1 引 言
電力電子器件經歷了工頻、低頻、中頻到高頻的發展歷程，與此相對應，電力電子電路的控制也從初以相位控制為目的的由分立元件組成的控制電路發展到集成控制器，再到如今的旨在實現高頻開關的計算機控制，并向著更高頻率、更低損耗和全數字化的方向發展。模擬控制電路存在控制精度低、動態響應慢、參數整定不方便、溫度漂移嚴重、容易老化等缺點。專用模擬集成控制芯片的出現大大簡化了電力電子電路的控制線路，提高了控制信號的開關頻率，只需外接若干阻容元件即可直接構成具有校正環節的模擬調節器，提高了電路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模擬控制電路的固有缺陷，如元件參數的精度和一致性、元件老化等問題仍然存在。此外，模擬集成控制芯片還存在功耗較大、集成度低、控制不夠靈活、通用性不強等問題。
用數字化方法代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規模擬調節器難以克服的缺點，有利于參數整定和變參數調節，便于通過程序軟件的改變方便地調整控制方案和實現多種新型控制策略，同時可減少元器件的數目、簡化硬件結構，從而提高系統的可靠性。此外，還可以實現運行數據的自動儲存和故障自動診斷，有助于實現電力電子裝置運行的智能化。
2 電力電子電路的單片機控制
單片機是一種在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定時器/計數器和I/O接口等單元的微控制芯片，具有速度快、功能強、效率高、體積小、性能可靠、抗干擾能力強等優點，在各種控制系統中應用廣泛。單片機的CPU經歷了由4、8、16、32直至64位的發展過程，主要以美國INTEL公司生產的MCS-51（8位）和MCS-96（16位）兩大系列為代表。
在電力電子電路中, 單片機主要用作數據采集和運算處理、電壓電流調節、PWM信號生成、系統狀態監控和故障自我診斷等，一般作為整個電路的主控芯片運行，完成多種綜合功能。文獻[1]利用80C196KC型單片機實現了一種對DC/DC變換器的新型控制方法——雙調制高頻PWM控制，解決了數字化PWM中高頻與精度之間的矛盾。文獻[2]介紹了一種采用80C196MC 16位單片機為主構成控制電路的并網逆變器，如圖1所示。其中單片機配合D/A轉換器和MOSFET功率模塊實現SPWM正弦脈寬調制、電流同步跟蹤、并網逆變/獨立逆變的切換控制等功能。逆變器并網運行時，要求輸出電流與電網電壓同頻同相。由電網電壓產生一個過零脈沖信號，加到單片機80C196MC的EPA捕捉中斷輸入口P2.1上，完成以此為基準時間點的正弦波數據的依次輸出。一個周期的單位正弦波數據采用表格的形式存放于EPROM中，然后由單片機按定時時間依次送到雙路8位D/A中的一路，由D/A將這些數據轉換成模擬信號，即單位幅值的標準正弦波。逆變器獨立供電時，主要進行輸出電壓控制，單片機內含的三相波形發生器（WG）可提供三對PWM信號，它們具有相同的周期和死區時間，占空比則可以通過編程隨意設定。另外，電路中的單片機還具有對過流、過熱、欠壓等情況的中斷保護以及監控功能。

圖1 并網逆變器中路原理框圖
單片機控制克服了模擬電路的固有缺陷，通過數字化的控制方法，得到高精度和高穩定度的控制特性，并可實現靈活多樣的控制功能。但是，單片機的工作頻率與控制精度是一對矛盾，而且處理速度也很難滿足高頻電路的要求，這就使人們不得不轉而尋求功能更強的芯片的幫助，于是，DSP應運而生。
2 電力電子電路的DSP控制
數字信號處理器 (DSP)是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器，其內部集成了波特率發生器和FIFO緩沖器，提供高速同步串口和標準異步串口，有的片內還集成了采樣/保持和A/D轉換電路，并提供PWM信號輸出。與單片機相比，DSP具有更快的CPU、更高的集成度和更大容量的存儲器。DSP屬于精簡指令系統計算機（RISC），大多數指令都能在一個周期內完成，并可通過并行處理技術，在一個指令周期內完成多條指令。同時，DSP采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存儲程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增加了多級流水線，使其具有高速的數據運算能力。而單片機為復雜指令系統計算機（CISC），多數指令要2~3個指令周期才能完成。單片機采用諾依曼結構，程序和數據在同一空間存儲，同一時刻只能單獨訪問指令或數據。單片機的ALU只能做加法，而乘法則需要由軟件來實現，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機相比，DSP執行單指令的時間快8~10倍，一次乘法運算時間快16~30倍[3]。
在電力電子裝置中，DSP主要完成主電路控制、系統實時監控及保護、系統通信等功能。應用的具體電路包括UPS逆變控制電路、交流電機調速電路、功率因數校正電路和諧波抑制電路等。文獻[4]研制了一種1~2 kVA小型單相在線式UPS，采用以TMS320F240（包含專用PWM產生電路、兩路10位A/D采樣通道、28個復用I/O口）為核心的數字化控制電路，完成系統級控制和逆變器（開關頻率為20kHZ）控制電力電子電路的數字化控制技術
作者：中國電源網/趙異波 何湘寧2006-01-10 點擊:595。仿真和實驗表明，電路輸出穩定、動靜態特性良好。DSP在系統中還承擔數字鎖相、檢測、顯示控制以及與上位機的通信功能。文獻[5]介紹了利用TMS320F240型DSP控制電機運行的實現方法。F240具有20MIPS的高速處理能力和面向電機控制的專用外圍設備，能實時產生空間向量對稱PWM波形，實現包括電流環在內的全數字調制。文獻[6]介紹了采用由DSP和微處理器構成雙PWM控制的變流器的工作原理和硬件構成，電路具有結構簡單、控制靈活、實時性好、功率因數高等特點，對諧波具有非常好的抑制效果。文獻[7]用DSP芯片TMS320F240實現了輸出功率為2kW的單相PFC電路的數字控制。圖2為控制系統原理圖，開關頻率為33kHZ。實驗測得功率因數0.994，效率95%。
雖然DSP有著許多優點，但是它也存在一些局限性，如采樣頻率的選擇、PWM信號頻率及其精度、采樣延時、運算時間及精度等。這些因素會或多或少地影響電路的控制性能。
3  FPGA在電力電子電路中的應用
現場可編程門陣列（FPGA）屬于可重構器件，其內部邏輯功能可以根據需要任意設定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優點。其結構主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程內部連線。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬個等效門，所以一片FPGA就可以實現非常復雜的邏輯、替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語言(VHDL)來對系統進行設計，采用三個層次（行為描述、RTL描述、門級描述）的硬件描述和自上至下(從系統功能描述開始)的設計風格，能對三個層次的描述進行混合仿真，從而可以方便地進行數字電路設計，在可靠性、體積、成本上具有相當優勢。比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復雜程度高的場合使用；而當系統取樣速率高（MHz級）、數據率高（20 MB/S以上）、條件操作少、任務比較固定時，FPGA更有優勢[8]。FPGA 已應用于逆變器控制系統[9]、直流電機調速[10]、PWM控制[11]等。

圖2 控制系統原理圖
4  電力電子電路控制技術發展趨勢
單片機、DSP、FPGA等在電力電子電路的控制系統中得到了廣泛的應用，雖然它們較之模擬控制電路有許多共同的優良特性，但是它們也各有其獨到之處。隨著電力電子電路的日趨高頻化和復雜化，上述芯片的單一采用往往難以達到期望的控制效果，因此，各種控制芯片的混合使用將成為控制電路的一個重要發展趨勢。① 單片機+DSP結構。比如，在UPS中，DC/DC、AC/DC的控制可以采用單片機，而DC/AC的控制則采用運算速度和頻率更高的DSP芯片。② DSP+FPGA結構。DSP具有軟件的靈活性，而FPGA具有硬件的高速性，能夠處理復雜算法。因此，本結構有助于在設計中協調軟、硬件之間的關系，且對不同算法都有較強的適應能力。③ 嵌入DSP模塊的FPGA。將具有基本數字信號處理功能的DSP模塊嵌入到FPGA中，這樣FPGA提供的DSP性能可以達到每秒1280億MAC，將大大高于目前主流DSP的性能[8]。
參考文獻：
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