計算機控制技術在電力電子電路中的應用

張力塬

（重慶郵電大學 電子信息工程學院，重慶 400065）

0 引 言

電力電子電路是一種運用綜合技術的電力，包括控制電路和主電路[1]。在電力電子技術快速發(fā)展的初期，電路的主功率開關管主要使用晶閘管、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)低和動態(tài)響應緩慢等缺點[2]。隨著計算機控制技術的快速發(fā)展，它克服了模擬控制技術的不足，可以更好地調整參數(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 計算機控制技術和電力電子電路的概述

1.1 計算機控制技術

隨著時代的發(fā)展，計算機技術不斷提升，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運而生，并得到了人們的認可。

1.1.1 計算機控制技術的優(yōu)點

在電力電子技術快速發(fā)展的初期，電路的主功率開關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算機控制技術具有以下優(yōu)點：（1）計算機數(shù)字化控制能夠消除傳統(tǒng)模擬調節(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)也可以單獨控制，如微分系數(shù)、比例、積分等都可以進行參數(shù)調節(jié)；（2）計算機控制的電力電子電路使用很靈活，便于實現(xiàn)一些特殊的控制規(guī)律，修改一些程度代碼就能直接調節(jié)規(guī)律，不需要安裝或者改裝一些硬件設備，大大降低了經(jīng)濟成本；（3）計算機控制的電力電子電路故障解決能力強，能夠自動儲存一些運行數(shù)據(jù)，在機器發(fā)生故障時可以直接分析運行數(shù)據(jù)，解決故障；（4）計算機控制的電力電子電路能夠自行和上級系統(tǒng)進行通信，直接進行無人監(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，以實現(xiàn)反饋信號的調節(jié)、檢測、故障診斷、功率開關器件的觸發(fā)控制，簡化了器件硬件，增強了系統(tǒng)的可靠性。

1.1.2 計算機控制技術的主要特質

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，在不增加設備的前提下，提高控制水平。此外，能夠通過計算機控制技術改善一些傳統(tǒng)的模擬調節(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，計算機的控制技術在故障維修上也有很強的能力，可以自動存儲數(shù)據(jù)，在機器發(fā)生故障后，能夠利用數(shù)據(jù)分析故障的原因。使用計算機控制技術還能減少使用元器件的數(shù)量，不僅優(yōu)化硬件結構，還降低了經(jīng)濟成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，達到了集中監(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、控制等多種技術對電能的頻率、幅值和相位等各種參量實行變化的電路。其中，控制電路通過觸發(fā)信號的改變控制主功率開關管的導通和管斷；主電路則是通過構成電能的能量傳遞通道，從而調節(jié)電路的輸出。

2 計算機控制技術在電力電子電路中的應用

2.1 在電力電子電路中運用單片機進行調控

單片機是一種電力電子電路中的單片微控制器。從表面上看，它只是一個邏輯功能芯片，但在一定狀況下，計算機是由微型芯片成就的[3]。微型芯片具有質量輕、體積小的優(yōu)點，也為計算機軟件開發(fā)和應用提供了理論依據(jù)，為單片機詳細掌握計算機的運行原理和構造打下了基礎。在電力電子電路使用上，單片機作用于調節(jié)電壓電流和電路運算。這一點直接關乎整個電路系統(tǒng)的運行。在電子電路的計算機控制中，真正實現(xiàn)了雙調控制高頻PWM控制技術。在一個特定層面來看，運用單片機能夠緩解或者解決PWM中精度和高頻的使用矛盾[4]。此外，單片機還被運用到智能儀器表、工業(yè)測試等結構中，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用單片機，以計算機控制技術提升工作效率。但是，單片機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作為更先進的電子電路技術應時代需要出現(xiàn)了。

2.2 運用DSP在電力電子電路中進行調控

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準異步串口，甚至部分片內還存在采樣/保持功能、PWM信號輸出、A/D轉換電路等。相對于普通的單片機來說，它在CPU存儲容量、處理速度和集成度方面具有獨特優(yōu)勢。精簡指令系統(tǒng)計算機下屬的DSP能在一個周期內完成多數(shù)指令，并使用處理技術使DSP在相同周期內同時完成多個指令。另外，DSP使用了經(jīng)過改進的哈佛結構，因此其程序和數(shù)據(jù)空間之間相對獨立，能同時儲存數(shù)據(jù)和程序。此外，DSP中具有強大的數(shù)據(jù)運算能力。單片機采用諾依曼機構，屬于復雜指令系統(tǒng)計算機，將數(shù)據(jù)和程序放在相同空間進行存儲。這樣在相同時刻無法同時訪問指令和數(shù)據(jù)，運行指令周期一般要2～3個指令周期。單片機會受到ALU功能限制，只能做加法，而做乘法運算時需要通過軟件完成，因此無法同時完成幾個指令，且占用了更多的指令周期，速度較慢。DSP是通過單指令執(zhí)行運算，指令執(zhí)行速度快8～10倍，單次運算乘法時間相對于單片機則快16～30倍。在電力電子電路中，DSP主要控制監(jiān)控、保護系統(tǒng)和主電路，并進行系統(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調速電路。除上述功能外，DSP還負責了檢測、控制顯示、數(shù)字鎖相和上位機的通信。雖然DSP具有很多優(yōu)勢，但是存在一定的缺陷，如采樣超時、選擇采樣頻率、PWM信號頻率與精度、運算時間與精度等，直接影響電路的控制能力[5]。

2.3 電力電子電路中FPGA的運用實踐

FPGA是可編程門列陣，是以GAL和EPLD編程器為基礎發(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，彌補了常規(guī)可編程器件門電路數(shù)有限的缺點，解決了定制電路數(shù)有限的缺憾。FPGA屬于可重構器件，可在其內部邏輯上根據(jù)用戶的個性化需求進行設定，受到了用戶喜愛，被廣泛應用于電子電路。簡單來說，F(xiàn)PGA可分成三個部分，分別為可編程I/O模塊、可編程內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，至少有上千個等校門，而通過FPGA能夠科學化處理這些十分復雜的邏輯并系統(tǒng)化，從而組成分立元件組成電路和多塊機車定點路。另外，F(xiàn)PGA還能利用VHDL設計電路系統(tǒng)，通常包含電路系統(tǒng)的行為描述、RTL描述和門機描述三個層次。只要各個方面都符合規(guī)定，那么電力電子電路就可以混合仿真以上幾個層次，從而設計數(shù)字化的電路系統(tǒng)[6]。DSP在軟件更為復雜、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、直流電機和逆變器控制系統(tǒng)上都有使用PWM技術。

3 結 論

隨著單片機、DSP和FPGA等技術的快速發(fā)展，計算機控制技術在電力電子電路中得到了外界的廣泛關注和認可。雖然相對于傳統(tǒng)模擬控制電路，單片機、DSP和FPGA更具優(yōu)勢，但使用中發(fā)現(xiàn)，單獨使用這行技術已經(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混合芯片結合了DSP軟件的靈活和FPGA硬件的高速，更好地協(xié)調了硬件和軟件的靈活性，使用過程更高效；單片機加DSP結構結合了兩者優(yōu)點，能夠應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，更符合時代發(fā)展的實際需求。

總而言之，將計算機控制技術運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。隨著時代的發(fā)展，計算機技術不斷提升，計算機控制技術在使用中也發(fā)現(xiàn)了很多問題。無論是單片機、DSP或者FPGA，雖然都具備自己的優(yōu)勢，但也存在很多不足，在實際應用中具有一定的局限性[8]。基于此，出現(xiàn)了控制芯片的混合產(chǎn)品。這種新產(chǎn)品能夠集各種技術優(yōu)點于一身，更好地發(fā)揮計算機控制技術的優(yōu)點，進而促進電力電子電路的快速發(fā)展。

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

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

[3] 李 陽，侯 超，張皓然，等.計算機控制技術在電力電子電路中的應用[J].消費導刊，2015，（2）：232.

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

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

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

[7] 楊 嵩.淺談電力電子技術[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.