作者/許小飛、方 樺，廣東瑞德智能科技股份有限公司

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電力電子電路中的數(shù)字化控制技術(shù)

作者/許小飛、方 樺，廣東瑞德智能科技股份有限公司

文章摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段我國(guó)的電力電子電路都得到了更高的安全保障并進(jìn)行了廣泛運(yùn)用。在當(dāng)前所使用的電力電子電路中，主要由主電路和控制電路組成。當(dāng)中主電路負(fù)責(zé)傳遞能量，而控制電路以出發(fā)信號(hào)的方式對(duì)主功率開關(guān)管進(jìn)行通斷控制，進(jìn)而進(jìn)行電路輸出。當(dāng)前我國(guó)的電力電子電路發(fā)展仍不完善，工作頻率不高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、電路功率不高等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙著我國(guó)的電力電子電路發(fā)展。因此，本文通過(guò)對(duì)新形勢(shì)下數(shù)字化控制技術(shù)在電力電子電路中的運(yùn)用，研究了其優(yōu)勢(shì)，以期為相關(guān)研究工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：電力；電子電路；數(shù)字化控制

前言

在電力領(lǐng)域運(yùn)用的電力電子電路技術(shù)，即在一定狀況下利用電力電子器件控制和變換電能。從轉(zhuǎn)換功率上來(lái)看，通常在1W到1GW之間，這與信息電子技術(shù)存在顯著的差異，信息電子技術(shù)是對(duì)電子技術(shù)進(jìn)行的模擬，運(yùn)用于計(jì)算機(jī)的信息處理之中，而電力電子技術(shù)運(yùn)用于對(duì)轉(zhuǎn)換電力。在新形勢(shì)下，數(shù)字化控制技術(shù)取代了傳統(tǒng)模擬控制，能夠消除溫度漂移、便于調(diào)整變參數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字化控制技術(shù)為電力電子電路的安全性與可靠性大大提升。

1.在電力電子電路中運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行調(diào)控

單片機(jī)，即在電力電子電路中的單片微控制器，表面上看，它只是邏輯功能芯片，但在一定狀況下它能集成計(jì)算機(jī)的集成系統(tǒng)于一個(gè)芯片上，甚至可以說(shuō)微型芯片能成就計(jì)算機(jī)。微型芯片不僅在物質(zhì)表現(xiàn)在存在體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和運(yùn)用過(guò)程中也提供了理論依據(jù)上的完善，為單片機(jī)詳細(xì)掌握計(jì)算機(jī)構(gòu)造和運(yùn)行原理打下基礎(chǔ)。在電力電子電路的使用中，單片機(jī)主要作用于電路中的運(yùn)算和調(diào)節(jié)電壓電流，這直接影響著整個(gè)電路系統(tǒng)的運(yùn)行。在電力電子電路數(shù)控技術(shù)中真正實(shí)現(xiàn)了雙調(diào)控制高頻PWM控制，在特定層面上來(lái)看，單片機(jī)的運(yùn)用能緩解甚至解決PWM中高頻與精度之間的使用矛盾。另外，單片機(jī)還能運(yùn)用至工業(yè)測(cè)控、智能儀器表等結(jié)構(gòu)中，在未來(lái)甚至可能運(yùn)用到生活家電之中。單片機(jī)的運(yùn)用是傳統(tǒng)模擬電路運(yùn)用的全新突破，以數(shù)字化控制技術(shù)提升工作效率。但當(dāng)前的單片機(jī)控制存在一些精度和頻率上的矛盾尚待解決，因此DSP作為更現(xiàn)金的電子電路技術(shù)油然而生。

2.運(yùn)用DSP在電力電子電路中進(jìn)行調(diào)控

DSP即數(shù)字信號(hào)處理器，繼承了波特率發(fā)生器與FIFO緩沖器于一身的新一代可編程處理器。DSP能一共更加高速同步和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，甚至有的片內(nèi)還具有采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換電路、PWM信號(hào)輸出等功能。DPS與單片機(jī)相比，CPU的處理速度更快、集成度更高、存儲(chǔ)容量更大的優(yōu)勢(shì)。屬于RISC（即精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）的DSP能將多數(shù)指令完成于一個(gè)周期之內(nèi)，以并行處理技術(shù)在同一指令周期內(nèi)完成多項(xiàng)指令。另外，DSP運(yùn)用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和程序空間獨(dú)立，能同時(shí)對(duì)程序與數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。另外，DSP的高速硬件乘法器使其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。相對(duì)來(lái)講，單片機(jī)屬于CISC（即復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)），運(yùn)行指令周期一般要2～3個(gè)指令周期，它采用諾依曼機(jī)構(gòu)，將數(shù)據(jù)和程序放在同一空間進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣在同一時(shí)刻無(wú)法同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。受單片機(jī)的ALU功能限制，乘法運(yùn)算需要通過(guò)軟件來(lái)完成，因此要占更多的指令周期，相對(duì)速度慢。而DSP的單指令執(zhí)行時(shí)間則快8～10倍，單次乘法運(yùn)行時(shí)間則比單片機(jī)快16～30倍。在電力電子電路中，DSP主要控制主電路、監(jiān)控及保護(hù)系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)童心等，其中具體運(yùn)用電路有UPS逆變控制電路、功率因數(shù)校正電路、交流電機(jī)調(diào)速電路與諧波抑制電路等。DSP在電力電子電路系統(tǒng)中，還能負(fù)責(zé)數(shù)字鎖相、控制顯示、檢測(cè)和上位機(jī)的通信。雖然DSP是使用中有諸多優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的不足，例如PWM信號(hào)頻率與精度、運(yùn)算時(shí)間與精度、選擇采樣頻率、采樣超時(shí)等，這些缺陷直接影響著電路的控制性能。

3.在電力電子電路中FPGA的運(yùn)用實(shí)踐

FPGA即可編程門列陣。它是以GAL與EPLD編程器為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的，它更加切合新形勢(shì)下對(duì)專用繼承電路的運(yùn)用需求，更解決了定職電路在某些方面的不足、彌補(bǔ)了傳統(tǒng)可編程器件門電路數(shù)有限的缺憾。FPGA屬于可重構(gòu)器件，在其內(nèi)部邏輯上能根據(jù)用戶需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)定，因此相對(duì)及成都較高、處理速度也較快，使之在現(xiàn)階段的電力電子電路中被廣泛運(yùn)用。FPGA可簡(jiǎn)要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)部分，即可編輯邏輯塊、可編程I/O模塊和可編程內(nèi)部連線。FPGA的及成都較高，比如，在一片F(xiàn)PGA之中，至少有幾千個(gè)等校門，而通過(guò)FPGA能對(duì)這些十分復(fù)雜的邏輯進(jìn)行系統(tǒng)化的科學(xué)處理，從而完成多塊機(jī)車定點(diǎn)路與分立元件組成電路。FPGA還能利用VHDL進(jìn)行電路系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，通常能分為對(duì)電路系統(tǒng)的行為描述、門級(jí)描述和RTL描述三個(gè)層次，若各方面條件都適合，則電力電子電路能混合仿真三個(gè)層次，便

于對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，因此在其體積、成本、可靠性等方面都具有顯著優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)來(lái)講，DSP更適用于取樣速率低、軟件更為復(fù)雜的情況下進(jìn)行使用，而在系統(tǒng)取樣速率較高、數(shù)據(jù)率較高、相對(duì)操作條件簡(jiǎn)單、任務(wù)較為固定的狀況下，則更適合使用FPGA。目前，F(xiàn)PGA在逆變器控制系統(tǒng)、PWM控制與直流電機(jī)的調(diào)速中都有不同程度的運(yùn)用和發(fā)展。

4.結(jié)束語(yǔ)

因此，在電力電子電路中運(yùn)用數(shù)字化控制技術(shù)，與傳統(tǒng)的模擬控制電路相比固然具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但在更深入的研究中卻存在一定的局限性。隨著我國(guó)電力電子電路技術(shù)的日趨復(fù)雜化、高頻化發(fā)展，芯片的單一使用往往無(wú)法滿足預(yù)期效果。可見(jiàn)，在電力電子電路的研究與發(fā)展中，利用控制芯片的優(yōu)勢(shì)和相關(guān)運(yùn)用條件進(jìn)行組合運(yùn)用，將有利于發(fā)揮其最大的數(shù)字化控制作用，才能真正促進(jìn)電力電子電路的優(yōu)化發(fā)展，這也是當(dāng)前電力電子電路中數(shù)字化控制技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

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