1前言

面對巨大的市場前景和良好的節(jié)能效益，實現(xiàn)電力電子產品快速開發(fā)、降低成本、增加可靠性和實現(xiàn)大規(guī)模自動化生產具有重要的現(xiàn)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(yè)，這種行業(yè)特點嚴重阻礙了上述目標的實現(xiàn)。許多學者預測:實現(xiàn)該目標的唯一出路就是走電力電子系統(tǒng)集成、標準化和模塊化的道路。電力電子系統(tǒng)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(tǒng)中心(CPES，CenterforPowerEleCtroniCSsystem)，.致力于系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)階段系統(tǒng)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(tǒng)集成的電路拓撲優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)的控制集成，盡管現(xiàn)在數(shù)字控制技術已經(jīng)在大功率應用系統(tǒng)或復雜電力電子裝置中被廣泛采用，但針對電力電子系統(tǒng)的控制集成研究并不多見，特別針對數(shù)字控制集成研究更是寥寥無幾，然而數(shù)字控制具有可靠性高、運算能力強和通用性好等眾多優(yōu)點，己經(jīng)在中、大功率應用場合中顯露出模擬控制器無可比擬的優(yōu)越性，同時，在中小功率應用場合，數(shù)字電源也是未來電源發(fā)展的一個重要趨勢。因而研究電力電子數(shù)字控制集成具有重要的現(xiàn)實意義，電力電子數(shù)字控制平臺正是在系統(tǒng)集成的大環(huán)境和背景下提出的，它不僅是前一階段系統(tǒng)集成的延續(xù)和完善，也是下階段系統(tǒng)集成所需研究的基礎內容。

2數(shù)字控制器基本類型及其控制芯片

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

(2)并行執(zhí)行控制方式;(3)混合方式。

由于DSP體系結構的優(yōu)點，目前大多數(shù)基于順序控制的電力電子數(shù)字控制器采用以DSP為核心進行設計?；诓⑿袌?zhí)行控制器具有實時性好的優(yōu)點，因而特別適合處理快過程控制系統(tǒng)，在高頻DC心C數(shù)字控制領域，這類控制器已經(jīng)成為研究的熱點和重點。而混合方式則結合前兩者的優(yōu)點。

鑒于DSP的優(yōu)點，許多研究者紛紛采用DSP控制器來開發(fā)相應的電力電子應用系統(tǒng)。其中最為典型的TI公司提供的ezDSP開發(fā)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(yōu)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(xiàn)，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?；诖嗽?，利用FPGA實現(xiàn)PFC的控制，采用數(shù)字電荷控制的方法實現(xiàn)電流環(huán)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(tǒng)設計現(xiàn)狀

隨著數(shù)字控制在電力電子應用系統(tǒng)中的廣泛應用，一些數(shù)字控制芯片廠商為了加速用戶開發(fā)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(fā)公司如dSPACE，RTLAB等與Matlab公司合作開發(fā)出基于圖形化的控制軟件實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)字控制應用的初期，為了提高代碼效率，節(jié)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(xiàn)。

隨著數(shù)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)是系統(tǒng)軟件和硬件的橋梁，應用程序只需通過操作系統(tǒng)來控制硬件設備，與硬件系統(tǒng)不發(fā)生直接關系。軟件開發(fā)人員可以在實時操作系統(tǒng)的基礎上集中精力進行核心控制軟件的開發(fā)，減少軟件開發(fā)時間，從而提高系統(tǒng)開發(fā)效率。

                                                                    圖3基于uCOS控制軟件層次結構

4電力電子數(shù)字控制平臺的結構

4.1DSP最小系統(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)的一些缺點，許多學者和公司都致力于開發(fā)出計算功能強大和擴展性好的數(shù)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(tǒng)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(shù)控平臺

4.3通信能力

作為電力電子數(shù)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(shù)字控制器交換信息的能力。而采用通信技術是電力電子數(shù)字控制平臺實現(xiàn)信息交換的基本方式?；诂F(xiàn)場總線技術的實時分布式控制系統(tǒng)己經(jīng)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(xiàn)場總線技術，將方便與其它工業(yè)數(shù)字控制器之間通信連接，常用的現(xiàn)場總線有:基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundationFieldbuS)、LonWOrk、PROFIBUS、CAN(ControlAreaNetwork)等。

在選擇現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)場總線參數(shù)

5軟件設計

電力電子軟件發(fā)展水平處在相當于計算機領域中的初級開發(fā)階段。軟件復用技術將有助于提高軟件的開發(fā)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(shù)控電力電子應用系統(tǒng)設計是圍繞一系列技術指標而展開的，這些指標包括系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)特性和輸入輸出關系等，而相應的應用系統(tǒng)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(jīng)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(shù)據(jù)傳輸和交換的公共節(jié)點，負責對每一軟件模塊的輸入和輸出數(shù)據(jù)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(jù)具體應用對象，從庫中選取相應的軟件模塊;

2、根據(jù)仿真或計算，確定每一軟件模塊的定標值;

3、控制系統(tǒng)硬件初始化;

4、軟件模塊參數(shù)初始化;

5、軟件模塊的連接，即模塊之間數(shù)據(jù)的交換和傳遞;

6總結

電力電子系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)的集成及其完善需進一步加強，電力電子數(shù)字控制平臺的研究正是在系統(tǒng)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(shù)字控制系統(tǒng)設計狀況，縮短電力電子控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，使它更符合電力電子系統(tǒng)集成發(fā)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(lián)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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