基于 DSP 和 FPGA 的电力电子数字控制平台

2万 · 2020-11-11 15:18

2万 · 2020-11-11 15:18

近年来，由于微处理器和数字信号处理技术飞速发展，数字控制技术开始越
来越普遍被应用于电力电子系统中，利用基于数字控制技术的微处理器对电力电
子系统进行控制成为目前该领域的一个主流发展方向。另一方面，目前发展成熟
且应用广泛的几款微处理器如DSP、FPGA、ARM等虽然都有各自的优点，但也
各有局限性，单独使用已经越来越难以满足电力电子系统对控制精度和实时性日
趋增高的控制要求。因此，研究一种基于不同微处理器芯片组合的高性能电力电
子装置通用数字控制平台对提高电力电子系统的整体性能，加快电力电子装置的
研制与开发等方面有着相当大的现实意义。论文以此为背景进行了如下研究工
作：
第一，在现有的控制平台基础上，将DSP和FPGA结合，设计了基于DSP+FPGA
核心处理器架构的电力电子通用数字控制平台。
第二，由于电力电子系统日趋高频率和控制器件可分离较远距离的趋势，且
各控制器之间的通信一直是一个很重要的技术难题。因此着重研究了DSP与FPGA
之间的通信问题，提出了两种通信方法，并基于这两种通信方法设计了两种不同
的DSP+FPGA控制器架构，包括硬件组成和接口连接方式，并设计了通信主程序
和中断子程序。
第三，将设计的通用控制平台应用到一个100KW的PWM整流器上来验证控
制平台的合理性以及控制性能。利用电力电子仿真软件PSIM对控制平台进行了仿
真，搭建了100KW PWM整流器主电路、控制电路、信号调理电路、驱动电路等
部分的模型，进行了包括主程序以及PWM中断服务子程序在内的数字控制程序设
计，完成了直流侧负载变动时和整流器逆变运行时两种工作情况下的仿真。
通过上述仿真实验验证了本文所设计的电力电子通用控制装置不但可以实
现对电力电子换流器的控制，而且整个电力电子系统运行状态良好，电压电流响
应都达到了预期的效果，并且功率因数PF和总谐波失真THD等指标也都符合实际
工程应用的要求。

2万 · 2020-11-11 15:19

一个电力电子系统的高速、准确、稳定的运行，不仅需要选择一种合适的控制
方法，更重要的是要为整个系统搭建一个性能优越的控制平台。过去，人们通常采
用模拟电路对电力电子系统进行控制，而大型的模拟电路控制平台往往具有设计成
本昂贵、硬件检测维护困难、抗干扰能力不强、元器件容易老化等诸多缺点。近年
来，伴随着微处理器和数字信号处理技术的发展，数字控制技术开始越来越普遍被
应用于电力电子系统中，采用数字控制技术对电力电子系统进行控制具有相当多的
优点，而这些优点主要由微处理器的优越性能决定[3]。例如：可通过软件直接修改
控制策略和相关参数，具有较强的计算和通信能力，整个控制系统的灵活性极高等
等。正是由于这些优点，利用微处理器和简单的外围电路对电力电子系统进行数字
控制开始逐步取代用大型模拟电路对电力电子系统进行模拟控制。

2万 · 2020-11-11 15:20

将电力电子系统的控制作为一个控制整体来看，主电路中电力电子开关器件可
以被看做是整个控制系统最终的被控对象，其关断与导通两种状态是由控制系统最
终输出的驱动信号来控制的，从而完成输出的控制和调节。随着变流电路所使用开
关器件的不同，其相应的通断控制方式也不相同，归纳现有开关器件的工作原理，
一般的控制方式有 4 种：移相控制、通断比控制、脉冲宽度调制（PWM）控制和脉
冲频率调制（PFM）控制方式。一般对于晶闸管半控型开关器件，常采用移相触发
控制方式或过零触发的通断比控制方式；而对于全控型的开关器件，比较多的通断
控制方式为 PWM 控制。
PWM 控制方式是通过调节具有固定频率的脉冲宽度，实现对输出的调节可控
制，常用于全控型开关器件的通断控制中。一般情况下均采用高频 PWM 工作方式，
由于脉冲频率高、周期短，因此它具有诸如动态响应速度快、换流电路器件体积小
等优点，是目前电力电子控制中应用最为广泛的一种方式。实现 PWM 调制的方式
也是多种多样的，且至今仍在发展。产生 PWM 控制方式的方法有：模拟电路、全
数字电路、专用 PWM 集成电路芯片、微机软件计算法、空间矢量法等，不同的 PWM
控制方法将对变流电路的性能产生一定的影响，因此寻求优化的 PWM 控制策略也
就成为了电力电子技术领域研究和应用的关键问题。

2万 · 2020-11-11 15:20

调节策略是指依据输出误差量大小决定输出控制量多少的一种计算方法，它对
整个装置的性能与稳定性将产生重要影响。在电力电子装置的控制系统中，必须根
据电力电子变流电路的特点来选择合适的调节策略，组成稳定的闭环反馈控制系统，
才能使整个装置工作正常。经典自动控制理论与现代自动控制技术对这种闭环反馈
控制系统的调节策略选择、参数设计、稳定性分析等问题均做出了详细的论述，是
非常重要的理论。

2万 · 2020-11-11 15:21

3基于 DSP 和 FPGA 的电力电子数字控制平台的研究
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的调节和控制，使输出误差尽快得到消除。在闭环控制系统中通常包含有输出误差
检测环节、调节计算环节、输出指令控制环节等部分，其中误差检测环节主要检测
输出给定值和实际的偏差，而输出指令控制环节主要是对电力电子变流电路的开关
器件进行通断控制，从而达到调节输出的目的。调节计算环节则是自动控制系统中
十分重要的环节，对某一个闭环控制系统来说，采用什么样的控制策略（即调节计
算方法），对整个系统的动静态特性、稳定性等产生显著的影响。几种常见的调节策
略有：比例调节（P）、积分调节（I）、微分调节（D）、比例积分调节（PI）、比例微
分调节（PD）、比例微积分调节（PID）等。在电力电子控制系统中，较为常用的调
节策略有 PI 调节器，有时候也用 PID 调节器改善动态性能.

1万 · 2020-11-11 15:22

学习学习！！！

2万 · 2020-11-11 15:24

一般微机控制系统是通过负反馈控制，实时调节触发脉冲信号、PWM 波的占
空比等手段实现对输出的调节与控制。由于 PWM 调制技术已经获得了广泛应用，
因此许多微处理器内部都集成了 PWM 发生器，便于简化控制系统硬件或者软件计
算量。在电力电子系统中，根据期望的控制对象（如输出电压、电流或频率等）的
指令值与实际采样值的误差，按照一定的调节规律（如 PI 控制、PID 控制、模糊控
制、自适应控制）等计算所需要的控制参量（如触发脉冲角、PWM 占空比等），由
此得出电力电子器件的通断时间，实现对开关器件的控制，从而实现电力电子系统
的换流功能。也就是说，微机控制系统总是以所需要的换流结果作为控制输入量，
而最终将以器件的通断时间作为输出控制量。对于不同的换流电路，微机控制系统
的构造和控制信号往往是不同的.

2万 · 2020-11-11 15:26

微机控制系统一般由两部分构成，一部分是硬件电路，另一部分是软件设计，
其中硬件电路主要由模拟信号输入、数字信号输入、模拟控制信号输出、数字控制
信号输出、人机接口、运行状态及参数记录与报警都部分组成。各个模块在系统中
实现不同的功能，完成不同的任务。由控制器统一控制作为一个整体协调运行。而
软件是根据控制功能及其策略而编写的运行程序，它完成控制系统所要求的实时计
算、运行状态监控、人机接口、数据传送或通信等各种任务。由于软件易于修改和
升级，因此微机控制系统具有控制功能灵活、易于实现运行状态和参数的监测、故
障诊断能力强等显著优点。

2万 · 2020-11-11 15:26

2万 · 2020-11-11 15:27

首先，对于电力电子装置主回路拓扑结构来说，大部分电力电子装置都具有比
较相近甚至相同的主回路拓扑结构，其功能的不同仅仅是由控制器的控制算法决定
的。一个电力电子控制装置一般都是由微处理器核心控制电路、A/D 和 D/A 转换电
路、信号调理电路、开关量输入输出电路、存储器以及上位机通信电路等构成[11]。
图 1-1 为电力电子装置主回路与控制装置结构示意图。除了硬件结构相似以外，电
力电子装置控制器在软件使用和开发途径上也有很多相同点。也正是由于上述的这
些共性，因此，基于微控制处理器的电力电子通用控制平台的开发具有可行性，并
且，研制一种性能优越的电力电子装置通用数字控制平台对于加快电子电子装置的
研制与开发、减少其开发成本、增强其兼容性和利于推广来说，也具有很强的必要
性。同时，开发一个性能优异的电力电子装置通用数字控制平台对于电力电子产品
的开发以及电力电子装置控制算法的研究也有相当大的促进作用。
对于一个电力电子装置控制平台来说，虽然其硬件组成包括很多器件和模块，
但其中最核心的部分则是微型控制器，通过控制器可以将各个不同功能的器件和模
块进行协调工作。首先，微型控制器自身的性能优越程度决定了整个控制平台的功
能强弱，所以在电力电子装置控制平台的控制器选型方面应尽量选择体积小、频率
高、数据运算处理能强的芯片。另一方面，由于各种微型控制器都有自身的局限性，
因此，多种不同控制器组合使用成为电力电子控制装置研发的一个趋势，由于不同
控制器的通信接口和内部模块不尽相同，因此，如何解决不同控制器之间的通信问
题一直控制平台研制过程中的一个技术难题。

2万 · 2020-11-11 15:27

电力电子装置在电力系统中的应用变得越来越广泛，开发一个性能优异的电力
电子装置通用控制平台无论是对电力电子技术的发展还是其在电力系统中的应用均
有很重要的意义和价值。现存的电力电子控制装置往往采用单处理器对电力电子系
统进行控制，而微型处理器作为整个控制平台最核心的部件，其性能的优异程度决
定了整个控制平台在工程中的表现，但由于电力电子开关器件的不断更新以及电力
电子系统日趋高频化和复杂化的趋势，对电力电子控制装置的的控制要求也在不断
提高，以单控制器为核心的电力电子数字控制平台越来越难以满足实际需求，因此，
本文以现存的电力电子数字控制平台的组成机构和工作原理为基础，将 DSP 和
FPGA 组合起来使用，设计了基于 DSP+FPGA 核心处理器架构的电力电子通用数字
控制平台，详细阐述了控制平台中各部分的硬件组成、工作原理以及所实现的功能，
此外，由于电力电子系统日趋高频率和控制器件可分离较远距离的趋势，且各控制
器之间的通信一直是一个很重要的技术难题，因此本文着重研究了 DSP 与 FPGA 之
间的通信问题，提出了两种通信方法，并基于这两种通信方法设计了两种不同的
DSP+FPGA 控制器架构，介绍了硬件组成和接口连接方式，并进行了通信流程主程
序设计；最后将所设计的通用控制平台应用到一个 100KW 的 PWM 整流器上来验证
控制平台的合理性以及控制性能，用电力电子仿真软件 PSIM 进行了主电路、控制
回路等部分的模型搭建，并进行了数字控制程序的设计。

2万 · 2020-11-11 15:28

2万 · 2020-11-11 15:28

控制模块的主要功能包括:C1}通过AD模块对外部模拟信号进行采集(2}
DSP和FPGA对所采集的各种数据进行运算处理以及各种控制策略的逻辑实现(3)
DSP根据运算结果输出PWM控制信号、整个系统的各种保护信号、主回路继电器
吸合与分离所对应的各种开关量。
该板块主要由微控制器、AD(数模转换)模块、DA(模数转换)模块、PWM
产生器、各种通信模块等构成;对于整个控制模块来说，微控制器是其最核心的部
分，在本设计中，微控制器采用了D S P+F PGA的组合结构，而DSP和FPGA作为
当下比较成熟和主流的两款控制器，二者均具有自身的优点，DSP是专门的微处理
器，主要用于高速计算，其优势是软件的灵活性。适用于条件过程，特别是完成复
杂的算法任务。而FPGA片内有非常多的逻辑门和触发器，具有大规模，高度集成，
快速处理，频率高等优点。能满足复杂的时序逻辑设计。适用于高速处理。因此，
在本设计中，微控制器采用了DSP+FPGA的组合结构，将DSP设计成主控制器，
FPGA设计成从控制器，DSP主要负责各种控制算法的运算，FPGA主要负责一些
高频信号的处理和缓存，二者配合起来对整个电力电子系统进行控制。
   C2)信号调理板块
信号调理板块的主要功能包括:(1)将DSP传送来的PWM控制信号以及主电路
保护信号进行放大、滤波、变频等处理，从而将这些不规则的弱电信号变换为后续
驱动电路所能识别的标准信号，以便于驱动主回路的电力电子器件进行导通和关断。
  C2)将采集到的电力电子装置主回路电压电流等信号进行衰减、滤波、变频等处理，
从而将这些不规则的强电信号变换为DSP所能识别的标准信号，以便于对它们进行
运算处理。(3)将强电信号和弱电信号进行隔离，以保证整个系统以及人身的安全。
该板块主要由信号检测与调理电路以及PWM信号放大与隔离电路等部分组成。
   C3)驱动板块
驱动板块的主要功能包括:(1)将控制板传送来的PWM控制信号通过驱动电路
转换成电力电子开关器件的通断信号。C2)当电力电子系统主回路发生过压、过流、
短路等故障时，驱动芯片可以进行自我故障诊断，对输出信号进行闭锁，从而保护
系统主回路;同时通过光电藕合器将故障信号反馈回控制板块。
该板块主要由电力电子开关器件驱动芯片以及光藕组成。

2万 · 2020-11-11 15:29

数字信号处理的发展开始于20世纪60年代，它是信息技术与计算机技术发展
到一定高度后衍生出的一门新兴技术。数字信号处理主要研究如何用数学手段将各
种连续信号表示成离散序列，然后利用计算机等信号处理设备对信号进行各种算法
运算和处理，从而将信号中所需要的信息提取出来进行应用。其处理手段非常丰富，
例如:滤波、检测、变换、增强、估计、识别、参数提取、频谱分析等。信号处理
技术普遍采用这些处理手段对模拟信号和数字信号进行处理和转换，其中滤波手段
是数字信号处理技术应用中使用最频繁的手段。数字信号处理技术在多个领域应用
都比较广泛，在电力电子领域中的应用也比较成熟[14]0
数字信号处理器是一种基于数字信号处理技术的，能通过数字信号处理手段对
数据和信号进行处理运算的的微处理器[15]。由于DsP处理器是严格按照数字信号处
理的要求进行设计，因此它特别适合于数字信号处理运算，其重要特点如下:
  (  I采用哈佛总线结构，程序部分和数据部分分区存储，CPU可以在同一时间对
程序部分和数据部分进行访问;
  (2)在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法运算;
  (3)片内存储器资源丰富。
  (4)硬件支持低开销循环与跳转;
  (5)中断响应速度快，硬件I/O资源丰富，配置灵活;
  (6)可以并行执行多个操作;
  (7)取址、译码和指令执行等行为均支持流水线操作，可重复执行。
正是由于DSP具有上述这些特点，因此其性能相对于普通单片机来说有着很大
的提高，在工程上的应用也越来越广泛和成熟。

2万 · 2020-11-11 15:30

2万 · 2020-11-11 15:30

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2万 · 2020-11-11 15:31

电源电路结构框图如图2-5所示，整个控制板的输入电源为24V直流电源，通
过DC-DC电源模块、低压差线性稳压器以及隔离电源等器件将24V直流电转换为
各种低量程电压，从而给控制板上的不同器件供电。控制板上包含两种类型的电源，
一种是数字电源，另一种是模拟电源。对于数字电源部分，驱动器、、开关量输入输
出等模块采用12V和24V双电源供电。通过LDO(低压差线性稳压器)产生的1.2V,
1.8V, 1.9V, 2.5V, 3.3V, SV主要为DSP, FPGA以及PWM, A/D、看门狗等IC
电路供电，而经隔离电源产生的SV直流电源主要是为各种串口通信模块供电。在
模拟电源中，通过DC-DC模块产生的士15V主要为D/A输出模块供电。

1万 · 2020-11-11 15:32

请问这个产品化了吗？

基于 DSP 和 FPGA 的电力电子数字控制平台

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