计算机控制技术在电力电子电路中的应用

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2003 年 6 月 　 第3期

通 信 电 源 技 术
Telecom Power Technologies

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文章编号 :100923664 ( 2003) 03227203

网络技术

计算机控制技术在电力电子电

路中的应用
袁　 宁
( 郴州职业技术学院 ,湖南 郴州 　 423000)

摘　 要 : 从电力电子电路数字化控制的要求出发 ,对分别由单片机 、 数字信号处理器 ( DSP) 以 及微型计算机等为主构成的电力电子电路的计算机控制系统进行了详细介绍和比较分析 ,指 出了电力电子电路新型控制技术的发展方向 。 关键词 : 计算机控制 ; 电力电子电路 ; 单片机 ;DSP 中图分类号 : TN712 文献标识码 : A

Computer Control Technique Appl ied in Po wer Circuits
YUAN Ning ( Chenzhou Instit ute of Vocational Technology ,Chenzhou 423000 ,China) Abstract : Based on t he demand of digital cont rol for power circuit s , t he computer cont rol system , which is mainly composed of a singlechip , a DSP , or a microcomputer , respectively , is analyzed and compared in detail. The new cont rol met hod , which will be developed in t he f ut ure , is pre2 sented , as well. Key words : computer cont rol ; power circuit s ; single chip ; DSP

1　 引　 言
电力电子电路是综合运用电力 、 电子 、 控制等 多种技术对电能的幅值 、 相位 、 频率等各种参量实 行变换的电路 ,主要由主电路和控制电路组成 ,其 中主电路构成电能的能量传递通道 , 控制电路则 主要通过触发信号的改变控制主功率开关管的导 通和关断 ,从而调节电路的输出 。 在电力电子技术发展的初期 , 电路的主功率 开关管采用整流管 、 晶闸管等不可控或者半控型 器件 ,其工作频率低 ,控制部分主要采用模拟电路 进行控制 , 存在控制精度低 、 动态响应慢 、 电路功 率因数低等缺点 。随着大功率晶体管 ( GTR) 、 绝 缘栅极双极晶体管 ( I GB T) 和大功率场效应晶体 管 ( POWER MOSFET) 等高频率 、 全控型电力电

子器件的快速发展和广泛应用 , 具有快速运算能 力、 强大的信息储存能力和逻辑判断能力的计算 机控制技术在电力电子电路中得到越来越广泛的 应用 。 与传统的模拟量控制方式相比 , 采用计算机 控制的电力电子电路具有以下显著优点 [ 1 ] : ( 1 ) 数字化控制 ,可以消除常规模拟调节器存在的诸 如温度漂移等许多难以克服的缺点 , 参数整定范 围宽 ,比例 、 积分 、 微分系数可以单独调节 ,而且可 在整个控制范围内进行变参数调节 。( 2 ) 使用灵 活 ,便于实现特殊的控制规律 ,如修改部分程序就 可改变调节规律 ,而无需改变硬设备 ,甚至可以在 线改变控制方案 , 因而可以在不增加使用设备的 情况下逐步提高控制水平 。( 3 ) 系统中由软件取 代硬件来实现反馈信号的检测和调节 、 功率开关 器件的触发控制 、 故障诊断等功能 ,减少了元器件 的数量 ,简化了硬件结构 ,提高了系统的可靠性 。

收稿日期 : 2003201215

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( 4) 故障识别诊断能力强 , 能自动储

存运行数据 , 有助于对故障的分析处 理 。( 5) 可以与上级计算机系统进行 通信 ,实现集中监控和无人值守 。 本文以单片机 、 微型计算机和新 型数字信号处理器 ( DSP) 为例 , 阐述 计算机控制技术在电力电子电路中 的应用 。
图1　 逆变控制信号的形成原理

2　 单片机控制的电力电子电路
单片机主要以美国 IN TEL 公司生产的 MCS - 51 ( 8 位) 和 MCS - 96 ( 16 位) 两大系列为代表 。 它在一块芯片上集成了中央处理器 ( CPU ) 、 存储 器 ( RAM , ROM ) 、 定 时 器 ( TIM ER ) / 计 数 器 ( COUN TER) 和输入/ 输出 ( I/ O ) 接口等单元 , 具 有体积小 、 速度快 、 功能强 、 效率高 、 性能可靠 、 抗 干扰能力强等优点 , 因而在各种控制系统中得到 广泛应用 。 在电力电子电路的控制中 ,可采用由晶体管 、 电阻 、 电容等分立元件构成的电子线路 ,也可采用 以 PWM 集成控制器为主构成的模拟量控制电 路 。但两者都存在一些问题 ,例如 ,由于控制系统 各环节由大量的晶体管 、 线性集成电路等元件组 成 ,装置的经济性和运行可靠性往往受到一定的 影响 ; 模拟量元件在使用中易受外界环境的影响 , 从而使系统的运行特性也随之发生变化 ; 模拟量 控制方法精度不高 ; 通用性不强 , 等等 。然而 , 采 用单片机进行控制却可克服上述模拟电路的固有 缺陷 ,通过数字化的控制方法 ,得到高精度和高稳 定度的控制特性 , 并可通过编制不同的程序软件 实现灵活多样的控制功能 。 单片机在电力电子电路中的应用 , 主要包括 数据采集和运算处理 、 产生 PWM 控制信号 、 状态 监控以及故障诊断等 , 一般作为整个电路的主控 芯片运行 ,完成多种综合功能 。 图 1 所示是一个采用 87C196 KC 型单片机作 为主控芯片产生供 DC/ AC 变换器使用的逆变控 制信号的原理图 。图中 87C196 KC 的 PWM0 作 为模拟输出接口 ( D/ A 转换) ,CPU 运算后得到的 占空比控制信号由 PWM0 口输出 ,并被转换电路 变换为直流电压信号 , 然后再被加到集成 PWM 控制器 ( SG3525 ) 的输入端口上 。集成控制器产

生两路相位相反的开关频率高达 20 k Hz 以上的 PWM 信号 , 信号经驱动电路隔离放大后便可控 制高频开关管 T1 和 T2 ( I GB T) 的通断 。
87C196 KC 软硬件资源丰富 , 具有 16 K Byte EPROM 、 488 Byte RAM 和 24Byte 通用寄存器 ,

内含 8 路 A/ D 转换输入通道和 3 路 PWM 信号 输出口 ,速度快 、 效率高 、 功能齐全 [ 2 ] 。它不仅能 完全取代模拟控制器 , 方便地实现 PID 调节 , 而 且可以通过改变软件实现诸如自适应控制 、 智能 控制等各种新型控制策略 。此外 , 还可利用其通 信接口与其他微机进行通信 ,便于实现远程监控 。

3　 微型计算机应用于电力电子系统
　　 相对于单片机而言 ,微型计算机功能更全面 、 控制更灵活 、 人机界面更友好 、 操作更方便 , 它主 要应用于电力电子装置的远程通信系统和中心监 控系统 。 一台微型计算机 ( 上位机 ) 和多台监控模块 ( 下位机) 构成集中控制系统 , 具有遥测 、 遥信 、 遥 调等功能的通信开关电源系统 。如图 2 所示 , 系 统具有本地或远程监控功能 , 其中下位监控模块 完成电源系统的本地运行信息显示 、 参数设置以 及蓄电池组的运行管理 , 并实时与上位监控计算 机进行串行通信 ; 上位监控计算机可以选择为本 地集中监控或远程集中监控方式 , 它使得操作人 员在集中控制室能实现与本地一样的操作及监视 界面 ,特别是使多个电源系统的无人值守成为可 能 [ 3 ] 。故障信息的及时语音报警 、 实时打印与存 储、 历史信息的追忆等功能使监控系统更加实用 。

4　 数字信号处理器 ( DSP) 在电力电

子电路中的应用
　　 单片机在电力电子电路中的应用在很大程度 上提高了电路的性能 , 但由于其自身运算速度和 精度的限制 ,对于实时性与精度要求高 、 需要处理

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机调速电路 、 不停电电源 ( U PS) 的高频逆变电路 、 功率因数校正电路和谐波抑制电路等 。文献 [ 6 ] 介绍了利用美国 TI 公司新近推出的专门面向电 机控制的 TMS320 F240 型 DSP 实时产生空间向 量对称 PWM 波形控制电机运行的实现方法 , 由 于 DSP 内含 20M IPS 的高速处理能力和面向电 机控制的专用外围设备 , 能实现包括电流环在内 的全数字调制 。文献 [ 7 ] 从抑制谐波的角度介绍 了用微处理器和 DSP 构成的双 PWM 变流器的 工作原理和硬件构成 , 它结构简单 , 控制灵活 , 实 时性好 , 功率因数高 , 有效地抑制了谐波 。文献 [ 8 ] 设计了一个基于 DSP 的功率变换器的控制系 统 ,如图 3 所示 。由图可知 ,DSP 及其外围电路构 成了功率变换器的数字控制系统 , 其输入信号为 经过 A/ D 变换后的各电路运行参数 ,输出信号为 供给各开关管的 PWM 信号 ,仿真和实验表明 ,系 统具有优良的控制性能 。虽然 DSP 有着许多优 点 ,但是在实际应用中 , 也存在一些问题 , 如采样 频率的选择 、 PWM 信号频率及其精度 、 采样延 时、 运算时间及精度等 。这些因素会或多或少地 影响电路的控制性能 。

图2　 集中监控系统示意

的数据量非常大的场合 , 它往往难以满足电路的 控制要求 。而近年来迅速崛起的新一代可编程处 理器 — — — 数字信号处理器 ( DSP) , 由于具有高集 成度 、 独特的内部结构 、 灵活方便的编程方法 、 高 速数字处理能力和完善的 I/ O 接口等诸多优点 , 以及逐步上升的性能价格比 , 在计算机 、 通信 、 图 像处理 、 仪器仪表 、 工业控制等许多领域获得广泛 应用 ,正逐步取代一度广泛使用的单片机 [ 4 ] 。 与单片机相比 ,DSP 具有较高的集成度 、 更 快的 CPU 和更大容量的存储器 ,内置有波特率发 生器和 F IFO 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 A/ D 和采样/ 保持 电路 ,并提供 PWM 信号输出 。更为不同的是 , DSP 为精简指令系统计算机 ( R ISC) 处理器 , 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 能 完 成 多 条 指 令 。 DSP 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 ( CISC) ,多数指令要 2 ～ 3 个指令周期才能完成 。 单片机采用诺依曼结构 , 程序和数据在同一空间 存储 ,同一时刻只能单独访问指令或数据 。AL 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 ,因而速度比较慢 。与 16 位单片机 相比 ,DSP 执行单指令的时间快 810 倍 ,一次乘法 运算时间快 16～30 倍 [ 5 ] 。 在电力电子装置中 ,DSP 主要应用于交流电

图3　 基于 DSP 控制的功率变换器系统框图

5　 结束语
电力电子电路中主功率器件越来越高的开关 频率 ,对控制芯片的运算速度提出了越来越高的 要求 。然而 , 单片机和 DSP 的运算速度越高 , 相 应的价格也越昂贵 , 其推广使用也越受到成本的 制约 。另一方面 , 在高频 ( 几百千赫兹到几兆赫 兹) 功率变换电路中 , 即使是目前最先进的 DSP 芯片 ,也难以承担快速处理的重任 。因此 ,具备高 性能的完全数字化控制的电力电子电路的实现 , 还有待计算机技术的进一步发展 。除了单片机 、 ( 下转第 40 页)

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4　 利用 IR2125 的充电泵模式实现 MOS 高压浮动连续驱动
　　在需要高压侧 MOSFET 连续导通的应用 中 ,如控制直流电机的运转 ,不能使用自举模式来 控制以降低成本 , 必须使用隔离电源才能保证 MOSFET 正常工作 ,但成本较高 。图 9 提供了一 个隔 离 电 源 方 案 : 充 电 泵 电 路 。充 电 泵 使 用 CMOS 555 定时器给 IR2125 提供低的工作电流 需要 。当 MOSFET 关断时 , 自举电容通过自举 二极管和负载进行充电 。当 MOSFET 导通时 , Ω电阻给接在 555 定时器 通过和地连接的 100 K 1、 8 脚之间的100 nF电容充电 , 产生以 IR2125 第 5 脚为参考点的 - 15 V电压 。充电泵电路由两个 IN4148 二 极 管 和 一 个 10 nF 的 电 容 组 成 , 它 将
555 的 3 脚的输出的7. 5 k Hz方波转变为以 U s 点 为参考电压的 + 15 V电压 ,并给自举电容充电 。

Ω电阻开始对与 555 定时器 1 脚和地之间地100 K 其相连地 100 nF电容进行充电 ,为 CMOS 定时器 产生电源电压 。充电泵的输出电压随电源电压增 加而增加 。充电泵维持自举电容上的电压 , 并使 其保持在 IR2125 欠压门限之上 。 电路设计 时 , 应 考 虑 555 最 大 工 作 电 压 为 18 V ,因此稳压二极管的稳压值应小于 18 V ; 充 Ω/ ( 1 W ) 的 , 功率应根据高压电源 电电阻 100 K 值、 IR2125 高端最大电源电流值 , 最小工作电源 电压值定时决定 。

5　 结束语
目前汽车由涔流制动系统的开关大多采用接 触器来实现 。由于汽车运行环境恶劣 , 开关通过 电流大 ( 可达 100 A ) , 开关频繁 , 因此接触器每 3 万公里就要进行一次更换 , 给汽车的维护保养带 来很大负担 。如采用 MOSFET 替代接触器 , 即 可降低成本 ,增加系统的可靠性 ,同时给维护保养 带来很大方便 。实际应用中 , 充电泵模式驱动采 用高压浮动 MOSFET 。替代汽车制动系统中的 接触器取得了良好效果 。 参考文献
[1] 张 　 立 . 现代电力电子技术基础 [ M ] . 北京 : 高等教育出版

图 9 　IR2125 充电泵工作模式电路图

社 ,2001.
[ 2 ] 龚春英 ,刘熠 ,肖岚 . 几种 MOSFET 驱动电路的研究 [J ] . 电

　　 电路启动时 , MOSFET 开通时 , 自举二极管 阻断 ,555 的 8 脚和 IR2125 的 8 脚与 + 12 V 电源 相连接 , 自举电容上的电压开始降落 , 同时位于

源技术应用 ,2001 ,3 :40～42. 　

( 上接第 29 页)

1997 ,21 (6) :64267. [ 4 ] 黄凤英 . DSP 原理与应用 [ M ] . 南京 : 东南大学出版社 ,1997. [5 ] 谭弗娃 . 21 世纪的电动机控制与电子技术展望 [J ] . 电气时

微型计算机以及 DSP 等上述设备以外 ,现场可编 程门阵列 ( FP GA) 也已在电力电子电路中得到应 用 ,而 DSP + FP GA 结构或嵌入 DSP 模块的 FP2
GA 结构芯片将在未来的电力电子电路的控制系

代 ,2001 ,9 :123.
[6] 常 　 骏 . 逆变器空间对称 PWM 信号微机实时控制方法 [J ] .

船电技术 ,2001 ,21 (3) :20223.
[7] 赵 　 玲 . 应用 DSP 抑制电力电子装置的谐波 [J ] . 华东电力 , 2000 ,28 (8) :14216. [8 ] Chan C H. DSP Controlled Power Converter [ J ] . Proc. Int . Conf . Power Electron & Drive System , 1995 ,1 : 3642369.

统中大显身手 。 参考文献
[ 1 ] 梁汉滨 . 电力电子装置的微型计算机化设计 [ M ] . 北京 : 机械

工业出版社 ,1990.
[ 2 ] 孙涵芳 . Intel 16 位单片机 [ M ] . 北京 : 北京航空航天大学出版

作者简介
袁　 宁 : (1970 - ) ,女 ,湖南郴州人 ,教师 ,主要研究方向为计 算机应用技术 。

社 ,1995.
[ 3 ] 刘文华 . 通信开关电源系统的微机监控 [J ] . 电力系统自动化 ,

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