1前言

面對(duì)巨大的市場(chǎng)前景和良好的節(jié)能效益，實(shí)現(xiàn)電力電子產(chǎn)品快速開發(fā)、降低成本、增加可靠性和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，目前電力電子既屬于勞動(dòng)密集型又屬于技術(shù)密集型的行業(yè)，這種行業(yè)特點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。許多學(xué)者預(yù)測(cè):實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的唯一出路就是走電力電子系統(tǒng)集成、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的道路。電力電子系統(tǒng)集成是一個(gè)嶄新的研究課題。1995年美國(guó)海軍首先提出電力電子積木(PEBB)的概念用于艦船驅(qū)動(dòng)電氣化。1998年美國(guó)政府批準(zhǔn)由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)投資，建立美國(guó)電力電子系統(tǒng)中心(CPES，CenterforPowerEleCtroniCSsystem)，.致力于系統(tǒng)集成的研究。2003年l月，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金正式批準(zhǔn)了“電力電子系統(tǒng)集成基礎(chǔ)理論與若干關(guān)鍵技術(shù)的研究”的重點(diǎn)項(xiàng)目，標(biāo)志著我國(guó)電力電子集成技術(shù)研究的正式啟動(dòng){了〕。電力電子系統(tǒng)集成是一項(xiàng)長(zhǎng)期、復(fù)雜和艱巨的研究任務(wù)，需要分階段、分層次逐個(gè)進(jìn)行攻堅(jiān)?，F(xiàn)階段系統(tǒng)集成研究主要集中在以下幾個(gè)方向{7一10]:(l)功率器件集成;(2)無源元件集成;(3)適合電力電子系統(tǒng)集成的電路拓?fù)鋬?yōu)選;(4)封裝和熱技術(shù);(5)傳感器集成;(6)通信集成。以上研究主要以電力電子功率電路為核心展開的，是電力電子系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)，涉及功率電路集成的內(nèi)容可稱之為功率級(jí)的集成。與功率級(jí)集成關(guān)系甚為密切就是系統(tǒng)的控制集成，盡管現(xiàn)在數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)在大功率應(yīng)用系統(tǒng)或復(fù)雜電力電子裝置中被廣泛采用，但針對(duì)電力電子系統(tǒng)的控制集成研究并不多見，特別針對(duì)數(shù)字控制集成研究更是寥寥無幾，然而數(shù)字控制具有可靠性高、運(yùn)算能力強(qiáng)和通用性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)在中、大功率應(yīng)用場(chǎng)合中顯露出模擬控制器無可比擬的優(yōu)越性，同時(shí)，在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)字電源也是未來電源發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。因而研究電力電子數(shù)字控制集成具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，電力電子數(shù)字控制平臺(tái)正是在系統(tǒng)集成的大環(huán)境和背景下提出的，它不僅是前一階段系統(tǒng)集成的延續(xù)和完善，也是下階段系統(tǒng)集成所需研究的基礎(chǔ)內(nèi)容。

2數(shù)字控制器基本類型及其控制芯片

嵌入式數(shù)字控制系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展與微電子技術(shù)的發(fā)展密不可分，并直接導(dǎo)致控制器實(shí)現(xiàn)方式的多樣性。目前從控制器執(zhí)行控制方式上大體可以劃分為三種方式:(l)順序執(zhí)行控制方式;

(2)并行執(zhí)行控制方式;(3)混合方式。

由于DSP體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，目前大多數(shù)基于順序控制的電力電子數(shù)字控制器采用以DSP為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)?；诓⑿袌?zhí)行控制器具有實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合處理快過程控制系統(tǒng)，在高頻DC心C數(shù)字控制領(lǐng)域，這類控制器已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。而混合方式則結(jié)合前兩者的優(yōu)點(diǎn)。

鑒于DSP的優(yōu)點(diǎn)，許多研究者紛紛采用DSP控制器來開發(fā)相應(yīng)的電力電子應(yīng)用系統(tǒng)。其中最為典型的TI公司提供的ezDSP開發(fā)板,如圖所示：

                                                              圖1單片運(yùn)動(dòng)控制DSP控制器

CPLD/FPGA(FieldprogrammableGateArray)器件在硬件上并行性的優(yōu)點(diǎn)逐漸為電力電子工作者和研究者所接受和重視。一般的DSP處理器難以滿足其控制要求，盡管勉強(qiáng)能實(shí)現(xiàn)，但由于其絕大部分時(shí)間都用在核心算法上，對(duì)其他一些功能處理就無暇顧及，從而浪費(fèi)DSP的大部分硬件和軟件資源?；诖嗽?，利用FPGA實(shí)現(xiàn)PFC的控制，采用數(shù)字電荷控制的方法實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的簡(jiǎn)單、快速控制更為簡(jiǎn)便。

                                                                     圖2基于FPGA的伺服控制器

3電力電子軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

隨著數(shù)字控制在電力電子應(yīng)用系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，一些數(shù)字控制芯片廠商為了加速用戶開發(fā)過程，紛紛建立各種類型的軟件包，與此同時(shí)，一些快速原型開發(fā)公司如dSPACE，RTLAB等與Matlab公司合作開發(fā)出基于圖形化的控制軟件實(shí)現(xiàn)方法。

3.1結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是三種軟件實(shí)現(xiàn)方法中最為成熟、應(yīng)用最廣泛的設(shè)計(jì)方法，它針對(duì)特定的拓?fù)浜涂刂埔?，按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法編寫相應(yīng)的控制軟件。在電力電子數(shù)字控制應(yīng)用的初期，為了提高代碼效率，節(jié)約硬件資源和減少每個(gè)控制周期軟件的運(yùn)行時(shí)間，控制軟件往往采用匯編語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)。

隨著數(shù)字處理器性能不斷提高，各個(gè)DSP廠商紛紛推出高效C語(yǔ)言編譯器，在滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下，

為了使程序有更好的可讀性和維護(hù)性，許多軟件工程師開始用C語(yǔ)言編寫電力電子控制軟件，其編程優(yōu)點(diǎn):(l)軟件具有通用性，可移植性好:(2)程序可讀性好，維護(hù)更方便;(3)軟件工程師不需要掌握針對(duì)不同處理器的匯編語(yǔ)言。

3.2基于嵌入式的設(shè)計(jì)方法

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件和硬件的橋梁，應(yīng)用程序只需通過操作系統(tǒng)來控制硬件設(shè)備，與硬件系統(tǒng)不發(fā)生直接關(guān)系。軟件開發(fā)人員可以在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集中精力進(jìn)行核心控制軟件的開發(fā)，減少軟件開發(fā)時(shí)間，從而提高系統(tǒng)開發(fā)效率。

                                                                    圖3基于uCOS控制軟件層次結(jié)構(gòu)

4電力電子數(shù)字控制平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

4.1DSP最小系統(tǒng)

常見的電力電子控制平臺(tái)，處理器一般采用運(yùn)動(dòng)控制專用DSP，該系統(tǒng)除了輸入輸出緩沖電路、模擬調(diào)理電路和通信接口電路，沒有其他任何外圍電路，由于DSP本身集成了電力電子與電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的一些基本元件，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。

4.2基于通用DSP和FPGA的控制平臺(tái)

針對(duì)DSP最小系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，許多學(xué)者和公司都致力于開發(fā)出計(jì)算功能強(qiáng)大和擴(kuò)展性好的數(shù)字控制平臺(tái)。這類平臺(tái)一個(gè)共同特點(diǎn)就是采用浮點(diǎn)DSP，但是整個(gè)平臺(tái)上硬件資源的集成度會(huì)大大降低，因?yàn)槟壳皼]有一款浮點(diǎn)DSP集成了電力電子所需的基本硬件電路，而這些功能電路又是控制電力電子系統(tǒng)所必須的，因此只能增加額外的硬件電路來彌補(bǔ)浮點(diǎn)DSP本身硬件資源的不足。

                                                       圖4基于浮點(diǎn)DSP和FPGA數(shù)控平臺(tái)

4.3通信能力

作為電力電子數(shù)字控制平臺(tái)，除了具備為電力電子裝置提供獨(dú)立控制能力外，還需具備與其它數(shù)字控制器交換信息的能力。而采用通信技術(shù)是電力電子數(shù)字控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息交換的基本方式?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)己經(jīng)在工廠自動(dòng)化和運(yùn)動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，因此電力電子控制平臺(tái)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將方便與其它工業(yè)數(shù)字控制器之間通信連接，常用的現(xiàn)場(chǎng)總線有:基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF，F(xiàn)oundationFieldbuS)、LonWOrk、PROFIBUS、CAN(ControlAreaNetwork)等。

在選擇現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)，需要考慮4個(gè)問題:(l)總線抗干擾能力，其直接影響數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確率;(2)隔離問題。由于不同控制器地電位的差異，影響通信可靠性，甚至引起控制器的損壞;(3)實(shí)時(shí)性要求。特別在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)時(shí)性尤為重要，不僅要求傳輸速度快，還要求響應(yīng)短;(4)易于集成在控制平臺(tái)上。

                                                                      表1現(xiàn)場(chǎng)總線參數(shù)

5軟件設(shè)計(jì)

電力電子軟件發(fā)展水平處在相當(dāng)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的初級(jí)開發(fā)階段。軟件復(fù)用技術(shù)將有助于提高軟件的開發(fā)效率和質(zhì)量。在完成可復(fù)用軟件模塊設(shè)計(jì)后，用戶可以通過接口進(jìn)行交互，就如同用戶通過硬件IC的接口電路來使用芯片內(nèi)部的功能一樣。

通常，數(shù)控電力電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)是圍繞一系列技術(shù)指標(biāo)而展開的，這些指標(biāo)包括系統(tǒng)動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性和輸入輸出關(guān)系等，而相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)又可以從功率層面和控制層面進(jìn)行，軟件代碼的大小僅僅是表征軟件復(fù)雜程度的一個(gè)方面，軟件代碼的內(nèi)容則吏能反映出軟件復(fù)雜程度，基于可復(fù)用軟件的編程方法只需從軟件庫(kù)中選出相應(yīng)的軟件模塊，然后按照一定的次序用簡(jiǎn)單的賦值語(yǔ)句把這些軟件模塊組裝起來，軟件代碼的編寫非常簡(jiǎn)單和簡(jiǎn)潔，再加上這些軟件模塊都經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試的，因而整個(gè)軟件可靠性非常高。

在完成可復(fù)用軟件模塊設(shè)計(jì)后，就可以針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合利用這些模塊來“組裝”相應(yīng)的控制軟件，軟件模塊總線是模塊之間數(shù)據(jù)傳輸和交換的公共節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)每一軟件模塊的輸入和輸出數(shù)據(jù)的管理和分配，類似于通信中的總線功能，所以本文把它稱為軟件總線。

整個(gè)控制軟件可以參照下面步驟來設(shè)計(jì)。

1、根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)象，從庫(kù)中選取相應(yīng)的軟件模塊;

2、根據(jù)仿真或計(jì)算，確定每一軟件模塊的定標(biāo)值;

3、控制系統(tǒng)硬件初始化;

4、軟件模塊參數(shù)初始化;

5、軟件模塊的連接，即模塊之間數(shù)據(jù)的交換和傳遞;

6總結(jié)

電力電子系統(tǒng)集成是當(dāng)今電力電子技術(shù)研究的重要課題，引領(lǐng)電力電子技術(shù)朝集成化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化方向發(fā)展，同時(shí)它是一項(xiàng)長(zhǎng)期、復(fù)雜和艱巨的研究任務(wù)，需要分階段、分層次逐個(gè)進(jìn)行攻堅(jiān)。隨著電力電子功率級(jí)的集成技術(shù)日臻成熟和完善，電力電子控制系統(tǒng)的集成及其完善需進(jìn)一步加強(qiáng)，電力電子數(shù)字控制平臺(tái)的研究正是在系統(tǒng)集成研究的大背景下展開的，其研究的主要目的就是改變當(dāng)前電力電子數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀況，縮短電力電子控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，使它更符合電力電子系統(tǒng)集成發(fā)展的需要，因而具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

稿費(fèi)聯(lián)系人：王乃旭（1986-），男（漢族），山東省煙臺(tái)市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芸刂疲Ｊ阶R(shí)別。

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