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第5章 电力电子装置控制系统及其设计 武汉大学电气工程学院 本章主要内容 第5章 电力电子装置控制系统及其设计 5.1电力电子装置控制系统的构成 5.2常用控制芯片介绍 5.3电力电子装置控制系统设计 5.4基于DSP+FPGA的电力电子装置控制系统设计及开发 5.1电力电子装置控制系统构成 控制系统包含以下各个部分： 信号变换——信号隔离、变换、采集 辅助电源——提供控制系统的工作电源 保护电路——提供针对装置本体的各种保护，如过压、过流、过热保护 控制电路——根据装置功能及系统状态，根据预定算法得到电力电子器件的开关控制信号 驱动电路——控制系统于主回路的接口，既可以看成主回路一部分，亦可看成控制系统一部分 后台监控——可选 5.1电力电子装置控制系统构成 电力电子装置控制系统特点(PWM变换器)： 目前控制算法一般分为内外环，相应的控制系统应有明显的区隔； 通用性，一般只要改算法就可以实现不同的装置功能； 决定了装置运行的逻辑和时序，通常保护算法也由其实现，也可以采用独立的保护系统作为后备； 必要的时候需要冗余系统； 5.1电力电子装置控制系统构成 APF控制系统框图 5.1电力电子装置控制系统构成 光伏控制系统框图 5.2常用控制芯片 控制系统的核心是各种微处理器，例如各种单片机、数字信号处理器(DSPs)、大规模可编程逻辑器件(FPGA)、各种专门的处理芯片。 下面介绍常用的DSP、FPGA的相关知识。 5.3电力电子装置控制系统设计 电力电子装置控制系统设计基本内容： 明确功能 硬件系统规划、总体设计 软件系统规划 芯片选型(主控制芯片) 原理图设计 PCB设计 硬件模块调试 一次、二次联调 电路调整 5.4基于DSP+FPGA的电力电子装置控制系统设计及开发 5.4基于DSP+FPGA的电力电子装置控制系统设计及开发 TMS320F2812与大规模FPGA结合 DSP:通信、后台数据处理、装置时序控制 FPGA：控制算法实现、PWM控制、IGBT状态管理 多通道高速12位(AD7864)或14位（AD7865)A/D转换 72路光纤接口 12路模拟量输入 32路数字量输入/32路数字量输出 接口（RS485,232)，CAN总线 * * 一、数字信号处理单片机 1、基本特征 DSP芯片，也称数字信号处理器DSPs。它是一种特别适合于实时，快速数字信号处理运算的微处理器，它为实现数字信号处理，从硬件和软件上做了优化。具有如下特征： 采用改进的哈佛结构 冯.诺依曼结构：程序数据统一编址，单一的地址数据线(如80C196) 哈佛结构：程序、数据存储空间分开，各有地址数据线(如80C51) 此外，片内地址数据总线分成三组，这使得处理指令，数据同时进行，从而大大提高效率。 一、数字信号处理单片机 流水线操作，减小指令执行时间 流水线深度2~8级深度不等，上述结构为流水线的实现创造了条件。 专用的硬件乘法器 在51/96单片机中虽有乘法指令，如MULD，DIV，但都是软件实现的，由加法器实现(没有硬件乘法)，需要几个指令周期(如19612周期)，在数字信号处理中乘法和累加是基本的大量的运算。如卷积、数字滤波、FFT、相关、矩正运算都有大量的类似的运算。 而DSP中设置了硬件乘法器和MACD(乘法累加)一类的指令，使上述每步操作可以在单周期内完成，运算速度大大提高。 一、数字信号处理单片机 DSP的特殊指令 基于DSP的特殊结构，DSP的指令能完成多步操作。(不同于一般的单片机及PC) 如：MACD=APAC+LT+MPY+DMOV 又如为FFT应用的“位倒序（bit-reversed)指令 DSP的快速指令周期(基于高速主频,可达1GHz) 　 由于上述特点，使得ＤＳＰ的指令周期在１００ns以下，目前最快的达到5ns。这为实时快速ＤＳＰ应用提供了硬件基础。 多核芯DSP: 集成 2/4/6 芯 DSP 如：TI/ADI公司 一、数字信号处理单片机 2、与普通MCU的区别 都是面向系统设计的单片微处理器，DSPs更多的优势在于可以应对复杂的算法，而不太关注对外围接口的控制，因此有个通俗而形象的特征“头脑发达、四肢简单”。 随着电力电子装置所要实现的功能日益复杂，所采用的算法的计算量和实时性的要求，结合普通MCU的特性，一些专门用于电力电子装置的DSPs逐步面世。 一、数字信号处理单片机 3、TMS320系列DSPs 目前，TI的DSP 有三大系列（平台），每个系列间互不兼容，但是每个系列不同类型的芯片具有：相同的CPU，指令兼容、片内存储器不同、外设不同。 TMS320C200