 公司和n e c公司。 第三，d s p运算速度快， 控制策略中可以使用先进的实时算法，如自 适用 控制、卡尔曼滤波、状态预估等， 大大提高控制系统的品质。而且d s p 控制软 件可用c语一言、 汇编语言编写或者二者嵌套使用。 因此采用d s p芯片制造的电 源控制器便于用户的调试和应用。 1 . 2 .3逆变电源控制方法现状 逆变器控制由 最早的开环控制发展到输出电压瞬时值反馈控制，由模拟控 制逐渐发展到了数字控制，从而大幅度提高了电源系统的性能。目 前逆变器的 控制一般采用反馈控制，同时控制方法由 模拟控制方式转变为数字控制方式也 是一种趋势。在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目 前国内外研究的比 较多 的主要有数字p i d控制，无差拍控制， 状态反馈控制，重复控制， 滑模变结构 控 制， 模 糊控 制以 及神 经网 络 控 制 等 13 1 p i d控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分 依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得 到了 广泛的应用。随着微处理器技术的发展和数字智能控制器的实际应用，许 多新型数字p i d算法不停出现。p i d控制算法具有较快的动，静态响应特性。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 成电 路。 如占d s p 市场份额4 5 %的美国德州仪器公司， 凭借自己的实力， 推出 了专用于电 机、电 源控制的d s p芯片 t m s 3 2 0 x f 2 4 0 。 集成化d s p 核、事件管 理器和单片式 a / d 设计等诸多功能块集成在一起，就可以提供一个单芯片式数 字电源控制方案。该系列中的d s p 芯片包括一个4 0 mi p s d s p 核，两个事件管 理器，3 2 位的中央算术逻辑单元，双 1 0 位a / d转换器，6 4 k的v 0空间和一 个3 2 k字的闪速存储器， 它利用t ms 3 2 0 的定点d s p 软件开发工具和j t a g仿 真支持，可使电源控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用.另外， 美国模拟设备公司( a d) 也不甘落后， 与著名的i n t e l 公司合作， 生产出a d mc 3 x x 系列电机控制专用 d s p ， 性能与t i 公司的产品相差不大， 也是基于a d公司的 1 6 位定点d s p设计的，而且还集成了 三相p wm发生器 ( 1 6 位) 和a / d转换 器。其他比较有名的生产d s p 厂商还有mo t o r o l a 公司和n e c公司。 第三，d s p运算速度快， 控制策略中可以使用先进的实时算法，如自 适用 控制、卡尔曼滤波、状态预估等， 大大提高控制系统的品质。而且d s p 控制软 件可用c语一言、 汇编语言编写或者二者嵌套使用。 因此采用d s p芯片制造的电 源控制器便于用户的调试和应用。 1 . 2 .3逆变电源控制方法现状 逆变器控制由 最早的开环控制发展到输出电压瞬时值反馈控制，由模拟控 制逐渐发展到了数字控制，从而大幅度提高了电源系统的性能。目 前逆变器的 控制一般采用反馈控制，同时控制方法由 模拟控制方式转变为数字控制方式也 是一种趋势。在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目 前国内外研究的比 较多 的主要有数字p i d控制，无差拍控制， 状态反馈控制，重复控制， 滑模变结构 控 制， 模 糊控 制以 及神 经网 络 控 制 等 13 1 p i d控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分 依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得 到了 广泛的应用。随着微处理器技术的发展和数字智能控制器的实际应用，许 多新型数字p i d算法不停出现。p i d控制算法具有较快的动，静态响应特性。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 无差拍控制是一种基于精确的p wm逆变器模型的控制方法，它主要是实 现系统的零极点对消。1 9 5 9 年是由k a l m a n 首先提出的。1 9 8 5 年，g o k h a l e 在 p e s c年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制。 在迄今为止的十余年中， 不 断有许多学者对它进行深入的研究， 但始终没有获得工业应用。 从本质上来说， 无差拍控制是一种基于理想电路方程的控制方法，对于固定线形负载来说，该 控制方法取得了良 好的效果。但电路方程的形式与系数必然随着电路元件的性 质与参数的变化而变化，即该方法对系统参数反应灵敏。一旦系统参数发生变 化或系统模型建立不正确，系统将会出现振荡，且空载时由于算法的不足出现 十分严重的震荡。 状态反馈控制是由台湾邹应屿等人于1 9 9 4 年提出的。 此控制方法的数学模 型与无差拍控制的一样，一般是根据时域指标提出一组期望的极点，通过对反 馈增益矩阵的设计，使闭环系统的极点恰好处于根平面上所期望的位置，以获 得期望的动态特性即所谓的极点配置问题。 此控制方法可实现系统极点的配置， 所以克服了无差拍控制空载时振荡的 缺点。 逆变器工作在一种稳定状态。 重复控制是一种十分有效的波形校正技术，是基于内 模原理的控制技术。 此控制方法早期应用于重复性机械运动机构的控制， 如机器人， 磁盘驱动器等。 近年来在u p s 逆变电源的波形控制中也得到了 应用，获得了良 好的控制效果。 它对于消除非线形负载及其它周期性千扰引起的波形畸变，具有非常明显的效 果。系统稳定性和各棒性都很好，但是由于存在一个周期轮空不调，系统动态 特性较差。 滑模变结构控制理论始于五十年代，它最显著的 特点是滑动模态具有完全 自 适应性，对参数变动和外部扰动不敏感，非常适用于闭 环反馈控制的拖动系 统 及正弦 波逆变器中. 九 十年代中 后期， 台 湾的 邹应屿和香 港大学的l .k . w a n g 等人将离散滑模变结构控制理论应用到逆变器中，获得了良 好的控制效果。滑 模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪无差及 其到输运行于相平面一条固定的滑模曲线上， 与系统参数变动及外部扰动无关， 因 此系统具有极强的鲁棒性。 但是， 变结构控制中存在抖动问题，使得波形跟 踪质量较差，输出波形不及重复控制和无差拍控制。 模糊控制，主要是模糊p i d控制，是为了解决传统p i d控制鲁棒性差的问 题而提出的一种智能控制策略。它首先将输入的精确两 ( 一般为跟踪无差及其 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 导数) 转换为模糊量，然后根据专家经验总结的语言规则进行模糊推理，根据 推理结果确定当前情况下最适合的p i d控制其参数。模糊控制系统就像一个有 经验的专家一样，能根据实际情况变动控制器参数，因此大大提高了控制系统 的鲁棒性，改善了逆变器系统对非线性负载的适应能力。 神经网络控制是近几年来星期的一种智能控制方式，九十年代初，日本的 y o s h i h i s a 等人将人工神经网络技术应用到逆变器中， 构成一个数字典刘调节器。 一 九九 九 年的p e d s 年 会上， 香港大 学的x i a o s u n 及浙大的f r a n k h .f .l e u n g 等 人将神经网络技术应用到逆变器输出波形控制上。它模拟人的大脑实现对系统 的控制。它的最大优点是不仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用，而 大多数系统 ( 包括逆变电源系统)或多或少的都带有非线性因素.但因为硬件 系统的限 制，目 前还不能实现在线神经网络波形控制，多数应用都是采用离线 学习 获得优化的控制规律， 然后利用得到的 规律实现系统的 在线控制。由 于其 控制规律的获得不依赖于系统模型，而且学习实例包含了各种情况，因此系统 的鲁棒性特别强，适用于各种负载情况。但是由于学习情况比较复杂，目 前该 方法仅限于实验室阶段。 以 上即为现阶段各种控制方法的简单介绍， 在以 后的章节会对滞环电 流控 制和模糊p i d控制进行详细的介绍。 1 .2 .4本选题的意义 现在，电源技术的发展使得用新型、 必然。传统的稳压电源一般都是线形电源 术的发展，开关电源的开关频率越来越高， 高效的开关电源取代传统电源己成为 ，这种电源效率低、体积大。随着技 使得电源的小型、轻量化成为可能。 电 源工作在开关状态，从原理上讲是低损耗的。 本电 源就是用新型的数字化开 关电源取代传统电源，其特点就是效率高、体积小、保护完善等。 1 . 2 . 5本论文的 研究内 容 本论文对基于d s p 的逆变电源控制器进行了研究，完成了相关控制功能 的设计。具体来讲，有以下几个方面: 系统硬件的设计。在充分了解了t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 的各种功能模块的基础 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 导数) 转换为模糊量，然后根据专家经验总结的语言规则进行模糊推理，根据 推理结果确定当前情况下最适合的p i d控制其参数。模糊控制系统就像一个有 经验的专家一样，能根据实际情况变动控制器参数，因此大大提高了控制系统 的鲁棒性，改善了逆变器系统对非线性负载的适应能力。 神经网络控制是近几年来星期的一种智能控制方式，九十年代初，日本的 y o s h i h i s a 等人将人工神经网络技术应用到逆变器中， 构成一个数字典刘调节器。 一 九九 九 年的p e d s 年 会上， 香港大 学的x i a o s u n 及浙大的f r a n k h .f .l e u n g 等 人将神经网络技术应用到逆变器输出波形控制上。它模拟人的大脑实现对系统 的控制。它的最大优点是不仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用，而 大多数系统 ( 包括逆变电源系统)或多或少的都带有非线性因素.但因为硬件 系统的限 制，目 前还不能实现在线神经网络波形控制，多数应用都是采用离线 学习 获得优化的控制规律， 然后利用得到的 规律实现系统的 在线控制。由 于其 控制规律的获得不依赖于系统模型，而且学习实例包含了各种情况，因此系统 的鲁棒性特别强，适用于各种负载情况。但是由于学习情况比较复杂，目 前该 方法仅限于实验室阶段。 以 上即为现阶段各种控制方法的简单介绍， 在以 后的章节会对滞环电 流控 制和模糊p i d控制进行详细的介绍。 1 .2 .4本选题的意义 现在，电源技术的发展使得用新型、 必然。传统的稳压电源一般都是线形电源 术的发展，开关电源的开关频率越来越高， 高效的开关电源取代传统电源己成为 ，这种电源效率低、体积大。随着技 使得电源的小型、轻量化成为可能。 电 源工作在开关状态，从原理上讲是低损耗的。 本电 源就是用新型的数字化开 关电源取代传统电源，其特点就是效率高、体积小、保护完善等。 1 . 2 . 5本论文的 研究内 容 本论文对基于d s p 的逆变电源控制器进行了研究，完成了相关控制功能 的设计。具体来讲，有以下几个方面: 系统硬件的设计。在充分了解了t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 的各种功能模块的基础 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 导数) 转换为模糊量，然后根据专家经验总结的语言规则进行模糊推理，根据 推理结果确定当前情况下最适合的p i d控制其参数。模糊控制系统就像一个有 经验的专家一样，能根据实际情况变动控制器参数，因此大大提高了控制系统 的鲁棒性，改善了逆变器系统对非线性负载的适应能力。 神经网络控制是近几年来星期的一种智能控制方式，九十年代初，日本的 y o s h i h i s a 等人将人工神经网络技术应用到逆变器中， 构成一个数字典刘调节器。 一 九九 九 年的p e d s 年 会上， 香港大 学的x i a o s u n 及浙大的f r a n k h .f .l e u n g 等 人将神经网络技术应用到逆变器输出波形控制上。它模拟人的大脑实现对系统 的控制。它的最大优点是不仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用，而 大多数系统 ( 包括逆变电源系统)或多或少的都带有非线性因素.但因为硬件 系统的限 制，目 前还不能实现在线神经网络波形控制，多数应用都是采用离线 学习 获得优化的控制规律， 然后利用得到的 规律实现系统的 在线控制。由 于其 控制规律的获得不依赖于系统模型，而且学习实例包含了各种情况，因此系统 的鲁棒性特别强，适用于各种负载情况。但是由于学习情况比较复杂，目 前该 方法仅限于实验室阶段。 以 上即为现阶段各种控制方法的简单介绍， 在以 后的章节会对滞环电 流控 制和模糊p i d控制进行详细的介绍。 1 .2 .4本选题的意义 现在，电源技术的发展使得用新型、 必然。传统的稳压电源一般都是线形电源 术的发展，开关电源的开关频率越来越高， 高效的开关电源取代传统电源己成为 ，这种电源效率低、体积大。随着技 使得电源的小型、轻量化成为可能。 电 源工作在开关状态，从原理上讲是低损耗的。 本电 源就是用新型的数字化开 关电源取代传统电源，其特点就是效率高、体积小、保护完善等。 1 . 2 . 5本论文的 研究内 容 本论文对基于d s p 的逆变电源控制器进行了研究，完成了相关控制功能 的设计。具体来讲，有以下几个方面: 系统硬件的设计。在充分了解了t ms 3 2 0