計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在電力電子電路中的應(yīng)用

張力塬

（重慶郵電大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 引 言

電力電子電路是一種運(yùn)用綜合技術(shù)的電力，包括控制電路和主電路[1]。在電力電子技術(shù)快速發(fā)展的初期，電路的主功率開關(guān)管主要使用晶閘管、整流管等半控型或不可控型器件，主要采用模擬電路進(jìn)行控制，存在工作效率低、控制精確度低、電路功率因數(shù)低和動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢等缺點(diǎn)[2]。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，它克服了模擬控制技術(shù)的不足，可以更好地調(diào)整參數(shù)和溫度漂移，大大提升了電力電子電路的安全性和可靠性。

1 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子電路的概述

1.1 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷提升，一些傳統(tǒng)的不可控器件已經(jīng)無法滿足人們的需求。于是，全控型電力電子器件應(yīng)運(yùn)而生，并得到了人們的認(rèn)可。

1.1.1 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

在電力電子技術(shù)快速發(fā)展的初期，電路的主功率開關(guān)管主要使用半控型或不可控型器件。隨著全控型電力電子器件的快速發(fā)展，它得到了外界的廣泛認(rèn)可和使用。與傳統(tǒng)模擬量控制方式相比，電力電子電路使用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制能夠消除傳統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器存在的一些很難克服的問題，如溫度漂移等，器件的一些參數(shù)也可以單獨(dú)控制，如微分系數(shù)、比例、積分等都可以進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)；（2）計(jì)算機(jī)控制的電力電子電路使用很靈活，便于實(shí)現(xiàn)一些特殊的控制規(guī)律，修改一些程度代碼就能直接調(diào)節(jié)規(guī)律，不需要安裝或者改裝一些硬件設(shè)備，大大降低了經(jīng)濟(jì)成本；（3）計(jì)算機(jī)控制的電力電子電路故障解決能力強(qiáng)，能夠自動(dòng)儲存一些運(yùn)行數(shù)據(jù)，在機(jī)器發(fā)生故障時(shí)可以直接分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，解決故障；（4）計(jì)算機(jī)控制的電力電子電路能夠自行和上級系統(tǒng)進(jìn)行通信，直接進(jìn)行無人監(jiān)管和集中監(jiān)控；（5）系統(tǒng)控制由硬件控制變成了軟件控制，以實(shí)現(xiàn)反饋信號的調(diào)節(jié)、檢測、故障診斷、功率開關(guān)器件的觸發(fā)控制，簡化了器件硬件，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

1.1.2 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的主要特質(zhì)

全控型電力電子器件能夠通過修改一些程序代碼改變它的一些規(guī)律，在不增加設(shè)備的前提下，提高控制水平。此外，能夠通過計(jì)算機(jī)控制技術(shù)改善一些傳統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)器存在的溫度漂移問題，還能直接改變一些參數(shù)問題。另外，計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)在故障維修上也有很強(qiáng)的能力，可以自動(dòng)存儲數(shù)據(jù)，在機(jī)器發(fā)生故障后，能夠利用數(shù)據(jù)分析故障的原因。使用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)還能減少使用元器件的數(shù)量，不僅優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)，還降低了經(jīng)濟(jì)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到了集中監(jiān)控的目的。

1.2 電力電子電路

電力電子電路主要有控制電路和主電路組成，是一種綜合使用電力、電子、控制等多種技術(shù)對電能的頻率、幅值和相位等各種參量實(shí)行變化的電路。其中，控制電路通過觸發(fā)信號的改變控制主功率開關(guān)管的導(dǎo)通和管斷；主電路則是通過構(gòu)成電能的能量傳遞通道，從而調(diào)節(jié)電路的輸出。

2 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在電力電子電路中的應(yīng)用

2.1 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)是一種電力電子電路中的單片微控制器。從表面上看，它只是一個(gè)邏輯功能芯片，但在一定狀況下，計(jì)算機(jī)是由微型芯片成就的[3]。微型芯片具有質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，也為計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為單片機(jī)詳細(xì)掌握計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理和構(gòu)造打下了基礎(chǔ)。在電力電子電路使用上，單片機(jī)作用于調(diào)節(jié)電壓電流和電路運(yùn)算。這一點(diǎn)直接關(guān)乎整個(gè)電路系統(tǒng)的運(yùn)行。在電子電路的計(jì)算機(jī)控制中，真正實(shí)現(xiàn)了雙調(diào)控制高頻PWM控制技術(shù)。在一個(gè)特定層面來看，運(yùn)用單片機(jī)能夠緩解或者解決PWM中精度和高頻的使用矛盾[4]。此外，單片機(jī)還被運(yùn)用到智能儀器表、工業(yè)測試等結(jié)構(gòu)中，未來還可能被用于生活家電中。傳統(tǒng)模擬電路的全新突破就是運(yùn)用單片機(jī)，以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)提升工作效率。但是，單片機(jī)控制上還存在一些不足，如頻率和精度上，在處理一些數(shù)據(jù)量非常大的場合常出現(xiàn)各種失誤。因此，DSP作為更先進(jìn)的電子電路技術(shù)應(yīng)時(shí)代需要出現(xiàn)了。

2.2 運(yùn)用DSP在電力電子電路中進(jìn)行調(diào)控

DSP繼承了波特率發(fā)生器與FIFO緩沖器集一身的新一代可編程處理器，也是數(shù)字信號處理器。DSP能以更高的速度同步與標(biāo)準(zhǔn)異步串口，甚至部分片內(nèi)還存在采樣/保持功能、PWM信號輸出、A/D轉(zhuǎn)換電路等。相對于普通的單片機(jī)來說，它在CPU存儲容量、處理速度和集成度方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)下屬的DSP能在一個(gè)周期內(nèi)完成多數(shù)指令，并使用處理技術(shù)使DSP在相同周期內(nèi)同時(shí)完成多個(gè)指令。另外，DSP使用了經(jīng)過改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，因此其程序和數(shù)據(jù)空間之間相對獨(dú)立，能同時(shí)儲存數(shù)據(jù)和程序。此外，DSP中具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。單片機(jī)采用諾依曼機(jī)構(gòu)，屬于復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，將數(shù)據(jù)和程序放在相同空間進(jìn)行存儲。這樣在相同時(shí)刻無法同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)，運(yùn)行指令周期一般要2～3個(gè)指令周期。單片機(jī)會受到ALU功能限制，只能做加法，而做乘法運(yùn)算時(shí)需要通過軟件完成，因此無法同時(shí)完成幾個(gè)指令，且占用了更多的指令周期，速度較慢。DSP是通過單指令執(zhí)行運(yùn)算，指令執(zhí)行速度快8～10倍，單次運(yùn)算乘法時(shí)間相對于單片機(jī)則快16～30倍。在電力電子電路中，DSP主要控制監(jiān)控、保護(hù)系統(tǒng)和主電路，并進(jìn)行系統(tǒng)通信等，其中使用的電路有功率因數(shù)校正電路、UPS逆變控制電路、諧波抑制電路和交流電機(jī)調(diào)速電路。除上述功能外，DSP還負(fù)責(zé)了檢測、控制顯示、數(shù)字鎖相和上位機(jī)的通信。雖然DSP具有很多優(yōu)勢，但是存在一定的缺陷，如采樣超時(shí)、選擇采樣頻率、PWM信號頻率與精度、運(yùn)算時(shí)間與精度等，直接影響電路的控制能力[5]。

2.3 電力電子電路中FPGA的運(yùn)用實(shí)踐

FPGA是可編程門列陣，是以GAL和EPLD編程器為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。它更符合新形勢下人們對專用繼承電路的需要，彌補(bǔ)了常規(guī)可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，解決了定制電路數(shù)有限的缺憾。FPGA屬于可重構(gòu)器件，可在其內(nèi)部邏輯上根據(jù)用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行設(shè)定，受到了用戶喜愛，被廣泛應(yīng)用于電子電路。簡單來說，F(xiàn)PGA可分成三個(gè)部分，分別為可編程I/O模塊、可編程內(nèi)部連線和可編輯邏輯塊。FPGA的集成相對較高。在一片F(xiàn)PGA中，至少有上千個(gè)等校門，而通過FPGA能夠科學(xué)化處理這些十分復(fù)雜的邏輯并系統(tǒng)化，從而組成分立元件組成電路和多塊機(jī)車定點(diǎn)路。另外，F(xiàn)PGA還能利用VHDL設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，通常包含電路系統(tǒng)的行為描述、RTL描述和門機(jī)描述三個(gè)層次。只要各個(gè)方面都符合規(guī)定，那么電力電子電路就可以混合仿真以上幾個(gè)層次，從而設(shè)計(jì)數(shù)字化的電路系統(tǒng)[6]。DSP在軟件更為復(fù)雜、取樣速率低的情況下更適合使用，而FPGA在數(shù)據(jù)率較高、取樣率較低、任務(wù)相對單一和操作較簡單的情況下更適合使用。目前，市場上在PWM控制、直流電機(jī)和逆變器控制系統(tǒng)上都有使用PWM技術(shù)。

3 結(jié) 論

隨著單片機(jī)、DSP和FPGA等技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在電力電子電路中得到了外界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。雖然相對于傳統(tǒng)模擬控制電路，單片機(jī)、DSP和FPGA更具優(yōu)勢，但使用中發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用這行技術(shù)已經(jīng)不能滿足用戶的需要。所以，市場上出現(xiàn)了各種芯片的混合產(chǎn)品[7]，如DSP+FPGA混合芯片結(jié)合了DSP軟件的靈活和FPGA硬件的高速，更好地協(xié)調(diào)了硬件和軟件的靈活性，使用過程更高效；單片機(jī)加DSP結(jié)構(gòu)結(jié)合了兩者優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用更好頻率和速度的芯片；將FPGA嵌入DSP，能將具備信號處理功能的DSP模塊嵌入FPGA，這樣該模塊將具備兩者的優(yōu)勢，從而具備更高的速度和處理能力，更符合時(shí)代發(fā)展的實(shí)際需求。

總而言之，將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)運(yùn)用在電力電子電路中，相對于傳統(tǒng)模擬控制電路更具優(yōu)勢。隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷提升，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在使用中也發(fā)現(xiàn)了很多問題。無論是單片機(jī)、DSP或者FPGA，雖然都具備自己的優(yōu)勢，但也存在很多不足，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性[8]?；诖?，出現(xiàn)了控制芯片的混合產(chǎn)品。這種新產(chǎn)品能夠集各種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一身，更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而促進(jìn)電力電子電路的快速發(fā)展。

[1] 楊 旭.電力電子中的數(shù)字控制技術(shù)專輯特邀主編評述[J].電力電子技術(shù)，2010，44（12）：1.

[2] 陳澤龍.電力電子電路中的數(shù)字化控制技術(shù)[J].變頻技術(shù)應(yīng)用，2016，（6）：12-13.

[3] 李 陽，侯 超，張皓然，等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在電力電子電路中的應(yīng)用[J].消費(fèi)導(dǎo)刊，2015，（2）：232.

[4] 陳澤龍.電力電子電路中的數(shù)字化控制技術(shù)[J].變頻技術(shù)應(yīng)用，2016，（6）：12-13.

[5] 肖 旭，羅 華，陳 清.電力電子電路容錯(cuò)控制研究[J].工程技術(shù)（全文版），2017，（2）：278-279.

[6] 李 勇.電力電子技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J].黑龍江科學(xué)，2014，（10）：199.

[7] 楊 嵩.淺談電力電子技術(shù)[J].電子世界，2014，（10）：483.

[8] Krzysztof，Sozan’ski，寧圃奇.電力電子控制電路的數(shù)字信號處理[J].國外科技新書評介，2013，（9）：22-23.