现代电力电子控制技术基础知识(ppt 147页).ppt

教案编写：肖强晖廖无限,授课教师：肖强晖,电气工程系电气工程教研室,现代电力电子技术ModernPowerElectronics,第9章现代电力电子控制技术基础,重点和难点,1、掌握PWM控制技术的类型及其工作原理。2、掌握空间矢量和坐标变换原理3、了解通用瞬时功率理论4、电力电子数字控制结构5、了解微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）在电力电子技术中的基本应用。6、在电力电子技术中运算放大器的选择原则及其常用的运放电路,第9章现代电力电子控制技术基础,9.1PWM控制技术9.2空间矢量和坐标变换9.3通用瞬时功率理论简介9.4电力电子数字控制结构9.5微控制器（MCU）9.6数字信号处理器（DSP）9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）9.8运算放大器的选择9.9电力电子控制常用运放电路,9.1PWM控制技术,9.1.1PWM控制技术概述9.1.2正弦PWM技术9.1.3优化PWM技术9.1.4随机PWM技术9.1.5小结,9.1.1PWM控制技术概述,随着采用电机控制专用型DSP芯片实现PWM技术数字化以后，花样更是不断地翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁链的正弦；从效率最优、转矩脉动最小，再到消除噪声等，PWM控制技术经历了一个不断完善与发展的过程。,9.1.1PWM控制技术概述,1964年，A.Schonung和H.Stemmler在BBC评论上发表文章，将通信系统中的调制技术引入到交流电气传动中，产生了正弦脉宽调制（SPWM）变频变压的思想，从而为交流电气传动的推广应用开辟了新的局面。所谓PWM技术就是利用电力半导体器件的开通和关断产生一定形状的电压脉冲序列，（再经过一定的低通滤波器后）来实现电能变换，并有效地控制和消除谐波的一种技术。,9.1.1PWM控制技术概述,PWM控制技术可以分为三大类：正弦PWM（包括以电压、电流或磁链波形的正弦为目标的各种PWM方案）、优化PWM及随机PWM。当然从实现的方法上看，大致有模拟式和数字式两种。,9.1.1PWM控制技术概述,以PWM控制方式运行所引起的主要问题有电流畸变、变换器的开关损耗、负载的谐波损耗以及用于交流调速系统时电机的转矩脉动。这些影响可以用以下性能指标来描述。1.电流谐波谐波电流有效值为,(9-1),其中，为电流的基波分量，不仅与变流器的PWM控制方式有关，而且还与负载的阻抗特性有关。,9.1.1PWM控制技术概述,电流谐波畸变率(TotalHarmonicDistortion),(9-2),9.1.1PWM控制技术概述,2.谐波频谱各频率分量在非正弦电流中所占的份额可用谐波电流频谱来表示，它能够比电流谐波畸变率THD提供更详细的说明。在同步PWM中，可以得到离散电流频谱，载波频率为,(9-3),9.1.1PWM控制技术概述,2.谐波频谱其中，N是载波比。载波比N值受到,(9-4),条件的限制，为电力半导体开关器件的允许频率，为最高基波频率。,9.1.1PWM控制技术概述,3.最大调制度调制度m定义为调制信号峰值与三角载波信号峰值之比，即,(9-5),m值在01之间变化，以调节变换器输出电压的大小，它体现了直流侧母线电压的利用率。在N值较大时，一般取最高的m0.80.9。,9.1.1PWM控制技术概述,4.转矩脉动在交流电机中，转矩脉动的标么值表示为,(9-6),其中，Tmax为最大电磁转矩；Tav为平均转矩；TN为电机额定转矩。虽然谐波转矩是由谐波电流产生的，但两者之间并没有精确的关系。,9.1.1PWM控制技术概述,5.开关频率和开关损耗一般而言，电力半导体器件开关频率的增加可以使变流器交流侧的电流谐波畸变减少，从而提高系统的性能。但是由于开关器件受到开关损耗的限制，开关频率并不能够随便增加，这是因为：开关器件的开关损耗与其开关频率成正比开关器件的开关频率随着器件容量的增加而趋于降低。例如，大功率GTO（如6000V/6000A容量的GTO）的开关频率只有500Hz左右；而大功率IGBT（如4500V/1200A容量的IGBT）的开关频率只有210kHz,9.1PWM控制技术,9.1.1PWM控制技术概述9.1.2正弦PWM技术9.1.3优化PWM技术9.1.4随机PWM技术9.1.5小结,9.1.2正弦PWM技术,最常用的PWM技术就是正弦PWM（SinePWMSPWM）。这种SPWM的脉冲宽度按正弦规律变化，因此可以有效地抑制低次谐波，从而大大改善了变流器（包括整流器和逆变器）的各项性能。主要有：1.电压正弦PWM技术2.电流正弦PWM技术3.磁链正弦PWM技术,9.1.2正弦PWM技术,1.电压正弦PWM技术电压SPWM技术可以采用拟电路、数字电路或大规模集成电路芯片来实现。采用模拟电路时模，先由振荡器分别产生正弦波和三角波信号，然后通过比较器产生出PWM控制信号，以此来确定变流器某一相桥臂的上下开关器件的开通与关断。这种实现方法，使得系统的分立元器件过多，控制线路复杂，精度也难以得到保证。目前，随着电机控制专用DSP芯片开始普及与应用，数字化PWM技术得到了迅速的发展，典型的数字化PWM方法有自然采样PWM和规则采样PWM两种方法。在数字化PWM控制中，首先需要通过CPU计算出一个采样周期内的输出脉冲宽度和间隙时间，时间的改变则通过定时器来完成。,9.1.2正弦PWM技术,自然采样PWM见下图所示，虽然自然采样PWM可以真实地反映输出脉冲宽度信息，但是其脉冲宽度为,(9-7),其中，时间ta、tb是未知的，所以这是一个超越方程，需要计算机迭代求解，难以适用于计算机实时控制。,图9-1自然采样PWM,9.1.2正弦PWM技术,规则采样PWM则是对自然采样PWM的一种简单近似处理。它又可以分为对称规则采样PWM和不对称规则采样PWM两种方法，分别如图9-2（a）和(b)所示。此时脉冲宽度分别为,（a）对称规则采样PWM,（b）不对称规则采样PWM,图9-2规则采样PWM,9.1.2正弦PWM技术,规则采样PWM对称规则采样PWM和不对称规则采样PWM脉冲宽度分别为,(9-8),(9-9),式（9-8）是采用对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式；,式（9-9）则是使用不对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式。由于此时的、是已知的（通过采样时刻得到的采样值可以反推出），因此可以采用CPU快速地计算出每相的脉冲宽度和间隙时间。,9.1.2正弦PWM技术,规则采样PWM具有实时实现容易、线性度好等优点，但是和自然采样PWM一样，具有电压利用率低的缺点，输出线电压的峰值只能达到直流侧母线电压的0.866倍。电压SPWM技术还有其他的实现方法，如等面积法、连续移相法等，这里就不一一介绍。,9.1.2正弦PWM技术,2.电流正弦PWM技术变流器的控制性能主要取决于电流的控制质量，为了满足电机控制良好的动态性能，经常采用电流的闭环控制，即采用电流正弦PWM技术。此外，在电力电子其他应用领域中如有源电力滤波器等也广泛应用这一技术。目前实现电流SPWM的方法很多，包括PI控制、滞环电流控制、固定开关频率的Delta电流控制、无差拍控制及预测电流控制等几种，它们均具有控制简单和动态响应速度快的特点，但是其直流侧母线电压的利用率仍然较低。,9.1.2正弦PWM技术,2.电流正弦PWM技术最初的电流反馈控制就是采用通常的PI调节器的方法分别控制三相电流，PI调节器的输出和三角波信号进行比较后产生出PWM控制信号。这种方法的问题是电流反馈需要加较大的滤波，以保证PI调节效果；另外，还存在电流移相。此方法的一种改进是在-坐标系中，将需要调节的三相电流变换为轴和轴直流量，而PI调节器则直接对轴和轴电流进行调节，其输出再经旋转坐标变换为三相正弦电压，再和三角波比较输出PWM控制信号。,9.1.2正弦PWM技术,2.电流正弦PWM技术在电流SPWM控制方式中，最简单、曾经广泛应用于小功率调速系统中的是电流滞环PWM控制，即将正弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结果决定逆变器桥臂的上下开关器件的开通和关断。这种方法可以使得实际电流与电流参考的误差约束在滞环带内，而且采用模拟电路实现简单，动态性能优良，具有强鲁棒性。,9.1.2正弦PWM技术,2.电流正弦PWM技术电流滞环PWM控制方式也存在明显的缺陷：存在非优化的开关过程，在低调制度时造成开关频率很高；由于相间实际存在相互影响，电流误差经常超出滞环带；开关频率不固定，与电路参数、负载情况及滞环宽度等因素有关；谐波电流频谱随机分布，不利于交流侧LC滤波器的设计。之后，发展了固定开关频率的Delta电流控制。实际上，这种控制方法就和全数字化PWM控制非常接近了。,9.1.2正弦PWM技术,2.电流正弦PWM技术为了解决有限采样频率下实现电流的有效控制，J.Holtz和A.Kawamura等人提出了电流预测控制和无差拍控制的思想。所谓电流预测控制就是在采样周期的开始，根据电流的当前误差和负载情况选择一个使误差趋于零的电压矢量去控制变流器中开关器件的通断。也就是说以开关顺序的在线优化为出发点，选择一定的电压矢量来控制电流矢量的轨迹，使它相对于参考电流矢量保持最小的空间误差。因此，这是一种典型的全数字化PWM方案。该控制方式的控制精度依赖于系统的参数。这里对电流预测控制和无差拍控制不做进一步的讨论。,9.1.2正弦PWM技术,3.磁链正弦PWM技术磁链正弦PWM（即电压空间矢量PWMSpaceVectorPWM，简称SVPWM）与电压SPWM不同，它是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁链，即正弦磁链。在理想三相供电电压下的空间电压合成矢量为,(9-10),9.1.2正弦PWM技术,3.磁链正弦PWM技术在理想情况下，电压空间矢量为圆形旋转矢量，而磁链为电压矢量的时间积分，也是圆形的旋转矢量。为了使逆变器的输出电压矢量接近圆形，并最终获得圆形的旋转磁链，必须利用逆变器的输出电压矢量的时间组合，形成多边形电压矢量轨迹，使之更加接近圆形。目前，磁链SPWM多采用控制电压矢量的导通时间的方法，用尽可能多的多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁链。,9.1.2正弦PWM技术,3.磁链正弦PWM技术在一个开关周期中利用两个有效电压矢量的平均值等效给定电压矢量在此开关周期中的采样值。即：,（9-11）,（9-12）,9.1.2正弦PWM技术,3.磁链正弦PWM技术在下一个开关周期内，电压矢量的作用顺序为：,一种具体的PWM脉冲分布如图9-3所示。各电压矢量的作用顺序要遵守以下的原则：任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂的开关动作，表现在二进制矢量表示中只有一位变化。这是因为如果允许有两个或三个桥臂的开关同时动作，则在线电压的半周期内会出现反极性电压脉冲，产生反向转矩，引起转矩脉动和电磁噪声。,9.1.2正弦PWM技术,3.磁链正弦PWM技术,图9-3一种具体的PWM脉冲分布,9.1.2正弦PWM技术,3.磁链正弦PWM技术的幅值达到上限时，逆变器的输出线电压基波幅值就等于直流侧母线电压，比SPWM高出15%，而且谐波电流的总有效值接近于优化。可以说SVPWM实质上是一种带谐波注入的调制方法。,9.1PWM控制技术,9.1.1PWM控制技术概述9.1.2正弦PWM技术9.1.3优化PWM技术9.1.4随机PWM技术9.1.5小结,9.1.3优化PWM技术,正弦PWM一般随着电力半导体器件开关频率的提高会获得很好的性能，因此在中小功率电机控制系统中得到广泛应用。但是，对于大容量电力电子系统来说，较高的开关频率会导致较大的开关损耗，因而是不可取的。所谓优化PWM就是根据某一优化目标将所有工作频率范围内的开关角度预先计算出来，然后通过查表或其他方式输出PWM控制信号。由于每个周期只有可数的几次开关动作，因此开关角度的小变化对谐波含量的影响较大。目前都采用存表，然后通过少量的插值计算或近似简化计算的方法来输出PWM波形。,9.1.3优化PWM技术,1.谐波消除法事实上，人们早在20世纪60年代就发现，在方波电压中增加几次开关动作，可以大大削弱某次特定的低次谐波，如5、7、11次谐波等，从而使输出的电流波形非常接近于正弦波。这种方法一般只把影响系统性能的低次谐波消除掉，而其线电压基波幅值可以超过直流侧母线电压，因此电压的利用率很高。所以，在大功率逆变器中应用较多。其主要缺点是实时控制困难，且高次谐波的幅值增大了，这会引起损耗的相应增加。,9.1.3优化PWM技术,2.效率最优PWM技术这种方法是以效率最优为目标，因为效率是和负载大小有关的，因此，在求解效率最优PWM的过程中，应考虑负载的变化。值得注意的是，在整个电压范围内，效率最优PWM的开关角度不是连续变化的，这几乎是所有优化PWM的共同特征。3.转矩脉动最小PWM这种方法是以转矩脉动最小为目标。这里不做进一步介绍。,9.1PWM控制技术,9.1.1PWM控制技术概述9.1.2正弦PWM技术9.1.3优化PWM技术9.1.4随机PWM技术9.1.5小结,9.1.4随机PWM技术,1.随机PWM技术概述PWM逆变器的电流中均含有谐波分量，此谐波电流会引起转矩脉动。以SVPWM逆变器为例，其幅值较大的电流谐波主要分布在一倍和两倍的PWM开关频率的频带内。因而，由谐波电流引起的电磁噪声集中在和2频率附近。为了抑制交流调速系统中的噪声，一种方法是提高开关频率，使之超过20kHz，但是这样会伴随着较高的开关损耗；另一种方法就是采用随机PWM控制技术，从改变噪声的频谱分布入手，使逆变器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。,9.1.4随机PWM技术,2.随机PWM技术基于随机PWM的方法分为三类：随机开关频率PWM、随机脉冲位置PWM、随机开关PWM。随机开关频率PWM是目前随机PWM中最常用的一种方法，它通过随机改变开关频率而使电机电磁噪声近似为限带白噪声。尽管噪声的总分贝数没有改变，但是有色噪声的强度被大幅度地削弱了，从而有利于逆变器的现场运行。随机脉冲位置PWM是一种简单而有效的随机PWM控制方法，它通过随机地选择每个采样周期的脉宽位置，要么使之位于采样周期的开始部分（超前方式），要么使之位于采样周期的结束部分（滞后方式）。随机开关PWM与SPWM控制相似，通过参考电压波形与一个幅值为随机数的随机信号进行比较，以此决定对应相的桥臂是上臂还是下臂的开关器件导通，它尤其适合于采用高的开关频率来实现高性能输出电流的应用场合，这就相对限制了它的适用范围。,9.1PWM控制技术,9.1.1PWM控制技术概述9.1.2正弦PWM技术9.1.3优化PWM技术9.1.4随机PWM技术9.1.5小结,9.1.5小结,1.随着电机控制专用DSP技术的发展，全数字化PWM技术已经开始取代模拟式PWM，成为电力电子设备中共用的核心技术。目前广泛应用的是在规则采样PWM基础上发展起来的电压空间矢量PWM控制（SVPWM），它具有计算简单、定时控制容易的特点。2.所有PWM技术的不同之处都在于对谐波控制的不同。3.PWM变流器在大功率和高频化等方面尚有大量工作有待进行。4.消除机械和电磁噪声的最佳方法并不是盲目地提高装置或系统的工作（开关）效率，而随机PWM控制则提供了一个全新的发展思想。,第9章现代电力电子控制技术基础,9.1PWM控制技术9.2空间矢量和坐标变换9.3通用瞬时功率理论简介9.4电力电子数字控制结构9.5微控制器（MCU）9.6数字信号处理器（DSP）9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）9.8运算放大器的选择9.9电力电子控制常用运放电路,9.2空间矢量和坐标变换,9.2.1空间矢量9.2.2坐标变换,9.2.1空间矢量,三相电压或电流采用空间矢量的分析方法，就是将三相瞬时值作为空间的一个矢量来处理。将三相互差120电角度的相电压或电流的瞬时值，在各方向合并成为矢量。它们的三相合成矢量就是电压或电流的空间矢量。在交流电机三相绕组上施加电压或流过电流，合成的磁场方向和大小可用矢量图表示为图9-4。由三相正弦波电压或电流产生的空间矢量轨迹可描述成一个随时间逆时针方向旋转的，其轨迹是以原点O为圆心的圆。,9.2.1空间矢量,三相电压或电流采用空间矢量的分析方法，就是将三相瞬时值作为空间的一个矢量来处理。将三相互差120电角度的相电压或电流的瞬时值，在各方向合并成为矢量。它们的三相合成矢量就是电压或电流的空间矢量。在交流电机三相绕组上施加电压或流过电流，合成的磁场方向和大小可用矢量图表示为图9-4。由三相正弦波电压或电流产生的空间矢量轨迹可描述成一个随时间逆时针方向旋转的，其轨迹是以原点O为圆心的圆。,9.2.1空间矢量,（9-13）,（9-14）,图9-4空间矢量图,9.2.1空间矢量,电流空间矢量表示为：,（9-15）,（9-16）,（9-17）,9.2.1空间矢量,图9-5电流空间矢量图,（9-18）,9.2空间矢量和坐标变换,9.2.1空间矢量9.2.2坐标变换,9.2.2坐标变换,如将空间矢量表示成复数形式时，会使得坐标变换的表示简单化，有时根据具体需要又可分解出复数的实部和虚部，即求出相互垂直（独立）的各个分量，所以简单方便。,9.2.2坐标变换,坐标变换：,坐标反变换：,（9-19）,（9-20）,（9-21）,（9-22）,9.2.2坐标变换,其中，,坐标变换到坐标反变换的过程，参见图9-6和图9-7,（9-25）,（9-24）,（9-23）,（9-26）,9.2.2坐标变换,图9-6坐标变换,9.2.2坐标变换,图9-7坐标反变换,9.2.2坐标变换,（9-27）,9.2.2坐标变换,（9-28）,9.2.2坐标变换,第9章现代电力电子控制技术基础,9.1PWM控制技术9.2空间矢量和坐标变换9.3通用瞬时功率理论简介9.4电力电子数字控制结构9.5微控制器（MCU）9.6数字信号处理器（DSP）9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）9.8运算放大器的选择9.9电力电子控制常用运放电路,9.3通用瞬时功率理论简介,9.3.1传统功率理论9.3.2通用瞬时功率理论（重点/难点）,9.3.1传统功率理论,9.3.1.1单相电路1.单相电路的电压有效值定义为：2.单相电路的电流有效值定义为：,9.3.1传统功率理论,3.单相电路的视在功率：4.单相电路的有功功率：,9.3.1传统功率理论,5.由上式可以定义单相电路的无功功率为：有功功率、无功功率及视在功率的关系可以形象地表示为“功率三角形”。,9.3.1传统功率理论,9.3.1.2三相电路1.三相对称电路的有功功率：,9.3.1传统功率理论,2.三相对称电路的视在功率：3.三相对称电路的无功功率：,9.3.1.3对传统功率理论的评价1.特点传统的功率概念是以正弦电源和线性负载为背景的。有功功率是指一个工频周期内的平均功率，物理意义是电路实际消耗的功率；无功功率代表负荷和电源之间能量交换的一种量度，是储能元件（电容、电感）吞吐能量能力的反映。,9.3.1传统功率理论,9.3.1传统功率理论,9.3.1.3对传统功率理论的评价2.局限性无功功率的定义不具有明确的物理意义。电力电子技术的发展和广泛应用使得电网中出现了大量的非线性负荷，而非线性负荷即使不带储能元件仍然需要无功，并且含有大量的谐波成分。此时，传统功率理论不再能够描述这些情况。传统功率理论无法用于现代电力电子系统的瞬时（或实时）控制策略中。,9.3.1传统功率理论,9.3.1.4结论有必要发展能够适应于非正弦、不平衡以及含有零序电流、电压的三相四线不对称系统或电路的功率理论。并且可以包含传统的功率定义。,9.3通用瞬时功率理论简介,9.3.1传统功率理论9.3.2通用瞬时功率理论（重点/难点）,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.1发展和意义1.发展为了适应这一发展，功率概念需要在上述传统的基于周期平均值的功率定义基础上进行拓展。1996年美国F.Z.Peng提出了新的通用瞬时功率理论。2.意义因其适用于非正弦、不平衡以及含有零序电流、电压的三相四线不对称系统或电路，具有较强的一般性和明确的物理意义，并且可以包含传统的功率定义，具有一定的代表性。,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.2主要内容1.采用（a,b,c)坐标系将三相系统的瞬时电压、电流空间矢量写成列向量形式也可以采用（,0）、（d,q,0）坐标系,9.3.2通用瞬时功率理论,2.瞬时有功功率定义为：瞬时有功功率的定义同样适用于（,0）、（d,q,0）坐标系，具有较强的一般性和明确的物理意义。,9.3.2通用瞬时功率理论,3.定义一个新的瞬时无功矢量，并定义其模长为瞬时无功：上述定义同样适用于（,0）、（d,q,0）坐标系，具有较强的一般性和明确的物理意义。,9.3.2通用瞬时功率理论,4.由此可以定义瞬时有功电流矢量、瞬时无功电流矢量:,9.3.2通用瞬时功率理论,5.瞬时视在功率和瞬时功率因数如下：,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.3通用瞬时功率理论的要点采用电压、电流空间矢量的内积与叉积来定义瞬时有功和无功功率。具有较强的一般性和明确的物理意义。,二、通用瞬时功率理论,9.3.2.4通用瞬时功率理论的优点这一新的通用瞬时功率理论完全不依赖于坐标系，即不仅适用于三相坐标系，而且适用于（,0）静止坐标系或（d,q,0）旋转坐标系，具有较强的一般性和明确的物理意义。,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.5功率定义具有的性质1、传统功率理论的性质得到了保持，例如仍有,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.5功率定义具有的性质2、即三相电流空间矢量总可以分解为瞬时有功电流矢量和瞬时无功电流矢量；,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.5功率定义具有的性质3、即平行于，而垂直于；,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.5功率定义具有的性质4、当时，传送同样的有功功率所需电流（的模）最小，这时，功率因数达到最大。,9.3.2通用瞬时功率理论,9.3.2.6瞬时无功功率的物理意义瞬时无功功率不再是个虚拟量，而是有其明确的物理意义，是指在三相之间流动、传送的功率，三相无功的瞬时值之和为零；瞬时有功电流是传输瞬时有功所必需的而不对无功做贡献，同样瞬时无功电流不会从电源到负荷传送瞬时有功，但是其存在会增大三相电流的幅值，从而增加线路损耗。,第9章现代电力电子控制技术基础,9.1PWM控制技术9.2空间矢量和坐标变换9.3通用瞬时功率理论简介9.4电力电子数字控制结构9.5微控制器（MCU）9.6数字信号处理器（DSP）9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）9.8运算放大器的选择9.9电力电子控制常用运放电路,9.4电力电子数字控制结构,在设计电力电子数字控制电路中经常采用模块化设计思想，根据数字控制系统的功能和设计要求，一般将整个数字控制部分分成电机控制专用DSP芯片、程序存储器EPROM、PWM控制软件部分、PWM驱动及隔离部分、电压/电流互感器及其整形电路、控制电源部分、模拟保护电路部分、以及外围部分（如通信、报警、显示等）等几个大的电路模块。在数字控制系统设计中采用美国TI公司的TMS320F240或ADI公司的ADMC40116位定点电机控制专用DSP作为主控CPU芯片，从而大大简化硬件电路的设计，实现硬件电路的软件化，使系统设计更加灵活、可靠。具体的电力电子系统数字控制电路结构示意图如图9-8所示。,9.4电力电子数字控制结构,图3-8电力电子数字控制电路结构,9.4电力电子数字控制结构,控制电源需要给数字控制系统提供多种电源电压。控制电源模块采用24V输出的AC/DC模块，其后转接24V/15V、24V/5V、24V/5V等多种DC/DC模块，以满足电力电子数字控制的电源需要。总之，在现代电力电子系统中采用电机控制专用DSP芯片技术之后，使得电力电子数字控制电路的结构显得简单明了，一方面可以保证控制电路的可靠性与一致性，另一方面有利于产品化、系列化后的技术保密性。,第9章现代电力电子控制技术基础,9.1PWM控制技术9.2空间矢量和坐标变换9.3通用瞬时功率理论简介9.4电力电子数字控制结构9.5微控制器（MCU）9.6数字信号处理器（DSP）9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）9.8运算放大器的选择9.9电力电子控制常用运放电路,9.5微控制器（MCU）,随着电子技术的迅猛发展，微控制器（MCU，国内又普遍称之为单片机）更广泛地应用于计算机外部设备、军事、工业、通信、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域，使产品功能、精度和质量均大幅度提高，而且电路设计简单、故障率低、可靠性高且成本低廉。从目前的发展趋势来看，Flash技术、在线可编程、低功耗及大规模集成是今后微控制器的发展方向。,9.5微控制器（MCU）,美国ATMEL公司是全球著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。ATMEL公司最引人注目的是它的EEPROM电可擦除技术、快闪存储器技术和高质量、高可靠性的CMOS器件生产技术。这些技术用于微控制器生产，使得微控制器具有了优良的品质，在结构及性能等方面都有明显的优势。20世纪90年代初，ATMEL公司利用其Flash技术优势，率先推出了把MCS-51内核与Flash技术相结合的AT89系列微控制器，在全球电子业内引起了巨大的反响，在中国也受到了众多用户的喜爱。,9.5微控制器（MCU）,至今，ATMEL在MCS-51市场上仍占据主要份额。继AT89系列之后，ATMEL公司又向全球推出了全新配置的精简指令集（RISC）微控制器（ADVANCERISC简称AVR）。AVR微控制器是在8位微控制器中第一种真正意义上的RISC微控制器。之后几年，AVR微控制器逐步形成系列产品，其ATtiny、AT90与ATmega子系列分别对应为低、中及高档产品。与此同时，ATMEL公司和ADI公司也分别推出了与8051兼容的高集成度的AT89S8252和ADuC812CISC指令集微控制器。表9-1为AT90S8535、AT89S8252及ADuC812三种微控制器的性能对比。,9.5微控制器（MCU）,表9-1AT90S8535、AT89S8252及ADuC812性能对比,9.5微控制器（MCU）,表9-1AT90S8535、AT89S8252及ADuC812性能对比(续),9.5微控制器（MCU）,表3-1AT90S8535、AT89S8252及ADuC812性能对比(续),9.5微控制器（MCU）,高速嵌入式AVR系列微控制器所具有的独特性能，得到国内外科技界和工业界的认可，被广泛应用到高科技含量的产品中。特别是，AVR微控制器的有些器件硬件设计与MCS-51系列引脚兼容，只有复位电平要求不同：MCS-51是高电平复位，而AVR是低电平复位。因而，原有的MCS-51微控制器的硬件电路很容易用AVR微控制器所取代，同时可以增加许多新功能。表9-2为MCS-51微控制器与AVR微控制器的替换表。,9.5微控制器（MCU）,表9-2MCS-51微控制器与AVR微控制器的替换表,9.5微控制器（MCU）,以下主要简单介绍ATMEL公司生产的AVR微控制器的特点及其开发工具。ATMEL公司的AVR系列微控制器的主要特点有：可靠保证Flash程序存储器1000次电擦写；内部含有较大容量、可靠保证10万次电可擦写的数据EEPROM存储器：非常适宜于存储参数，也可以通过串行口在线修改参数，同时对掉电后数据的保存带来方便，来电后能记住掉电时的工作状态；,9.5微控制器（MCU）,易于组成最小系统：AVR微控制器只需外加晶振和电源电压监测芯片（如MAX706等）即可构成最小控制系统；执行速度高，指令效率高：AVR系列微控制器采用哈佛结构体系，具有预取指令功能，对程序和数据存储分别采用不同的存储器和总线，这使得一条指令可以在每一个时钟周期内被执行完；低电压，低功耗，高驱动：工作电压范围宽（2.76.0V），电源抗干扰性能强，由于采用CMOS工艺技术，其典型耗电为12.5mA之间，而在休眠（Sleep）期间耗电可低达级，同时具有大电流（1020mA）的I/O驱动能力，可直接驱动SSR或继电器；,9.5微控制器（MCU）,程序加密性好：具有多重密码保护锁死（LOCK）功能；简便易学，开发工具价廉物美；可扩展性强，可为用户定制专用芯片；最重要的是：AVR系列微控制器物美价廉，雅俗共赏，生命力长久。AVR系列微控制器具有多种开发工具，这里只简单介绍美国原装AVR实时在线仿真器ICE200。,9.5微控制器（MCU）,ICE200采用AVR专用仿真CPU与监控CPU独立设计的方案，充分提供各种调试手段，真实再现被仿AVR的各种特性。它可仿真AVR的器件有：ATtiny10/11/12（V/L）、AT90S1200/2313、AT90（L）S2333/4433、AT90S4414/8515、AT90（L）S4434/8535。它不支持ATmega子系列微控制器。由于仿真器的电源不对外开放，所以ICE200也支持低电压器件。ICE200的仿真软件最新版本为STUDIO3.X，在支持以上11种AVR以外，还可模拟其它AVR器件的运行，支持汇编语言及C语言。其中汇编编译器免费提供，C编译器只提供30天免费试用版IccAVRdemo。该软件及其升级版均可从互联网网站（）上免费获得。,第9章现代电力电子控制技术基础,9.1PWM控制技术9.2空间矢量和坐标变换9.3通用瞬时功率理论简介9.4电力电子数字控制结构9.5微控制器（MCU）9.6数字信号处理器（DSP）9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）9.8运算放大器的选择9.9电力电子控制常用运放电路,9.6数字信号处理器（DSP）,9.6.1数字信号处理器的发展和特点9.6.2电机控制专用数字信号处理器,9.6.1数字信号处理器的发展和特点,数字信号处理器是实时数字信号处理技术的核心和标志。自从第一个微处理器问世以来，处理器技术水平得到了十分迅速的发展，而快速傅立叶变换等实用算法的提出促进了专门实现数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。自1985年美国TI公司推出第一片数字信号处理器TMS320C10以来，DSP发展大致经历了三个阶段，也形成了目前DSP产品的三个档次：第一阶段是以TMS320C10/C2X为代表的16-bit定点DSP。目前这类DSP仍在广泛使用，但代之以更先进的ADSP21XX、TMS320C25/C5X/C2XX/C24X/C54X等型号。16-bit定点DSP的数据动态范围仅96分贝（dB），可以胜任大多数数据动态范围不大的数字信号处理应用，如自动控制、仪器仪表及消费电子等场合；,9.6.1数字信号处理器的发展和特点,第二阶段推出了32-bit浮点DSP，目前代表产品有ADSP21020、TMS320C3X等型号。32-bit浮点DSP拓展了数据动态范围，达到1536dB。得益于VLSI技术，32-bit浮点DSP的处理性能等各项指标都远好于定点DSP，它可以完成32-bit定点运算，具备更大的存储访问空间，广泛应用于各种数字信号处理、通信、语音处理、图形/图像处理、医学电子及军事等场合；最近几年推出了性能更高的第三代DSP，包括并行DSP和超高性能DSP，如ADSP2106X、TMS320C4X以及新近推出的TMS320C67X、ADSP21160等型号。DSP并行技术的主流是向片外/片间并行发展，因为这种并行可以不受限制地扩大并行规模。以TMS320C4X和ADSP2106X为代表的并行DSP无一例外地采用浮点格式，为用户提供了设计大规模并行系统的硬件基础，它们都提供了6个通信（链路）口，并为共享总线系统的设计提供了相应的总线控制信号线，可以组成松耦合的分布式并行系统和紧耦合的总线共享式并行系统。因而广泛应用于高性能的数字信号处理、军事如雷达和声纳信号处理、雷达成像、导弹制导、火控系统、全球定位GPS、目标搜索跟踪及宇宙飞船等尖端科技中。,9.6.1数字信号处理器的发展和特点,DSP除具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下：DSP普遍采用哈佛结构或改进的哈佛结构，比传统处理器的冯诺依曼结构具有更高的指令执行速度；DSP大多采用流水线技术，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间；片内有多条总线可同时进行取指令和多个数据存取操作；DSP大都配有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度；许多DSP带有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高；配有中断控制器和定时控制器，可以方便地构成一个小规模系统；具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。,9.6.1数字信号处理器的发展和特点,数字信号处理器（DSP）与通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）是有区别的：DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理；MPU大量应用于计算机；MCU则适用于以控制为主的处理过程。而DSP本身具有以下功能，来支持其数字信号处理：单指令周期的乘、加操作；特殊的高速寻址方式，具有循环寻址、位反序寻址功能；能在单指令周期内完成多次存储器或I/O设备的访问；专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及延迟跳转（相当于预跳转）指令；专门的指令集，一个指令字同时控制片内多个功能单元操作；单片系统，有利于小型化设计；低功耗设计，一般功耗为0.54W，采用低功耗技术的DSP只有0.1W，可用电池供电，适用于嵌入式系统。,9.6.1数字信号处理器的发展和特点,DSP技术仍在不断发展，首先是集成度和性能呈加速增长势头，更新换代越来越快。对一般用户而言，采用主流产品和兼容性有保证的型号很重要。当前DSP有两个值得注意的发展趋势：一是采用低电压（3.3V/2.5V）工作模式，可以大大减少系统的功耗，降低散热要求；二是采用越来越密集的封装形式，从DIPPGAPLCCQFPTQFPBGA，管脚间距越来越小，对电路板设计、制作及器件安装的要求越来越高。,9.6.1数字信号处理器的发展和特点,DSP另一大趋势是单片集成化，即在一个芯片上集成了DSP内核、存储器、输入/输出设备、A/D及D/A模拟器件、PWM发生器等外围部件，这类DSP降低了产品的设计难度，提高了设计效率。电机控制专用DSP正是这类DSP芯片，它是专为电机控制乃至电力电子的PWM控制技术而推出的，集成了电机控制的外围部件，使设计者只需外加较少的硬件设备，即可构成电机控制的最小目标控制系统，从而可以降低系统费用和产品成本。,9.6数字信号处理器（DSP）,9.6.1数字信号处理器的发展和特点9.6.2电机控制专用数字信号处理器,9.6.2电机控制专用数字信号处理器,1997年美国TI公司率先推出了用于电机控制的TMS320C24X数字信号处理器芯片，这一高度集成化的器件代表了微处理器及通用DSP处理器方案的重大突破，使易制造的交流电机的直接驱动及调速控制成为可能。之后，TI公司将之发展成为系列产品，目前普遍采用的是具备Flash程序存储器的TMS320F24X系列产品。与此同时，美国ADI公司推出了电机控制专用的ADMC331、ADMC401等数字信号处理器芯片。TI和ADI公司最近分别推出TMS320F2812系列和ADSP21992系列DSP芯片，为电力电子技术和交流调速控制的进一步发展提供了可靠的硬件保证。,9.6.2电机控制专用数字信号处理器,下面来比较分析一下TMS320F240和ADMC401两种DSP芯片的性能指标，最后比较TMS320F2812和ADSP21992这两种最新的电机控制专用DSP芯片。表3-3为TMS320F240和ADMC401芯片的性能指标对照表。表3-4为TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指标对照表。,9.6.2电机控制专用数字信号处理器,表9-3TMS320F240和ADMC401芯片的性能指标对照表,9.6.2电机控制专用数字信号处理器,表9-3TMS320F240和ADMC401芯片的性能指标对照表（续）,9.6.2电机控制专用数字信号处理器,表3-4TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指标对照表,9.6.2电机控制专用数字信号处理器,表3-4TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指标对照表（续）,第9章现代电力电子控制技术基础,9.1PWM控制技术9.2空间矢量和坐标变换9.3通用瞬时功率理论简介9.4电力电子数字控制结构9.5微控制器（MCU）9.6数字信号处理器（DSP）9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）9.8运算放大器的选择9.9电力电子控制常用运放电路,9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）,9.7.1可编程逻辑器件的发展9.7.2CPLD器件的特点9.7.3CPLD产品简介,9.7.1可编程逻辑器件的发展,当今社会是数字化的社会，是数字集成电路（微处理器、存储器以及标准逻辑电路等）广泛应用的社会。信息高速公路、多媒体电脑、移动电话系统、数字电视，各种自动化设备以及我们平常的电子设计与制作都要用到数字集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统的设计者更愿意自己设计专用的集成电路（ASIC）芯片，而且还希望设计周期尽可能短，最好是在开发产品过程中，随时就能设计出合格的ASIC芯片，并且能够立即投入实际应用中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。,9.7.1可编程逻辑器件的发展,早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构稍微复杂的可编程逻辑器件（PLD），主要有可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）。由于任何一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积和的形式完成大量的数字组合逻辑功能。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术等。在PAL的基础上发展起来的GAL器件，采用EEPROM工艺技术，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性。,9.7.1可编程逻辑器件的发展,这些早期的PLD器件可以实现速度特性较好的逻辑功能，但是其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的逻辑电路。为了弥补这一缺陷，20世纪80年代，Altera和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展型EPLD（ErasableProgrammableLogicDevice）和与标准门阵列类似的FPGA（FieldProgrammableGateArray），它们都具有体系结构/逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，具有可实现较大规模电路、编程灵活、设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产中。可以说，几乎所有的应用门阵列、PLD和中小规模通用数字逻辑电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。本节主要讲述Altera公司的CPLD器件。,9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）,9.7.1可编程逻辑器件的发展9.7.2CPLD器件的特点9.7.3CPLD产品简介,9.7.2CPLD器件的特点,Altera公司的CPLD器件具有如下主要特点：随着超大规模集成电路（VLSI）工艺的不断提高，CPLD芯片的规模会越来越大，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成；CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担任何风险，所以CPLD的研制开发费用相对较低；CPLD芯片和EPROM配合使用时，用户可以反复地编程、擦除使用，所以采用CPLD试制样品，能够以最快的速度占领市场；CPLD芯片的电路设计与开发周期很短；,9.7.2CPLD器件的特点,采用CPLD进行电路设计时，不需要电路设计人员具备专门的集成电路（IC）的深层次知识，CPLD开发软件易学易懂，可以使设计人员集中精力进行电路设计；CPLD适合于正向设计（从电路原理图到芯片级的设计），对知识产权的保护非常有利；Altera公司的CPLD具有独特的内连线结构使得其内部连线率很高，不需要用人工布局布线来优化速度和面积；AlteraCPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的（即设计输入不变的情况下每次布局布线后对其时序延迟是一定的），大大方便了电路设计人员设计电路；Altera公司的CPLD中一些产品具有在线配置功能，即此时无需将芯片断电，只需在计算机上修改电路设计并重新进行编译，最后通过一条称之为Byte_Blaster或Bit_Blaster的下载电缆下传给芯片。,9.7复杂可编程逻辑器件（CPLD）,9.7.1可编程逻辑器件的发展9.7.2CPLD器件的特点9.7.3CPLD产品简介,9.7.3CPLD产品简介,Altera公司的CPLD器件又可分为电可擦除可编程逻辑器件（EPLD）产品系列和灵活逻辑单元阵列（FlexibleLogicElementMatrixFLEX）产品系列。其中EPLD又包含Classic、FLASHLogic和MAX5000/7000/9000系列；FLEX包含FLEX10K/20K/、FLEX8000/6000系列。FLEX系列器件采用嵌入式逻辑单元阵列结构，使用查找表（LUT）来实现逻辑功能，而多阵列矩阵（MAX）和Classic结构使用可编程的“与阵”和乘积项的固定“或”结构来实现逻辑功能。表9-5为Altera公司的CPLD器件的结构、用户I/O引脚和可用门数。表9-6为MAX7000S（具有在线配置功能的子系列产品）子系列产品的主要参数。,9.7.3CPLD产品简介,表9-5AlteraCPLD器件的结构、用户I/O引脚和可用门数,9.7.3CPLD产品简介,表3-6MAX7000S子系列产品的主要参数,9.7.3CPLD产品简介,Altera公司的CPLD器件能够达到最高的性能和集成度，不仅仅是因为它采用了先进的工艺和全新的逻辑结构，还在于它提供了现代化的设计工具。MAX+PLUS可编程逻辑开发软件提供了一种与平台和结构无关的设计环境，它使AlteraCPLD系列器件的设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。,9.7.3CPLD产品简介,使用MAX+PLUS，设计者无需精通器件复杂的内部结构，只需运用自己所熟悉的输入工具（如原理图输入或VHDL、VerilogHDL等高级语言）进行设计，通过MAX+PLUS把这些设计转换成最终结构所需的格式。由于有关结构