电力电子装置控制系统设计-s

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
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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

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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。

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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。

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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196>12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。

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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

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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。

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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。 ?TMS320C2000系列（定点/浮点）此系列侧重于工业控制。 DSP 上集成了适合于工业控制的外设——DSP控制器。 ?TMS320C5000系列：（定点）

包括 C54XX/C55XX/C540X 等，具有低功耗，高速等特点，主要应用于无线通讯等手持设备及消费电子。

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一、数字信号处理单片机
?TMS320C6000系列：（速度最快、有多核器件）包括 C62X/C64（定点） /C67X （浮点），适合于高速，大运算量的高端运用。如无线基站， GPS ，图象处理，多媒体等。 ?TMS320C5000系列：（定点）

包括 C54XX/C55XX/C540X 等，具有低功耗，高速等特点，主要应用于无线通讯等手持设备及消费电子。
?其他产品：（非主流产品）如：C3X：如C30/1/2/3，其中C32应用较多，价格较低。

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一、数字信号处理单片机
4、 C2000平台（系列）该系列是从C2X，C5X发展而来的。主要特点： ?共用C2XLP、C28X核芯（向下兼容），有相同的指令集，为定点/浮点DSP(F2833X、F2834X) ?片内有较大的Flash RAM (其他系列没有）及SRAM，降低了成本，使用方便 ?集成了应用于工业控制的外设：如：A/D，EVM(PWM、CAP、QEP)，SPI，SCI，CAN， WD等 ?功耗低 ?性价比高（＜200元）

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一、数字信号处理单片机
C20X： C203X，F206/7
C2XLP： C2000 C28X： C24X： F240/1/2/3

LC240X：LF2402/4/6/7 ($10.35)
F280x: F281x: F2806/F2808/F2809 (F281X的改进型 $13.8) ; LF2810/2812 ($15.75) ;

F2823x: F28232/F28234/F28235：无浮点型F2833xDSP ($14.55);

F2833x: F28332/F28334/F28335：浮点型DSP(150MHZ)($15.65);
F2834x: F28341~6

：浮点型DSP(无FLASH/ADC；300MHZ)($16~20);

其中：F241/F243 LF2406/LF2407 LF2810/LF2812 性能一样，前者无外部总线

参数器件

CPU核芯

指令周期 (ns)

ROM/ Flash (Word)

RAM

A/D

E V M

SPI

SCI

CAN

C203 F206 F240 F241 F243

C2XLP <40MHZ

25/35/50 25/35/50 50 50 50

F:32K F:16K F:16K F:8K F:8K

544 45K 544 544 544 10bit (16ch) 10bit (8ch) 10bit (8ch) 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

LF2406
LF2407 LF2810 C281x (150MHZ)

33/25
33/25 6.67

F:32K
F:32K F:64K

2.5k
2.5k 18k

10bit (16ch)
10bit (16ch) 12bit (16ch)

2
2 2

1
1 1

1
1 2

1
1 1

LF2812

6.67

F:128K
F:64K

18k
18k

12bit (16ch)
12bit (16ch)
12bit (16ch)

2

1

2

1

F2808
F28335

C280x (100MHZ) C283x (150MHZ)

10
6.67

2 4 2 2 2 1 3 2

F:256K

34k

二、现场可编程门阵列(FPGA)
现场可编程门阵列FPGA (Field Programmable Gate Array)，它是与传统PLD不同的一类可编程专用集成电路。它具有类似于半定制门阵列的通用结构，即由逻辑功能块排列成的阵列组成，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现所需的设计。在某种意义上说， FPGA 是一种将门阵列的通用结构与 PLD 的现场可编程特性融于一体的新型器件，具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、产品上市快等多方面的优点。 FPGA可反复编程，并能实现芯片功能的动态重构。

二、现场可编程门阵列(FPGA)
FPGA 的设计可在厂家提供的开发系统中快速有效地完成，生成的设计文件以构造代码的形式存储在 FPGA外的存储体中。系统上电时将这些构造代码读入FPGA内由SRAM构成的配置存储器，并由各个配置存储单元控制 FPGA 中的可编程资源实现用户的专用设计。与传统的可编程逻辑器件相比， FPGA 由于采用了类似门阵列的通用结构，其规模可以做得较大，可实现的功能更强，设计的灵活性也更大。

二、现场可编程门阵列(FPGA)
1、可编程逻辑器件分类集成度是可编程逻辑器件的一项很重要的指标，如果从集成密度上分类，可分为简单可编程逻辑器件 (SPLD) 和高密度可编程逻辑器件(HDPLD)。可编程逻辑器件

简单可编程逻辑器件 (SPLD)

高密度可编程逻辑器件 (HDPLD)

PROM

PLA

PAL

GAL

CPLD

FPGA

二、现场可编程门阵列(FPGA)
2、可编程逻辑器件基本结构 PLD器件种类较多，不同厂商生产的 PLD器件结构差别较大，如图所示为PLD器件的基本结构框图，它由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等四部分组成。其中“与阵列” 和“或阵列”是PLD器件的主体，逻辑函数靠它们实现
输入输入缓冲变量输入互补与阵列与项或阵列与或表达式多个输出缓冲函数输出

二、现场可编程门阵列(FPGA)
3、可编程逻辑器件基本资源可编程逻辑器件可以由用户编程实现特

定要求的功能，主要是由于其提供了四种可编程资源，即位于芯片中央的可编程功能单元；位于芯片四周的可编程 I/O引脚；分布在芯片各处的可编程布线资源和片内存储块RAM。

二、现场可编程门阵列(FPGA)
4、可编程逻辑器件的设计过程 CPLD/FPGA 器件的设计一般可以分为设计输入、设计实现、设计校验和下载编程四个步骤，如图所示。
设计输入 · 电路原理图 · 硬件描述语言功能仿真

设计实现 · 优化 · 合并、映射 · 布局、布线