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、電路功率因數低和動態響應緩慢等缺點[2]。隨著計算機控制技術的快速發展，它克服了模擬控制技術的不足，可以更好地調整參數和溫度漂移，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

隨著時代的發展，計算機技術不斷提升，一些傳統的不可控器件已經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點

在電力電子技術快速發展的初期，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展，它得到了外界的廣泛認可和使用。與傳統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點：（1）計算機數字化控制能夠消除傳統模擬調節器存在的一些很難克服的問題，如溫度漂移等，器件的一些參數也可以單獨控制，如微分系數、比例、積分等都可以進行參數調節；（2）計算機控制的電力電子電路使用很靈活，便于實現一些特殊的控制規律，修改一些程度代碼就能直接調節規律，不需要安裝或者改裝一些硬件設備，大大降低了經濟成本；（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據，在機器發生故障時可以直接分析運行數據，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進行通信，直接進行無人監管和集中監控；（5）系統控制由硬件控制變成了軟件控制，以實現反饋信號的調節、檢測、故障診斷、功率開關器件的觸發控制，簡化了器件硬件，增強了系統的可靠性。

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的模擬調節器存在的溫度漂移問題，還能直接改變一些參數問題。另外，計算機的控制技術在故障維修上也有很強的能力，可以自動存儲數據，在機器發生故障后，能夠利用數據分析故障的原因。使用計算機控制技術還能減少使用元器件的數量，不僅優化硬件結構，還降低了經濟成本，提高了系統的可靠性，達到了集中監控的目的。

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、體積小的優點，也為計算機軟件開發和應用提供了理論依據，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，單片機作用于調節電壓電流和電路運算。這一點直接關乎整個電路系統的運行。在電子電路的計算機控制中，真正實現了雙調控制高頻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、工業測試等結構中，未來還可能被用于生活家電中。傳統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，在處理一些數據量非常大的場合常出現各種失誤。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繼承了波特率發生器與FIFO緩沖器集一身的新一代可編程處理器，也是數字信號處理器。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勢。精簡指令系統計算機下屬的DSP能在一個周期內完成多數指令，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使用了經過改進的哈佛結構，因此其程序和數據空間之間相對獨立，能同時儲存數據和程序。此外，DSP中具有強大的數據運算能力。單片機采用諾依曼機構，屬于復雜指令系統計算機，將數據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據，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是通過單指令執行運算，指令執行速度快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主要控制監控、保護系統和主電路，并進行系統通信等，其中使用的電路有功率因數校正電路、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、數字鎖相和上位機的通信。雖然DSP具有很多優勢，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，彌補了常規可編程器件門電路數有限的缺點，解決了定制電路數有限的缺憾。FPGA屬于可重構器件，可在其內部邏輯上根據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，FPGA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FPGA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化，從而組成分立元件組成電路和多塊機車定點路。另外，FPGA還能利用VHDL設計電路系統，通常包含電路系統的行為描述、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，從而設計數字化的電路系統[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在數據率較高、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。雖然相對于傳統模擬控制電路，單片機、DSP和FPGA更具優勢，但使用中發現，單獨使用這行技術已經不能滿足用戶的需要。所以，市場上出現了各種芯片的混合產品[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勢，從而具備更高的速度和處理能力，更符合時代發展的實際需求。

總而言之，將計算機控制技術運用在電力電子電路中，相對于傳統模擬控制電路更具優勢。隨著時代的發展，計算機技術不斷提升，計算機控制技術在使用中也發現了很多問題。無論是單片機、DSP或者FPGA，雖然都具備自己的優勢，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，出現了控制芯片的混合產品。這種新產品能夠集各種技術優點于一身，更好地發揮計算機控制技術的優點，進而促進電力電子電路的快速發展。

[1] 楊 旭.電力電子中的數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字信號處理[J].國外科技新書評介，2013，（9）：22-23.