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現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有141頁\編于星期二\12點優(yōu)選現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)當(dāng)前第2頁\共有141頁\編于星期二\12點重點和難點1、掌握PWM控制技術(shù)的類型及其工作原理。2、掌握空間矢量和坐標(biāo)變換原理3、了解通用瞬時功率理論4、電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)5、了解微控制器(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)在電力電子技術(shù)中的基本應(yīng)用。6、在電力電子技術(shù)中運算放大器的選擇原則及其常用的運放電路當(dāng)前第3頁\共有141頁\編于星期二\12點第9章現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)9.1PWM控制技術(shù)

9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.3通用瞬時功率理論簡介9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)9.5微控制器(MCU)9.6數(shù)字信號處理器(DSP)9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.8運算放大器的選擇9.9電力電子控制常用運放電路當(dāng)前第4頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1PWM控制技術(shù)9.1.1PWM控制技術(shù)概述9.1.2正弦PWM技術(shù)9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)9.1.4隨機(jī)PWM技術(shù)9.1.5小結(jié)當(dāng)前第5頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述隨著采用電機(jī)控制專用型DSP芯片實現(xiàn)PWM技術(shù)數(shù)字化以后,花樣更是不斷地翻新,從最初追求電壓波形的正弦,到電流波形的正弦,再到磁鏈的正弦;從效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動最小,再到消除噪聲等,PWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個不斷完善與發(fā)展的過程。

當(dāng)前第6頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述1964年,A.Schonung和H.Stemmler在《BBC評論》上發(fā)表文章,將通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)引入到交流電氣傳動中,產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變頻變壓的思想,從而為交流電氣傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。所謂PWM技術(shù)就是利用電力半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷產(chǎn)生一定形狀的電壓脈沖序列,(再經(jīng)過一定的低通濾波器后)來實現(xiàn)電能變換,并有效地控制和消除諧波的一種技術(shù)。

當(dāng)前第7頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述PWM控制技術(shù)可以分為三大類:正弦PWM(包括以電壓、電流或磁鏈波形的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案)、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。當(dāng)然從實現(xiàn)的方法上看,大致有模擬式和數(shù)字式兩種。當(dāng)前第8頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述

以PWM控制方式運行所引起的主要問題有電流畸變、變換器的開關(guān)損耗、負(fù)載的諧波損耗以及用于交流調(diào)速系統(tǒng)時電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。這些影響可以用以下性能指標(biāo)來描述。1.電流諧波①諧波電流有效值為(9-1)

其中,為電流的基波分量,不僅與變流器的PWM控制方式有關(guān),而且還與負(fù)載的阻抗特性有關(guān)。

當(dāng)前第9頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述

②電流諧波畸變率(TotalHarmonicDistortion)(9-2)當(dāng)前第10頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述2.諧波頻譜各頻率分量在非正弦電流中所占的份額可用諧波電流頻譜來表示,它能夠比電流諧波畸變率THD提供更詳細(xì)的說明。在同步PWM中,可以得到離散電流頻譜,載波頻率為(9-3)當(dāng)前第11頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述2.諧波頻譜

其中,N是載波比。載波比N值受到(9-4)

條件的限制,為電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的允許頻率,為最高基波頻率。當(dāng)前第12頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述3.最大調(diào)制度調(diào)制度m定義為調(diào)制信號峰值與三角載波信號峰值之比,即(9-5)m值在0~1之間變化,以調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的大小,它體現(xiàn)了直流側(cè)母線電壓的利用率。在N值較大時,一般取最高的m=0.8~0.9。當(dāng)前第13頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述4.轉(zhuǎn)矩脈動在交流電機(jī)中,轉(zhuǎn)矩脈動的標(biāo)么值表示為(9-6)

其中,Tmax為最大電磁轉(zhuǎn)矩;Tav為平均轉(zhuǎn)矩;TN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。雖然諧波轉(zhuǎn)矩是由諧波電流產(chǎn)生的,但兩者之間并沒有精確的關(guān)系。當(dāng)前第14頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.1PWM控制技術(shù)概述5.開關(guān)頻率和開關(guān)損耗

一般而言,電力半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率的增加可以使變流器交流側(cè)的電流諧波畸變減少,從而提高系統(tǒng)的性能。但是由于開關(guān)器件受到開關(guān)損耗的限制,開關(guān)頻率并不能夠隨便增加,這是因為:①開關(guān)器件的開關(guān)損耗與其開關(guān)頻率成正比②開關(guān)器件的開關(guān)頻率隨著器件容量的增加而趨于降低。例如,大功率GTO(如6000V/6000A容量的GTO)的開關(guān)頻率只有500Hz左右;而大功率IGBT(如4500V/1200A容量的IGBT)的開關(guān)頻率只有2~10kHz當(dāng)前第15頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1PWM控制技術(shù)9.1.1PWM控制技術(shù)概述9.1.2正弦PWM技術(shù)9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)9.1.4隨機(jī)PWM技術(shù)9.1.5小結(jié)當(dāng)前第16頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)

最常用的PWM技術(shù)就是正弦PWM(SinePWM——SPWM)。這種SPWM的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化,因此可以有效地抑制低次諧波,從而大大改善了變流器(包括整流器和逆變器)的各項性能。主要有:

1.電壓正弦PWM技術(shù)

2.電流正弦PWM技術(shù)

3.磁鏈正弦PWM技術(shù)

當(dāng)前第17頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)

1.電壓正弦PWM技術(shù)

電壓SPWM技術(shù)可以采用擬電路、數(shù)字電路或大規(guī)模集成電路芯片來實現(xiàn)。采用模擬電路時模,先由振蕩器分別產(chǎn)生正弦波和三角波信號,然后通過比較器產(chǎn)生出PWM控制信號,以此來確定變流器某一相橋臂的上下開關(guān)器件的開通與關(guān)斷。這種實現(xiàn)方法,使得系統(tǒng)的分立元器件過多,控制線路復(fù)雜,精度也難以得到保證。目前,隨著電機(jī)控制專用DSP芯片開始普及與應(yīng)用,數(shù)字化PWM技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,典型的數(shù)字化PWM方法有自然采樣PWM和規(guī)則采樣PWM兩種方法。在數(shù)字化PWM控制中,首先需要通過CPU計算出一個采樣周期內(nèi)的輸出脈沖寬度和間隙時間,時間的改變則通過定時器來完成。當(dāng)前第18頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)自然采樣PWM

見下圖所示,雖然自然采樣PWM可以真實地反映輸出脈沖寬度信息,但是其脈沖寬度為(9-7)

其中,時間ta、tb是未知的,所以這是一個超越方程,需要計算機(jī)迭代求解,難以適用于計算機(jī)實時控制。圖9-1自然采樣PWM當(dāng)前第19頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)

規(guī)則采樣PWM

則是對自然采樣PWM的一種簡單近似處理。它又可以分為對稱規(guī)則采樣PWM和不對稱規(guī)則采樣PWM兩種方法,分別如圖9-2(a)和(b)所示。此時脈沖寬度分別為(a)對稱規(guī)則采樣PWM

(b)不對稱規(guī)則采樣PWM

圖9-2規(guī)則采樣PWM當(dāng)前第20頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)

規(guī)則采樣PWM

對稱規(guī)則采樣PWM和不對稱規(guī)則采樣PWM脈沖寬度分別為(9-8)(9-9)式(9-8)是采用對稱規(guī)則采樣PWM時的脈沖寬度公式;

式(9-9)則是使用不對稱規(guī)則采樣PWM時的脈沖寬度公式。由于此時的、是已知的(通過采樣時刻得到的采樣值可以反推出),因此可以采用CPU快速地計算出每相的脈沖寬度和間隙時間。當(dāng)前第21頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)規(guī)則采樣PWM具有實時實現(xiàn)容易、線性度好等優(yōu)點,但是和自然采樣PWM一樣,具有電壓利用率低的缺點,輸出線電壓的峰值只能達(dá)到直流側(cè)母線電壓的0.866倍。電壓SPWM技術(shù)還有其他的實現(xiàn)方法,如等面積法、連續(xù)移相法等,這里就不一一介紹。當(dāng)前第22頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)2.電流正弦PWM技術(shù)變流器的控制性能主要取決于電流的控制質(zhì)量,為了滿足電機(jī)控制良好的動態(tài)性能,經(jīng)常采用電流的閉環(huán)控制,即采用電流正弦PWM技術(shù)。此外,在電力電子其他應(yīng)用領(lǐng)域中如有源電力濾波器等也廣泛應(yīng)用這一技術(shù)。目前實現(xiàn)電流SPWM的方法很多,包括PI控制、滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率的Delta電流控制、無差拍控制及預(yù)測電流控制等幾種,它們均具有控制簡單和動態(tài)響應(yīng)速度快的特點,但是其直流側(cè)母線電壓的利用率仍然較低。當(dāng)前第23頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)2.電流正弦PWM技術(shù)最初的電流反饋控制就是采用通常的PI調(diào)節(jié)器的方法分別控制三相電流,PI調(diào)節(jié)器的輸出和三角波信號進(jìn)行比較后產(chǎn)生出PWM控制信號。這種方法的問題是電流反饋需要加較大的濾波,以保證PI調(diào)節(jié)效果;另外,還存在電流移相。此方法的一種改進(jìn)是在-坐標(biāo)系中,將需要調(diào)節(jié)的三相電流變換為軸和軸直流量,而PI調(diào)節(jié)器則直接對軸和軸電流進(jìn)行調(diào)節(jié),其輸出再經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換為三相正弦電壓,再和三角波比較輸出PWM控制信號。當(dāng)前第24頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)2.電流正弦PWM技術(shù)在電流SPWM控制方式中,最簡單、曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于小功率調(diào)速系統(tǒng)中的是電流滯環(huán)PWM控制,即將正弦電流參考波形和電流的實際波形通過滯環(huán)比較器進(jìn)行比較,其結(jié)果決定逆變器橋臂的上下開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。這種方法可以使得實際電流與電流參考的誤差約束在滯環(huán)帶內(nèi),而且采用模擬電路實現(xiàn)簡單,動態(tài)性能優(yōu)良,具有強(qiáng)魯棒性。當(dāng)前第25頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)2.電流正弦PWM技術(shù)電流滯環(huán)PWM控制方式也存在明顯的缺陷:①存在非優(yōu)化的開關(guān)過程,在低調(diào)制度時造成開關(guān)頻率很高;②由于相間實際存在相互影響,電流誤差經(jīng)常超出滯環(huán)帶;③開關(guān)頻率不固定,與電路參數(shù)、負(fù)載情況及滯環(huán)寬度等因素有關(guān);④諧波電流頻譜隨機(jī)分布,不利于交流側(cè)LC濾波器的設(shè)計。

之后,發(fā)展了固定開關(guān)頻率的Delta電流控制。實際上,這種控制方法就和全數(shù)字化PWM控制非常接近了。

當(dāng)前第26頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)2.電流正弦PWM技術(shù)

為了解決有限采樣頻率下實現(xiàn)電流的有效控制,J.Holtz和A.Kawamura等人提出了電流預(yù)測控制和無差拍控制的思想。所謂電流預(yù)測控制就是在采樣周期的開始,根據(jù)電流的當(dāng)前誤差和負(fù)載情況選擇一個使誤差趨于零的電壓矢量去控制變流器中開關(guān)器件的通斷。也就是說以開關(guān)順序的在線優(yōu)化為出發(fā)點,選擇一定的電壓矢量來控制電流矢量的軌跡,使它相對于參考電流矢量保持最小的空間誤差。因此,這是一種典型的全數(shù)字化PWM方案。該控制方式的控制精度依賴于系統(tǒng)的參數(shù)。這里對電流預(yù)測控制和無差拍控制不做進(jìn)一步的討論。當(dāng)前第27頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)3.磁鏈正弦PWM技術(shù)

磁鏈正弦PWM(即電壓空間矢量PWM——SpaceVectorPWM,簡稱SVPWM)與電壓SPWM不同,它是從電機(jī)的角度出發(fā),著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁鏈,即正弦磁鏈。在理想三相供電電壓下的空間電壓合成矢量為(9-10)當(dāng)前第28頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)

3.磁鏈正弦PWM技術(shù)

在理想情況下,電壓空間矢量為圓形旋轉(zhuǎn)矢量,而磁鏈為電壓矢量的時間積分,也是圓形的旋轉(zhuǎn)矢量。為了使逆變器的輸出電壓矢量接近圓形,并最終獲得圓形的旋轉(zhuǎn)磁鏈,必須利用逆變器的輸出電壓矢量的時間組合,形成多邊形電壓矢量軌跡,使之更加接近圓形。目前,磁鏈SPWM多采用控制電壓矢量的導(dǎo)通時間的方法,用盡可能多的多邊形磁鏈軌跡逼近理想的圓形磁鏈。當(dāng)前第29頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)3.磁鏈正弦PWM技術(shù)

在一個開關(guān)周期中利用兩個有效電壓矢量的平均值等效給定電壓矢量在此開關(guān)周期中的采樣值。即:

(9-11)(9-12)

當(dāng)前第30頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)3.磁鏈正弦PWM技術(shù)在下一個開關(guān)周期內(nèi),電壓矢量的作用順序為:

一種具體的PWM脈沖分布如圖9-3所示。各電壓矢量的作用順序要遵守以下的原則:任意一次電壓矢量的變化只能有一個橋臂的開關(guān)動作,表現(xiàn)在二進(jìn)制矢量表示中只有一位變化。這是因為如果允許有兩個或三個橋臂的開關(guān)同時動作,則在線電壓的半周期內(nèi)會出現(xiàn)反極性電壓脈沖,產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩,引起轉(zhuǎn)矩脈動和電磁噪聲。當(dāng)前第31頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)3.磁鏈正弦PWM技術(shù)

圖9-3一種具體的PWM脈沖分布當(dāng)前第32頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.2正弦PWM技術(shù)3.磁鏈正弦PWM技術(shù)的幅值達(dá)到上限時,逆變器的輸出線電壓基波幅值就等于直流側(cè)母線電壓,比SPWM高出15%,而且諧波電流的總有效值接近于優(yōu)化??梢哉fSVPWM實質(zhì)上是一種帶諧波注入的調(diào)制方法。

當(dāng)前第33頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1PWM控制技術(shù)9.1.1PWM控制技術(shù)概述9.1.2正弦PWM技術(shù)9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)9.1.4隨機(jī)PWM技術(shù)9.1.5小結(jié)當(dāng)前第34頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)

正弦PWM一般隨著電力半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率的提高會獲得很好的性能,因此在中小功率電機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但是,對于大容量電力電子系統(tǒng)來說,較高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致較大的開關(guān)損耗,因而是不可取的。所謂優(yōu)化PWM就是根據(jù)某一優(yōu)化目標(biāo)將所有工作頻率范圍內(nèi)的開關(guān)角度預(yù)先計算出來,然后通過查表或其他方式輸出PWM控制信號。由于每個周期只有可數(shù)的幾次開關(guān)動作,因此開關(guān)角度的小變化對諧波含量的影響較大。目前都采用存表,然后通過少量的插值計算或近似簡化計算的方法來輸出PWM波形。當(dāng)前第35頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)1.諧波消除法

事實上,人們早在20世紀(jì)60年代就發(fā)現(xiàn),在方波電壓中增加幾次開關(guān)動作,可以大大削弱某次特定的低次諧波,如5、7、11次諧波等,從而使輸出的電流波形非常接近于正弦波。這種方法一般只把影響系統(tǒng)性能的低次諧波消除掉,而其線電壓基波幅值可以超過直流側(cè)母線電壓,因此電壓的利用率很高。所以,在大功率逆變器中應(yīng)用較多。其主要缺點是實時控制困難,且高次諧波的幅值增大了,這會引起損耗的相應(yīng)增加。當(dāng)前第36頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)2.效率最優(yōu)PWM技術(shù)這種方法是以效率最優(yōu)為目標(biāo),因為效率是和負(fù)載大小有關(guān)的,因此,在求解效率最優(yōu)PWM的過程中,應(yīng)考慮負(fù)載的變化。值得注意的是,在整個電壓范圍內(nèi),效率最優(yōu)PWM的開關(guān)角度不是連續(xù)變化的,這幾乎是所有優(yōu)化PWM的共同特征。3.轉(zhuǎn)矩脈動最小PWM

這種方法是以轉(zhuǎn)矩脈動最小為目標(biāo)。這里不做進(jìn)一步介紹。當(dāng)前第37頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1PWM控制技術(shù)9.1.1PWM控制技術(shù)概述9.1.2正弦PWM技術(shù)9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)9.1.4隨機(jī)PWM技術(shù)9.1.5小結(jié)當(dāng)前第38頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.4隨機(jī)PWM技術(shù)1.隨機(jī)PWM技術(shù)概述

PWM逆變器的電流中均含有諧波分量,此諧波電流會引起轉(zhuǎn)矩脈動。以SVPWM逆變器為例,其幅值較大的電流諧波主要分布在一倍和兩倍的PWM開關(guān)頻率的頻帶內(nèi)。因而,由諧波電流引起的電磁噪聲集中在和2頻率附近。為了抑制交流調(diào)速系統(tǒng)中的噪聲,一種方法是提高開關(guān)頻率,使之超過20kHz,但是這樣會伴隨著較高的開關(guān)損耗;另一種方法就是采用隨機(jī)PWM控制技術(shù),從改變噪聲的頻譜分布入手,使逆變器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi),以達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械共振的目的。當(dāng)前第39頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.4隨機(jī)PWM技術(shù)2.隨機(jī)PWM技術(shù)

基于隨機(jī)PWM的方法分為三類:隨機(jī)開關(guān)頻率PWM、隨機(jī)脈沖位置PWM、隨機(jī)開關(guān)PWM。隨機(jī)開關(guān)頻率PWM是目前隨機(jī)PWM中最常用的一種方法,它通過隨機(jī)改變開關(guān)頻率而使電機(jī)電磁噪聲近似為限帶白噪聲。盡管噪聲的總分貝數(shù)沒有改變,但是有色噪聲的強(qiáng)度被大幅度地削弱了,從而有利于逆變器的現(xiàn)場運行。隨機(jī)脈沖位置PWM是一種簡單而有效的隨機(jī)PWM控制方法,它通過隨機(jī)地選擇每個采樣周期的脈寬位置,要么使之位于采樣周期的開始部分(超前方式),要么使之位于采樣周期的結(jié)束部分(滯后方式)。隨機(jī)開關(guān)PWM與SPWM控制相似,通過參考電壓波形與一個幅值為隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)信號進(jìn)行比較,以此決定對應(yīng)相的橋臂是上臂還是下臂的開關(guān)器件導(dǎo)通,它尤其適合于采用高的開關(guān)頻率來實現(xiàn)高性能輸出電流的應(yīng)用場合,這就相對限制了它的適用范圍。

當(dāng)前第40頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1PWM控制技術(shù)9.1.1PWM控制技術(shù)概述9.1.2正弦PWM技術(shù)9.1.3優(yōu)化PWM技術(shù)9.1.4隨機(jī)PWM技術(shù)9.1.5小結(jié)

當(dāng)前第41頁\共有141頁\編于星期二\12點9.1.5小結(jié)1.隨著電機(jī)控制專用DSP技術(shù)的發(fā)展,全數(shù)字化PWM技術(shù)已經(jīng)開始取代模擬式PWM,成為電力電子設(shè)備中共用的核心技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電壓空間矢量PWM控制(SVPWM),它具有計算簡單、定時控制容易的特點。

2.所有PWM技術(shù)的不同之處都在于對諧波控制的不同。

3.PWM變流器在大功率和高頻化等方面尚有大量工作有待進(jìn)行。

4.消除機(jī)械和電磁噪聲的最佳方法并不是盲目地提高裝置或系統(tǒng)的工作(開關(guān))效率,而隨機(jī)PWM控制則提供了一個全新的發(fā)展思想。當(dāng)前第42頁\共有141頁\編于星期二\12點第9章現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)9.1PWM控制技術(shù)9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.3通用瞬時功率理論簡介9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)9.5微控制器(MCU)9.6數(shù)字信號處理器(DSP)9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.8運算放大器的選擇9.9電力電子控制常用運放電路當(dāng)前第43頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.2.1空間矢量9.2.2坐標(biāo)變換當(dāng)前第44頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.1空間矢量三相電壓或電流采用空間矢量的分析方法,就是將三相瞬時值作為空間的一個矢量來處理。將三相互差120°電角度的相電壓或電流的瞬時值,在各方向合并成為矢量。它們的三相合成矢量就是電壓或電流的空間矢量。在交流電機(jī)三相繞組上施加電壓或流過電流,合成的磁場方向和大小可用矢量圖表示為圖9-4。由三相正弦波電壓或電流產(chǎn)生的空間矢量軌跡可描述成一個隨時間逆時針方向旋轉(zhuǎn)的,其軌跡是以原點O為圓心的圓。當(dāng)前第45頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.1空間矢量三相電壓或電流采用空間矢量的分析方法,就是將三相瞬時值作為空間的一個矢量來處理。將三相互差120°電角度的相電壓或電流的瞬時值,在各方向合并成為矢量。它們的三相合成矢量就是電壓或電流的空間矢量。在交流電機(jī)三相繞組上施加電壓或流過電流,合成的磁場方向和大小可用矢量圖表示為圖9-4。由三相正弦波電壓或電流產(chǎn)生的空間矢量軌跡可描述成一個隨時間逆時針方向旋轉(zhuǎn)的,其軌跡是以原點O為圓心的圓。當(dāng)前第46頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.1空間矢量(9-13)

(9-14)

圖9-4空間矢量圖當(dāng)前第47頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.1空間矢量電流空間矢量表示為:(9-15)

(9-16)(9-17)當(dāng)前第48頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.1空間矢量圖9-5電流空間矢量圖

(9-18)

當(dāng)前第49頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.2.1空間矢量9.2.2坐標(biāo)變換

當(dāng)前第50頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換

如將空間矢量表示成復(fù)數(shù)形式時,會使得坐標(biāo)變換的表示簡單化,有時根據(jù)具體需要又可分解出復(fù)數(shù)的實部和虛部,即求出相互垂直(獨立)的各個分量,所以簡單方便。當(dāng)前第51頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換:坐標(biāo)反變換:(9-19)(9-20)(9-21)(9-22)當(dāng)前第52頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換其中,

坐標(biāo)變換到坐標(biāo)反變換的過程,參見圖9-6和圖9-7

(9-25)(9-24)(9-23)(9-26)當(dāng)前第53頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換圖9-6坐標(biāo)變換

當(dāng)前第54頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換圖9-7坐標(biāo)反變換當(dāng)前第55頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換(9-27)

當(dāng)前第56頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換(9-28)

當(dāng)前第57頁\共有141頁\編于星期二\12點9.2.2坐標(biāo)變換當(dāng)前第58頁\共有141頁\編于星期二\12點第9章現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)9.1PWM控制技術(shù)9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.3通用瞬時功率理論簡介

9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)9.5微控制器(MCU)9.6數(shù)字信號處理器(DSP)9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.8運算放大器的選擇9.9電力電子控制常用運放電路當(dāng)前第59頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3通用瞬時功率理論簡介9.3.1傳統(tǒng)功率理論9.3.2通用瞬時功率理論(重點/難點)當(dāng)前第60頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1傳統(tǒng)功率理論9.3.1.1單相電路1.單相電路的電壓有效值定義為:2.單相電路的電流有效值定義為:當(dāng)前第61頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1傳統(tǒng)功率理論3.單相電路的視在功率:4.單相電路的有功功率:

當(dāng)前第62頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1傳統(tǒng)功率理論

5.由上式可以定義單相電路的無功功率為:

有功功率、無功功率及視在功率的關(guān)系可以形象地表示為“功率三角形”。當(dāng)前第63頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1傳統(tǒng)功率理論9.3.1.2三相電路1.三相對稱電路的有功功率:當(dāng)前第64頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1傳統(tǒng)功率理論2.三相對稱電路的視在功率:3.三相對稱電路的無功功率:當(dāng)前第65頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1.3對傳統(tǒng)功率理論的評價1.特點傳統(tǒng)的功率概念是以正弦電源和線性負(fù)載為背景的。有功功率是指一個工頻周期內(nèi)的平均功率,物理意義是電路實際消耗的功率;無功功率代表負(fù)荷和電源之間能量交換的一種量度,是儲能元件(電容、電感)吞吐能量能力的反映。

9.3.1傳統(tǒng)功率理論當(dāng)前第66頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1傳統(tǒng)功率理論9.3.1.3對傳統(tǒng)功率理論的評價2.局限性無功功率的定義不具有明確的物理意義。電力電子技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用使得電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的非線性負(fù)荷,而非線性負(fù)荷即使不帶儲能元件仍然需要無功,并且含有大量的諧波成分。此時,傳統(tǒng)功率理論不再能夠描述這些情況。傳統(tǒng)功率理論無法用于現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)的瞬時(或?qū)崟r)控制策略中。當(dāng)前第67頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.1傳統(tǒng)功率理論9.3.1.4結(jié)論

有必要發(fā)展能夠適應(yīng)于非正弦、不平衡以及含有零序電流、電壓的三相四線不對稱系統(tǒng)或電路的功率理論。并且可以包含傳統(tǒng)的功率定義。當(dāng)前第68頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3通用瞬時功率理論簡介9.3.1傳統(tǒng)功率理論9.3.2通用瞬時功率理論(重點/難點)當(dāng)前第69頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.1發(fā)展和意義1.發(fā)展為了適應(yīng)這一發(fā)展,功率概念需要在上述傳統(tǒng)的基于周期平均值的功率定義基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。1996年美國F.Z.Peng提出了新的通用瞬時功率理論。2.意義因其適用于非正弦、不平衡以及含有零序電流、電壓的三相四線不對稱系統(tǒng)或電路,具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義,并且可以包含傳統(tǒng)的功率定義,具有一定的代表性。當(dāng)前第70頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.2主要內(nèi)容

1.采用(a,b,c)坐標(biāo)系將三相系統(tǒng)的瞬時電壓、電流空間矢量寫成列向量形式

也可以采用(α,β,0)、(d,q,0)坐標(biāo)系當(dāng)前第71頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論

2.瞬時有功功率定義為:

瞬時有功功率的定義同樣適用于(α,β,0)、(d,q,0)坐標(biāo)系,具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。當(dāng)前第72頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論

3.定義一個新的瞬時無功矢量,并定義其模長為瞬時無功:上述定義同樣適用于(α,β,0)、(d,q,0)坐標(biāo)系,具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。當(dāng)前第73頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論

4.由此可以定義瞬時有功電流矢量、瞬時無功電流矢量:當(dāng)前第74頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論

5.瞬時視在功率和瞬時功率因數(shù)如下:當(dāng)前第75頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.3通用瞬時功率理論的要點采用電壓、電流空間矢量的內(nèi)積與叉積來定義瞬時有功和無功功率。具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。當(dāng)前第76頁\共有141頁\編于星期二\12點二、通用瞬時功率理論9.3.2.4通用瞬時功率理論的優(yōu)點

這一新的通用瞬時功率理論完全不依賴于坐標(biāo)系,即不僅適用于三相坐標(biāo)系,而且適用于(α,β,0)靜止坐標(biāo)系或(d,q,0)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。當(dāng)前第77頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.5功率定義具有的性質(zhì)1、傳統(tǒng)功率理論的性質(zhì)得到了保持,例如仍有當(dāng)前第78頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.5功率定義具有的性質(zhì)

2、即三相電流空間矢量總可以分解為瞬時有功電流矢量和瞬時無功電流矢量;當(dāng)前第79頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.5功率定義具有的性質(zhì)

3、

即平行于,而垂直于;當(dāng)前第80頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.5功率定義具有的性質(zhì)

4、當(dāng)時,傳送同樣的有功功率所需電流(的模)最小,這時,功率因數(shù)達(dá)到最大。當(dāng)前第81頁\共有141頁\編于星期二\12點9.3.2通用瞬時功率理論9.3.2.6瞬時無功功率的物理意義

瞬時無功功率不再是個虛擬量,而是有其明確的物理意義,是指在三相之間流動、傳送的功率,三相無功的瞬時值之和為零;瞬時有功電流是傳輸瞬時有功所必需的而不對無功做貢獻(xiàn),同樣瞬時無功電流不會從電源到負(fù)荷傳送瞬時有功,但是其存在會增大三相電流的幅值,從而增加線路損耗。當(dāng)前第82頁\共有141頁\編于星期二\12點第9章現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)9.1PWM控制技術(shù)9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.3通用瞬時功率理論簡介9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)

9.5微控制器(MCU)9.6數(shù)字信號處理器(DSP)9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.8運算放大器的選擇9.9電力電子控制常用運放電路當(dāng)前第83頁\共有141頁\編于星期二\12點9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)

在設(shè)計電力電子數(shù)字控制電路中經(jīng)常采用模塊化設(shè)計思想,根據(jù)數(shù)字控制系統(tǒng)的功能和設(shè)計要求,一般將整個數(shù)字控制部分分成電機(jī)控制專用DSP芯片、程序存儲器EPROM、PWM控制軟件部分、PWM驅(qū)動及隔離部分、電壓/電流互感器及其整形電路、控制電源部分、模擬保護(hù)電路部分、以及外圍部分(如通信、報警、顯示等)等幾個大的電路模塊。在數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計中采用美國TI公司的TMS320F240或ADI公司的ADMC40116位定點電機(jī)控制專用DSP作為主控CPU芯片,從而大大簡化硬件電路的設(shè)計,實現(xiàn)硬件電路的軟件化,使系統(tǒng)設(shè)計更加靈活、可靠。具體的電力電子系統(tǒng)數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-8所示。

當(dāng)前第84頁\共有141頁\編于星期二\12點9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)圖3-8電力電子數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)當(dāng)前第85頁\共有141頁\編于星期二\12點9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)

控制電源需要給數(shù)字控制系統(tǒng)提供多種電源電壓??刂齐娫茨K采用24V輸出的AC/DC模塊,其后轉(zhuǎn)接24V/15V、24V/5V、24V/±5V等多種DC/DC模塊,以滿足電力電子數(shù)字控制的電源需要??傊?,在現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中采用電機(jī)控制專用DSP芯片技術(shù)之后,使得電力電子數(shù)字控制電路的結(jié)構(gòu)顯得簡單明了,一方面可以保證控制電路的可靠性與一致性,另一方面有利于產(chǎn)品化、系列化后的技術(shù)保密性。

當(dāng)前第86頁\共有141頁\編于星期二\12點第9章現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)9.1PWM控制技術(shù)9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.3通用瞬時功率理論簡介9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)9.5微控制器(MCU)

9.6數(shù)字信號處理器(DSP)9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.8運算放大器的選擇9.9電力電子控制常用運放電路當(dāng)前第87頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,微控制器(MCU,國內(nèi)又普遍稱之為單片機(jī))更廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備、軍事、工業(yè)、通信、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表等領(lǐng)域,使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量均大幅度提高,而且電路設(shè)計簡單、故障率低、可靠性高且成本低廉。從目前的發(fā)展趨勢來看,F(xiàn)lash技術(shù)、在線可編程、低功耗及大規(guī)模集成是今后微控制器的發(fā)展方向。當(dāng)前第88頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)

美國ATMEL公司是全球著名的高性能、低功耗、非易失性存儲器和數(shù)字集成電路的一流半導(dǎo)體制造公司。ATMEL公司最引人注目的是它的EEPROM電可擦除技術(shù)、快閃存儲器技術(shù)和高質(zhì)量、高可靠性的CMOS器件生產(chǎn)技術(shù)。這些技術(shù)用于微控制器生產(chǎn),使得微控制器具有了優(yōu)良的品質(zhì),在結(jié)構(gòu)及性能等方面都有明顯的優(yōu)勢。

20世紀(jì)90年代初,ATMEL公司利用其Flash技術(shù)優(yōu)勢,率先推出了把MCS-51內(nèi)核與Flash技術(shù)相結(jié)合的AT89系列微控制器,在全球電子業(yè)內(nèi)引起了巨大的反響,在中國也受到了眾多用戶的喜愛。當(dāng)前第89頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)

至今,ATMEL在MCS-51市場上仍占據(jù)主要份額。繼AT89系列之后,ATMEL公司又向全球推出了全新配置的精簡指令集(RISC)微控制器(ADVANCERISC——簡稱AVR)。AVR微控制器是在8位微控制器中第一種真正意義上的RISC微控制器。之后幾年,AVR微控制器逐步形成系列產(chǎn)品,其ATtiny、AT90與ATmega子系列分別對應(yīng)為低、中及高檔產(chǎn)品。與此同時,ATMEL公司和ADI公司也分別推出了與8051兼容的高集成度的AT89S8252和ADuC812CISC指令集微控制器。表9-1為AT90S8535、AT89S8252及ADuC812三種微控制器的性能對比。當(dāng)前第90頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)表9-1

AT90S8535、AT89S8252及ADuC812性能對比性能AT90S8535AT89S8252ADuC812體系結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)指令集RISCCISCCISCSPI串行在線編程√√√片內(nèi)程序存儲器8KBytesFlash8KBytesFlash8KBytesFlash片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器512BytesRAM256BytesRAM256BytesRAMFlash數(shù)據(jù)存儲器512BytesFlash2KBytesFlash640BytesFlash可編程存儲器鎖√√—當(dāng)前第91頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)表9-1

AT90S8535、AT89S8252及ADuC812性能對比(續(xù))性能AT90S8535AT89S8252ADuC812A/D轉(zhuǎn)換器8×10-bitADC—8×12-bitADCD/A轉(zhuǎn)換器——2×12-bitDACPWM2×10-bitPWM——片內(nèi)看門狗定時器√√√工作(累加)寄存器32×8-bit1×8-bit1×8-bit當(dāng)前第92頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)表3-1

AT90S8535、AT89S8252及ADuC812性能對比(續(xù))性能AT90S8535AT89S8252ADuC812上電復(fù)位電路√√√掉電標(biāo)志—√—與8051指令兼容性—√√低功耗設(shè)計√√√片內(nèi)模擬比較器√——閑置與休眠模式√√√串行通信口SPI、UARTSPI、UARTSPI/I2C、UART封裝形式PDIP、PLCC、TQFPPDIP、PLCC、TQFPPQFP當(dāng)前第93頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)

高速嵌入式AVR系列微控制器所具有的獨特性能,得到國內(nèi)外科技界和工業(yè)界的認(rèn)可,被廣泛應(yīng)用到高科技含量的產(chǎn)品中。特別是,AVR微控制器的有些器件硬件設(shè)計與MCS-51系列引腳兼容,只有復(fù)位電平要求不同:MCS-51是高電平復(fù)位,而AVR是低電平復(fù)位。因而,原有的MCS-51微控制器的硬件電路很容易用AVR微控制器所取代,同時可以增加許多新功能。表9-2為MCS-51微控制器與AVR微控制器的替換表。當(dāng)前第94頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)表9-2MCS-51微控制器與AVR微控制器的替換表MCS-51微控制器AVR微控制器程序存儲器/KB89C1051AT90S1200189C2051AT90S231328751/89C51AT90S441448752/89C52AT90S851588XC504/8XC524ATmega16116當(dāng)前第95頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)

以下主要簡單介紹ATMEL公司生產(chǎn)的AVR微控制器的特點及其開發(fā)工具。

ATMEL公司的AVR系列微控制器的主要特點有:①可靠保證Flash程序存儲器1000次電擦寫;②內(nèi)部含有較大容量、可靠保證10萬次電可擦寫的數(shù)據(jù)EEPROM存儲器:非常適宜于存儲參數(shù),也可以通過串行口在線修改參數(shù),同時對掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來方便,來電后能記住掉電時的工作狀態(tài);當(dāng)前第96頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)

③易于組成最小系統(tǒng):AVR微控制器只需外加晶振和電源電壓監(jiān)測芯片(如MAX706等)即可構(gòu)成最小控制系統(tǒng);④執(zhí)行速度高,指令效率高:AVR系列微控制器采用哈佛結(jié)構(gòu)體系,具有預(yù)取指令功能,對程序和數(shù)據(jù)存儲分別采用不同的存儲器和總線,這使得一條指令可以在每一個時鐘周期內(nèi)被執(zhí)行完;⑤低電壓,低功耗,高驅(qū)動:工作電壓范圍寬(2.7~6.0V),電源抗干擾性能強(qiáng),由于采用CMOS工藝技術(shù),其典型耗電為1~2.5mA之間,而在休眠(Sleep)期間耗電可低達(dá)級,同時具有大電流(10~20mA)的I/O驅(qū)動能力,可直接驅(qū)動SSR或繼電器;當(dāng)前第97頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)⑥程序加密性好:具有多重密碼保護(hù)鎖死(LOCK)功能;⑦簡便易學(xué),開發(fā)工具價廉物美;⑧可擴(kuò)展性強(qiáng),可為用戶定制專用芯片;⑨最重要的是:AVR系列微控制器物美價廉,雅俗共賞,生命力長久。

AVR系列微控制器具有多種開發(fā)工具,這里只簡單介紹美國原裝AVR實時在線仿真器ICE200。當(dāng)前第98頁\共有141頁\編于星期二\12點9.5微控制器(MCU)ICE200采用AVR專用仿真CPU與監(jiān)控CPU獨立設(shè)計的方案,充分提供各種調(diào)試手段,真實再現(xiàn)被仿AVR的各種特性。它可仿真AVR的器件有:ATtiny10/11/12(V/L)、AT90S1200/2313、AT90(L)S2333/4433、AT90S4414/8515、AT90(L)S4434/8535。它不支持ATmega子系列微控制器。由于仿真器的電源不對外開放,所以ICE200也支持低電壓器件。ICE200的仿真軟件最新版本為STUDIO3.X,在支持以上11種AVR以外,還可模擬其它AVR器件的運行,支持匯編語言及C語言。其中匯編編譯器免費提供,C編譯器只提供30天免費試用版IccAVRdemo。該軟件及其升級版均可從互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站()上免費獲得。當(dāng)前第99頁\共有141頁\編于星期二\12點第9章現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)9.1PWM控制技術(shù)9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.3通用瞬時功率理論簡介9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)9.5微控制器(MCU)9.6數(shù)字信號處理器(DSP)9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.8運算放大器的選擇9.9電力電子控制常用運放電路當(dāng)前第100頁\共有141頁\編于星期二\12點9.6數(shù)字信號處理器(DSP)

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器

當(dāng)前第101頁\共有141頁\編于星期二\12點

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點

數(shù)字信號處理器是實時數(shù)字信號處理技術(shù)的核心和標(biāo)志。自從第一個微處理器問世以來,處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的發(fā)展,而快速傅立葉變換等實用算法的提出促進(jìn)了專門實現(xiàn)數(shù)字信號處理的一類微處理器的分化和發(fā)展。自1985年美國TI公司推出第一片數(shù)字信號處理器TMS320C10以來,DSP發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段,也形成了目前DSP產(chǎn)品的三個檔次:①第一階段是以TMS320C10/C2X為代表的16-bit定點DSP。目前這類DSP仍在廣泛使用,但代之以更先進(jìn)的ADSP21XX、TMS320C25/C5X/C2XX/C24X/C54X等型號。16-bit定點DSP的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍僅96分貝(dB),可以勝任大多數(shù)數(shù)據(jù)動態(tài)范圍不大的數(shù)字信號處理應(yīng)用,如自動控制、儀器儀表及消費電子等場合;當(dāng)前第102頁\共有141頁\編于星期二\12點

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點

②第二階段推出了32-bit浮點DSP,目前代表產(chǎn)品有ADSP21020、TMS320C3X等型號。32-bit浮點DSP拓展了數(shù)據(jù)動態(tài)范圍,達(dá)到1536dB。得益于VLSI技術(shù),32-bit浮點DSP的處理性能等各項指標(biāo)都遠(yuǎn)好于定點DSP,它可以完成32-bit定點運算,具備更大的存儲訪問空間,廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字信號處理、通信、語音處理、圖形/圖像處理、醫(yī)學(xué)電子及軍事等場合;③最近幾年推出了性能更高的第三代DSP,包括并行DSP和超高性能DSP,如ADSP2106X、TMS320C4X以及新近推出的TMS320C67X、ADSP21160等型號。DSP并行技術(shù)的主流是向片外/片間并行發(fā)展,因為這種并行可以不受限制地擴(kuò)大并行規(guī)模。以TMS320C4X和ADSP2106X為代表的并行DSP無一例外地采用浮點格式,為用戶提供了設(shè)計大規(guī)模并行系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ),它們都提供了6個通信(鏈路)口,并為共享總線系統(tǒng)的設(shè)計提供了相應(yīng)的總線控制信號線,可以組成松耦合的分布式并行系統(tǒng)和緊耦合的總線共享式并行系統(tǒng)。因而廣泛應(yīng)用于高性能的數(shù)字信號處理、軍事如雷達(dá)和聲納信號處理、雷達(dá)成像、導(dǎo)彈制導(dǎo)、火控系統(tǒng)、全球定位GPS、目標(biāo)搜索跟蹤及宇宙飛船等尖端科技中。當(dāng)前第103頁\共有141頁\編于星期二\12點

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點DSP除具備普通微處理器所強(qiáng)調(diào)的高速運算和控制功能外,針對實時數(shù)字信號處理,在處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上做了很大的改動,其結(jié)構(gòu)特點如下:①DSP普遍采用哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),比傳統(tǒng)處理器的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的指令執(zhí)行速度;②DSP大多采用流水線技術(shù),從而在不提高時鐘頻率的條件下減少了每條指令的執(zhí)行時間;③片內(nèi)有多條總線可同時進(jìn)行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作;④DSP大都配有獨立的乘法器和加法器,使得同一時鐘周期內(nèi)可以完成相乘、累加兩個運算,大大加快了FFT的蝶形運算速度;⑤許多DSP帶有DMA通道控制器,以及串行通信口等,配合片內(nèi)多總線結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)塊傳送速度大大提高;⑥配有中斷控制器和定時控制器,可以方便地構(gòu)成一個小規(guī)模系統(tǒng);⑦具有軟、硬件等待功能,能與各種存儲器接口。當(dāng)前第104頁\共有141頁\編于星期二\12點

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點

數(shù)字信號處理器(DSP)與通用微處理器(MPU)、微控制器(MCU)是有區(qū)別的:DSP面向高性能、重復(fù)性、數(shù)值運算密集型的實時處理;MPU大量應(yīng)用于計算機(jī);MCU則適用于以控制為主的處理過程。而DSP本身具有以下功能,來支持其數(shù)字信號處理:①單指令周期的乘、加操作;②特殊的高速尋址方式,具有循環(huán)尋址、位反序?qū)ぶ饭δ埽虎勰茉趩沃噶钪芷趦?nèi)完成多次存儲器或I/O設(shè)備的訪問;④專門的指令流控制,具有無附加開銷的循環(huán)功能以及延遲跳轉(zhuǎn)(相當(dāng)于預(yù)跳轉(zhuǎn))指令;⑤專門的指令集,一個指令字同時控制片內(nèi)多個功能單元操作;⑥單片系統(tǒng),有利于小型化設(shè)計;⑦低功耗設(shè)計,一般功耗為0.5~4W,采用低功耗技術(shù)的DSP只有0.1W,可用電池供電,適用于嵌入式系統(tǒng)。

當(dāng)前第105頁\共有141頁\編于星期二\12點

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點

DSP技術(shù)仍在不斷發(fā)展,首先是集成度和性能呈加速增長勢頭,更新?lián)Q代越來越快。對一般用戶而言,采用主流產(chǎn)品和兼容性有保證的型號很重要。當(dāng)前DSP有兩個值得注意的發(fā)展趨勢:一是采用低電壓(3.3V/2.5V)工作模式,可以大大減少系統(tǒng)的功耗,降低散熱要求;二是采用越來越密集的封裝形式,從DIP→PGA→PLCC→QFP→TQFP→BGA,管腳間距越來越小,對電路板設(shè)計、制作及器件安裝的要求越來越高。當(dāng)前第106頁\共有141頁\編于星期二\12點

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點

DSP另一大趨勢是單片集成化,即在一個芯片上集成了DSP內(nèi)核、存儲器、輸入/輸出設(shè)備、A/D及D/A模擬器件、PWM發(fā)生器等外圍部件,這類DSP降低了產(chǎn)品的設(shè)計難度,提高了設(shè)計效率。電機(jī)控制專用DSP正是這類DSP芯片,它是專為電機(jī)控制乃至電力電子的PWM控制技術(shù)而推出的,集成了電機(jī)控制的外圍部件,使設(shè)計者只需外加較少的硬件設(shè)備,即可構(gòu)成電機(jī)控制的最小目標(biāo)控制系統(tǒng),從而可以降低系統(tǒng)費用和產(chǎn)品成本。當(dāng)前第107頁\共有141頁\編于星期二\12點9.6數(shù)字信號處理器(DSP)

數(shù)字信號處理器的發(fā)展和特點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器

當(dāng)前第108頁\共有141頁\編于星期二\12點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器

1997年美國TI公司率先推出了用于電機(jī)控制的TMS320C24X數(shù)字信號處理器芯片,這一高度集成化的器件代表了微處理器及通用DSP處理器方案的重大突破,使易制造的交流電機(jī)的直接驅(qū)動及調(diào)速控制成為可能。之后,TI公司將之發(fā)展成為系列產(chǎn)品,目前普遍采用的是具備Flash程序存儲器的TMS320F24X系列產(chǎn)品。與此同時,美國ADI公司推出了電機(jī)控制專用的ADMC331、ADMC401等數(shù)字信號處理器芯片。TI和ADI公司最近分別推出TMS320F2812系列和ADSP21992系列DSP芯片,為電力電子技術(shù)和交流調(diào)速控制的進(jìn)一步發(fā)展提供了可靠的硬件保證。當(dāng)前第109頁\共有141頁\編于星期二\12點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器

下面來比較分析一下TMS320F240和ADMC401兩種DSP芯片的性能指標(biāo),最后比較TMS320F2812和ADSP21992這兩種最新的電機(jī)控制專用DSP芯片。表3-3為TMS320F240和ADMC401芯片的性能指標(biāo)對照表。表3-4為TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指標(biāo)對照表。當(dāng)前第110頁\共有141頁\編于星期二\12點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器表9-3TMS320F240和ADMC401芯片的性能指標(biāo)對照表

性能指標(biāo)TMS320F240ADMC40116bit定點DSP內(nèi)核TMS320C25ADSP2171單指令速度20MIPS26MIPS內(nèi)部程序存儲器16K×16-bit2K×24-bit內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM544×16-bit1K×16-bit時鐘模塊基于PLL基于PLLA/D轉(zhuǎn)換器16×10-bitADC8×12-bitADCPWM12×16-bitPWM6×16-bitPWM輔助PWM—2×8-bitPWM當(dāng)前第111頁\共有141頁\編于星期二\12點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器表9-3TMS320F240和ADMC401芯片的性能指標(biāo)對照表(續(xù))

性能指標(biāo)TMS320F240ADMC401可編程I/O2812編碼器接口√√事件定時/捕捉單元√2看門狗定時器√√片內(nèi)串行口SCI,SPI2×SPORT仿真形式邊界掃描仿真仿真頭仿真內(nèi)部上電復(fù)位√√工作電壓5.0V5.0V溫度范圍0~70℃或-40~85℃-40~85℃封裝形式132-PQFP144-LQFP當(dāng)前第112頁\共有141頁\編于星期二\12點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器表3-4TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指標(biāo)對照表性能指標(biāo)TMS320F2812ADSP2199216bit定點DSP內(nèi)核TMS320C28XADSP219X單指令速度≤150MIPS≤160MIPS內(nèi)部程序存儲器128K×16-bit32K×24-bit內(nèi)部數(shù)據(jù)RAML0/L1:2×4K×16-bitM0/M1:2×1K×16-bitH0:8K×16-bit16K×16-bit安全鎖128-bit—時鐘模塊基于PLL基于PLLA/D轉(zhuǎn)換器16×12-bitADC8×14-bitADCPWM12×16-bitPWM6×16-bitPWM輔助PWM—2×16-bitPWM當(dāng)前第113頁\共有141頁\編于星期二\12點

電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器表3-4TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指標(biāo)對照表(續(xù))性能指標(biāo)TMS320F2812ADSP21992可編程I/O5616編碼器接口√√事件定時/捕捉單元22看門狗定時器√√片內(nèi)串行口SCI,SPI,UART,eCANSPORT,SPI,CAN仿真形式JTAG邊界掃描仿真JTAG邊界掃描仿真內(nèi)部上電復(fù)位√√工作電壓內(nèi)核1.8V,I/O3.3V內(nèi)核2.5V,I/O3.3V溫度范圍-40~125℃或-40~85℃-40~115℃封裝形式176-LQFP,179-BGA176-LQFP當(dāng)前第114頁\共有141頁\編于星期二\12點第9章現(xiàn)代電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)9.1PWM控制技術(shù)9.2空間矢量和坐標(biāo)變換9.3通用瞬時功率理論簡介9.4電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)9.5微控制器(MCU)9.6數(shù)字信號處理器(DSP)9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.8運算放大器的選擇9.9電力電子控制常用運放電路當(dāng)前第115頁\共有141頁\編于星期二\12點9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)

可編程邏輯器件的發(fā)展

CPLD器件的特點

CPLD產(chǎn)品簡介當(dāng)前第116頁\共有141頁\編于星期二\12點

可編程邏輯器件的發(fā)展

當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會,是數(shù)字集成電路(微處理器、存儲器以及標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路等)廣泛應(yīng)用的社會。信息高速公路、多媒體電腦、移動電話系統(tǒng)、數(shù)字電視,各種自動化設(shè)備以及我們平常的電子設(shè)計與制作都要用到數(shù)字集成電路。但是,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)的設(shè)計者更愿意自己設(shè)計專用的集成電路(ASIC)芯片,而且還希望設(shè)計周期盡可能短,最好是在開發(fā)產(chǎn)品過程中,隨時就能設(shè)計出合格的ASIC芯片,并且能夠立即投入實際應(yīng)用中,因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD),其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。當(dāng)前第117頁\共有141頁\編于星期二\12點

可編程邏輯器件的發(fā)展

早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲器(PROM)、紫外線可擦除只讀存儲器(EPROM)和電可擦除只讀存儲器(EEPROM)。由于結(jié)構(gòu)的限制,它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。其后,出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜的可編程邏輯器件(PLD),主要有可編程陣列邏輯(PAL)和通用陣列邏輯(GAL)。由于任何一個組合邏輯都可以用“與-或”表達(dá)式來描述,所以,PLD能以乘積和的形式完成大量的數(shù)字組合邏輯功能。PAL器件是現(xiàn)場可編程的,它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)等。在PAL的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的GAL器件,采用EEPROM工藝技術(shù),實現(xiàn)了電可擦除、電可改寫,其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元,因而它的設(shè)計具有很強(qiáng)的靈活性。當(dāng)前第118頁\共有141頁\編于星期二\12點

可編程邏輯器件的發(fā)展

這些早期的PLD器件可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能,但是其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的邏輯電路。為了彌補這一缺陷,20世紀(jì)80年代,Altera和Xilinx公司分別推出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型EPLD(ErasableProgrammableLogicDevice)和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的FPGA(FieldProgrammableGateArray),它們都具有體系結(jié)構(gòu)/邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點,具有可實現(xiàn)較大規(guī)模電路、編程靈活、設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)中??梢哉f,幾乎所有的應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字邏輯電路的場合均可應(yīng)用FPGA和CPLD器件。本節(jié)主要講述Altera公司的CPLD器件。當(dāng)前第119頁\共有141頁\編于星期二\12點9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.7.1可編程邏輯器件的發(fā)展9.7.2CPLD器件的特點

CPLD產(chǎn)品簡介當(dāng)前第120頁\共有141頁\編于星期二\12點

CPLD器件的特點

Altera公司的CPLD器件具有如下主要特點:

隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)工藝的不斷提高,CPLD芯片的規(guī)模會越來越大,它所能實現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng),同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成;②

CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試,不需要設(shè)計人員承擔(dān)任何風(fēng)險,所以CPLD的研制開發(fā)費用相對較低;③

CPLD芯片和EPROM配合使用時,用戶可以反復(fù)地編程、擦除使用,所以采用CPLD試制樣品,能夠以最快的速度占領(lǐng)市場;④

CPLD芯片的電路設(shè)計與開發(fā)周期很短;當(dāng)前第121頁\共有141頁\編于星期二\12點

CPLD器件的特點

⑤采用CPLD進(jìn)行電路設(shè)計時,不需要電路設(shè)計人員具備專門的集成電路(IC)的深層次知識,CPLD開發(fā)軟件易學(xué)易懂,可以使設(shè)計人員集中精力進(jìn)行電路設(shè)計;⑥CPLD適合于正向設(shè)計(從電路原理圖到芯片級的設(shè)計),對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)非常有利;⑦Altera公司的CPLD具有獨特的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部連線率很高,不需要用人工布局布線來優(yōu)化速度和面積;⑧AlteraCPLD的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時序延遲是均勻的和可預(yù)測的(即設(shè)計輸入不變的情況下每次布局布線后對其時序延遲是一定的),大大方便了電路設(shè)計人員設(shè)計電路;⑨Altera公司的CPLD中一些產(chǎn)品具有在線配置功能,即此時無需將芯片斷電,只需在計算機(jī)上修改電路設(shè)計并重新進(jìn)行編譯,最后通過一條稱之為Byte_Blaster或Bit_Blaster的下載電纜下傳給芯片。當(dāng)前第122頁\共有141頁\編于星期二\12點9.7復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)9.7.1可編程邏輯器件的發(fā)展9.7.2CPLD器件的特點

9.7.3CPLD產(chǎn)品簡介

當(dāng)前第123頁\共有141頁\編于星期二\12點

CPLD產(chǎn)品簡介

Altera公司的CPLD器件又可分為電可擦除可編程邏輯器件(EPLD)產(chǎn)品系列和靈活邏輯單元陣列(FlexibleLogicElementMatrix——FLEX)產(chǎn)品系列。其中EPLD又包含Classic、FLASHLogic和MAX5000/7000/9000系列;FLEX包含F(xiàn)LEX10K/20K/、FLEX8000/6000系列。FLEX系列器件采用嵌入式邏輯單元陣列結(jié)構(gòu),使用查找表(LUT)來實現(xiàn)邏輯功能,而多陣列矩陣(MAX)和Classic結(jié)構(gòu)使用可編程的“與陣”和乘積項的固定“或”結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)邏輯功能。表9-5為Altera公司的CPLD器件的結(jié)構(gòu)、用戶I/O引腳和可用門數(shù)。表9-6為MAX7000S(具有在線配置功能的子系列產(chǎn)品)子系列產(chǎn)品的主要參數(shù)。

當(dāng)前第124頁\共有141頁\編于星期二\12點

CPLD產(chǎn)品簡介表9-5

AlteraCPLD器件的結(jié)構(gòu)、用戶I/O引腳和可用門數(shù)器件系列邏輯單元結(jié)構(gòu)連線結(jié)構(gòu)工藝用戶I/O可用門數(shù)FLEX10K查找表連續(xù)SRAM135~57010K~250KFLEX8000查找表連續(xù)SRAM78~2082.5K~16KFLEX6000查找表連續(xù)SRAM81~21816K~24KMAX9000乘積項連續(xù)EEPROM159~2166K~12KMAX7000乘積項連續(xù)EEPROM36~356600~20KMAX5000乘積項連續(xù)EPROM28~100600~3750Classic乘積項連續(xù)EPROM22~68300~900當(dāng)前第125頁\共有141頁\編于星期二\12點

CPLD產(chǎn)品簡介表3-6

MAX7000S子系列產(chǎn)品的主要參數(shù)

器件宏單元封裝型式I/O引腳數(shù)電源電壓速度等級EPM7032S3244-PLCC/TQFP365.0V-6,-7,-10EPM7064S6444-PLCC/TQFP,84-PLCC,100-TQFP3668,685.0V-5,-6,-7,-10EPM7128S12884-PLCC,100-PQFP100-TQFP,160-PQFP68,8484,1005.0V-6,-7,-10,-15EPM7160S16084-PLCC,100-TQFP160-PQFP68,841005.0V-7,-10,-15EPM7192S192160-PQFP1245.0V-7,-10,-15EPM7256S256208-RQFP/PQFP1645.0V-7,-10,-15當(dāng)前第126頁\共有141頁\編于星期二\12點

CPLD產(chǎn)品簡介

Altera公司的CPLD器件能夠達(dá)到最高的性能和集成度,不僅僅是因為它采用了先進(jìn)的工藝和全新的邏輯結(jié)構(gòu),還在于它提供了現(xiàn)代化的設(shè)計工具。MAX+PLUSⅡ可編程邏輯開發(fā)軟件提供了一種與平臺和結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境,它使AlteraCPLD系列

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