1前言

面對巨大的市場前景和良好的節能效益，實現電力電子產品快速開發、降低成本、增加可靠性和實現大規模自動化生產具有重要的現實意義。然而，目前電力電子既屬于勞動密集型又屬于技術密集型的行業，這種行業特點嚴重阻礙了上述目標的實現。許多學者預測:實現該目標的唯一出路就是走電力電子系統集成、標準化和模塊化的道路。電力電子系統集成是一個嶄新的研究課題。1995年美國海軍首先提出電力電子積木(PEBB)的概念用于艦船驅動電氣化。1998年美國政府批準由美國國家科學基金委員會投資，建立美國電力電子系統中心(CPES，CenterforPowerEleCtroniCSsystem)，.致力于系統集成的研究。2003年l月，中國國家自然科學基金正式批準了“電力電子系統集成基礎理論與若干關鍵技術的研究”的重點項目，標志著我國電力電子集成技術研究的正式啟動{了〕。電力電子系統集成是一項長期、復雜和艱巨的研究任務，需要分階段、分層次逐個進行攻堅。現階段系統集成研究主要集中在以下幾個方向{7一10]:(l)功率器件集成;(2)無源元件集成;(3)適合電力電子系統集成的電路拓撲優選;(4)封裝和熱技術;(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，是電力電子系統集成的基礎，涉及功率電路集成的內容可稱之為功率級的集成。與功率級集成關系甚為密切就是系統的控制集成，盡管現在數字控制技術已經在大功率應用系統或復雜電力電子裝置中被廣泛采用，但針對電力電子系統的控制集成研究并不多見，特別針對數字控制集成研究更是寥寥無幾，然而數字控制具有可靠性高、運算能力強和通用性好等眾多優點，己經在中、大功率應用場合中顯露出模擬控制器無可比擬的優越性，同時，在中小功率應用場合，數字電源也是未來電源發展的一個重要趨勢。因而研究電力電子數字控制集成具有重要的現實意義，電力電子數字控制平臺正是在系統集成的大環境和背景下提出的，它不僅是前一階段系統集成的延續和完善，也是下階段系統集成所需研究的基礎內容。

2數字控制器基本類型及其控制芯片

嵌入式數字控制系統的產生和發展與微電子技術的發展密不可分，并直接導致控制器實現方式的多樣性。目前從控制器執行控制方式上大體可以劃分為三種方式:(l)順序執行控制方式;

(2)并行執行控制方式;(3)混合方式。

由于DSP體系結構的優點，目前大多數基于順序控制的電力電子數字控制器采用以DSP為核心進行設計。基于并行執行控制器具有實時性好的優點，因而特別適合處理快過程控制系統，在高頻DC心C數字控制領域，這類控制器已經成為研究的熱點和重點。而混合方式則結合前兩者的優點。

鑒于DSP的優點，許多研究者紛紛采用DSP控制器來開發相應的電力電子應用系統。其中最為典型的TI公司提供的ezDSP開發板,如圖所示：

                                                              圖1單片運動控制DSP控制器

CPLD/FPGA(FieldprogrammableGateArray)器件在硬件上并行性的優點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，盡管勉強能實現，但由于其絕大部分時間都用在核心算法上，對其他一些功能處理就無暇顧及，從而浪費DSP的大部分硬件和軟件資源。基于此原因，利用FPGA實現PFC的控制，采用數字電荷控制的方法實現電流環的簡單、快速控制更為簡便。

                                                                     圖2基于FPGA的伺服控制器

3電力電子軟件系統設計現狀

隨著數字控制在電力電子應用系統中的廣泛應用，一些數字控制芯片廠商為了加速用戶開發過程，紛紛建立各種類型的軟件包，與此同時，一些快速原型開發公司如dSPACE，RTLAB等與Matlab公司合作開發出基于圖形化的控制軟件實現方法。

3.1結構化程序設計方法

結構化程序設計是三種軟件實現方法中最為成熟、應用最廣泛的設計方法，它針對特定的拓撲和控制要求，按照結構化設計方法編寫相應的控制軟件。在電力電子數字控制應用的初期，為了提高代碼效率，節約硬件資源和減少每個控制周期軟件的運行時間，控制軟件往往采用匯編語言來實現。

隨著數字處理器性能不斷提高，各個DSP廠商紛紛推出高效C語言編譯器，在滿足控制系統實時性的前提下，

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

3.2基于嵌入式的設計方法

實時操作系統是系統軟件和硬件的橋梁，應用程序只需通過操作系統來控制硬件設備，與硬件系統不發生直接關系。軟件開發人員可以在實時操作系統的基礎上集中精力進行核心控制軟件的開發，減少軟件開發時間，從而提高系統開發效率。

                                                                    圖3基于uCOS控制軟件層次結構

4電力電子數字控制平臺的結構

4.1DSP最小系統

常見的電力電子控制平臺，處理器一般采用運動控制專用DSP，該系統除了輸入輸出緩沖電路、模擬調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驅動所需的一些基本元件，整個電路結構非常簡單。

4.2基于通用DSP和FPGA的控制平臺

針對DSP最小系統的一些缺點，許多學者和公司都致力于開發出計算功能強大和擴展性好的數字控制平臺。這類平臺一個共同特點就是采用浮點DSP，但是整個平臺上硬件資源的集成度會大大降低，因為目前沒有一款浮點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所必須的，因此只能增加額外的硬件電路來彌補浮點DSP本身硬件資源的不足。

                                                       圖4基于浮點DSP和FPGA數控平臺

4.3通信能力

作為電力電子數字控制平臺，除了具備為電力電子裝置提供獨立控制能力外，還需具備與其它數字控制器交換信息的能力。而采用通信技術是電力電子數字控制平臺實現信息交換的基本方式。基于現場總線技術的實時分布式控制系統己經在工廠自動化和運動控制中得到了廣泛的應用，因此電力電子控制平臺采用現場總線技術，將方便與其它工業數字控制器之間通信連接，常用的現場總線有:基金會現場總線(FF，FoundationFieldbuS)、LonWOrk、PROFIBUS、CAN(ControlAreaNetwork)等。

在選擇現場總線時，需要考慮4個問題:(l)總線抗干擾能力，其直接影響數據傳送的準確率;(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)實時性要求。特別在電力電子應用領域，實時性尤為重要，不僅要求傳輸速度快，還要求響應短;(4)易于集成在控制平臺上。

                                                                      表1現場總線參數

5軟件設計

電力電子軟件發展水平處在相當于計算機領域中的初級開發階段。軟件復用技術將有助于提高軟件的開發效率和質量。在完成可復用軟件模塊設計后，用戶可以通過接口進行交互，就如同用戶通過硬件IC的接口電路來使用芯片內部的功能一樣。

通常，數控電力電子應用系統設計是圍繞一系列技術指標而展開的，這些指標包括系統動、穩態特性和輸入輸出關系等，而相應的應用系統設計又可以從功率層面和控制層面進行，軟件代碼的大小僅僅是表征軟件復雜程度的一個方面，軟件代碼的內容則吏能反映出軟件復雜程度，基于可復用軟件的編程方法只需從軟件庫中選出相應的軟件模塊，然后按照一定的次序用簡單的賦值語句把這些軟件模塊組裝起來，軟件代碼的編寫非常簡單和簡潔，再加上這些軟件模塊都經過嚴格測試的，因而整個軟件可靠性非常高。

在完成可復用軟件模塊設計后，就可以針對不同應用場合利用這些模塊來“組裝”相應的控制軟件，軟件模塊總線是模塊之間數據傳輸和交換的公共節點，負責對每一軟件模塊的輸入和輸出數據的管理和分配，類似于通信中的總線功能，所以本文把它稱為軟件總線。

整個控制軟件可以參照下面步驟來設計。

1、根據具體應用對象，從庫中選取相應的軟件模塊;

2、根據仿真或計算，確定每一軟件模塊的定標值;

3、控制系統硬件初始化;

4、軟件模塊參數初始化;

5、軟件模塊的連接，即模塊之間數據的交換和傳遞;

6總結

電力電子系統集成是當今電力電子技術研究的重要課題，引領電力電子技術朝集成化、標準化和模塊化方向發展，同時它是一項長期、復雜和艱巨的研究任務，需要分階段、分層次逐個進行攻堅。隨著電力電子功率級的集成技術日臻成熟和完善，電力電子控制系統的集成及其完善需進一步加強，電力電子數字控制平臺的研究正是在系統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前電力電子數字控制系統設計狀況，縮短電力電子控制系統的開發周期，使它更符合電力電子系統集成發展的需要，因而具有重要的學術意義和應用前景。

作者簡介：

稿費聯系人：王乃旭（1986-），男（漢族），山東省煙臺市人，碩士研究生，主要研究領域為智能控制，模式識別。

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