（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）載波相移spwm級(jí)聯(lián)型多電平變流器數(shù)字化控制技術(shù)研究.pdf

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h ed i 百t a lc 0 n 缸dt e c h i l i q u er e s e a r c ho fc a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r 自e r b a s e do nc 塒i e rp h a s e s l l i 肚ds p w m a b s t r a c t 瑚t 1 1h i 曲p o w e re l e c 們1 1 i ce q u i p m e n ti i l c r e 勰i n g 】ya p p l i e d ，d e e p l ys t l l d i e di sb e i n gd o n em t i l i sf 主e l d m 也e s ep o w e re q u i p m e n t s ，t h e r ei sas h a r pp r o b l e m ，w h i c hi st h ei n + c r e a s eo ft h ep o w e r l e v e la n dt h ei i n p r o v e m t0 ft 1 1 e s w i t c h i l l g 印p a r a t i l s 船q u c y c p s - s p w mt e c h n i q u ei sm e n o v e lt e c h n i q u et os o l v e 也i sp r o b l e m h lm i sp a p e r s o m er e s e a r c hh a sb 啪d o n et 0m ed i g i 詛1c o n 廿0 lc a s c a d e d 刪l 出e v e lc o n v 酬c e r b a s e d0 nc p s s p w mt e c h i l i q u e b y 唧l 砸n g 幻i n 舡0 d u c el i l i c r o c 0 i n r o l l e rt om ec o n 曲ls y s 咖 o fp o w e re l e c n d i l i c s ，t | i ed i 礱t a lc o n 臼lo fp o w e rc o n v e r c e ri s b e i n gi m p r o v e d b e s i d e s ，吐i e w o r k i n gm o d e lh a sb e e nc a n a l i z e dd e t a i l e d l yt t l ep m b a b i l i t yo fi n t e g r a d n gc a s c a d e dh - b r i d g e t o p 0 1 0 9 ya i l dc p s s p w mt e c h n i q u ew h i c hi sc o n 廿o l l e db yd i g i t a ls y s t e mb a sb e i n l p m v e db ya t h r e e 一1 e v e l a 1 1 df i v e l e v e lo u q m t b ym es p e c t r u ma i l a l y z i n g ，血er e s u ni sd r e w ：m ec p s s 洲 t e c h n i q u ec o u n t e r a c tt h e1 0 ws w i t c 蛐n gh 鋤o i l i c st oi n c r e a s et l ee q u a ls w i t c l l i n gh 煳o n i cw h i l e s w i f tm eh 砌o i l i c st ot 1 1 eh i 曲f e q u e n c yz o n es i i n p l y t h es a i n p gw a ye 任& tt l l ec o n 乜即t so f s w i t c h i i l gh a r m o l l i c s1 a r g e l y h lm a yp a p e r ，aa s m l i n e 仃ys 卸叩l i i l gw a yb a sb e a p p l i c a l j o ni na f i v e l e v e lc o n v e n e r b yt l l i sw a y ii tn e e d sd o u b l ed a 詛b u td i i n j m s bn l em o s ti r r e g u l a rs w i t c h i n g h 糊0 n i c si nt h e1 0 w 抒e q u c yz o n e h it l l i sp a p o n ep h a s ef i v e 一1 e v e l 、s e v e n 1 e v e l 、n i n e 一1 e v e lp o w e r i i l a g n i f yh a sb e e nr e a l i z e d t h r o u 曲c p s s p w mt e c h n i q u eb a s e d0 nd s p + c p l dh a r d w a r ep l a 怕m 1 1 l et h d ( t o t a lh a n n o n i c d i s t o n i o n ) 、m en 仙s l l l i s s i o nb o n d 、t i l ec o m p e t i 缸o(hù) nt 0r e a h z ea n dt i l e a p p l i c a 吐o no f “e r y m u l t i l e v e lo u t p u ti sa 1 1 a l y z e d ad i g i t a lp ic o n 廿_ o lc l o s e d1 0 0 ps y s o e mo ff i v e l e v e lc o n v e n e rh a s b e a p p l i e dt oas a p fs y s t e ma i l dm eo 髖e tc u r r ti si d e a l t h et h i 優(yōu)1 e v e ld e a d t i m ee 丘亂ti s a n a l y z e dd e t a i l e d l ya n dt l l 】的u g hm ed e a d 一垃m eo 熱乩m(xù) en e ts i d ec u 嗍l to ft h r e e 一1 e v e la p f c o n v e n e ri m p r o v e df u m le r b yaa s y i l c i l m l l i s m 位l i l s 嘶s s i o nw a y 舶md s p t oc p l d ，a l l - p h a s ef i v e - l e v e lp u l s eh a v e b e e ng e n e r a t e d i tr e d u c e sp o s s i b i l i t yo f 血ew m n gp u l s ea i l di n v e r s em e r e l i a b i l i t y0 fm ew h o l e s y s t e i n o m e r w i s e ，s e v e r a ld e a d t i m eg e n e r a t i o nw a y i nd i g i 詛ls y 咖ni sd i s c u s s e d 、a 1 1 a l y z e da n d c o n 仃a s t 甜w h a t sm o r e ，t l l e 螄a r c ho fs e r i a lc o m m u i l i c a t i o nf 砸d s pa i l dc p u dh 髂b e e nd o n e b yt 1 1 es c ip o r t so fu 恐4 0 7d sp m 血es i xm e t e re x p e r i m c n t ，廿1 el n i s 廿a n s 血s s i o nc o d ed u 西 r e d u c et oz e m p r 0 v i d e san e wi d e at or e d u c et i ee m i 舶m p o w e rc 硫u i tt om ei i l i c r o c o n 咖l l 既 k e yw o r d s ：d s p ；c p l d ；c a s c a d e dhm d g e ：c p s s p w mt e c h n i q u e ；m u e v e lc o n v e r t e r ； d e a d t i m ee 矗j e c t ： 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 致謝 本文是在導(dǎo)師張仲超教授的悉心指導(dǎo)下完成的。在研究生的兩年多時(shí)間里，導(dǎo)師給予 我親切的關(guān)懷與悉心的指導(dǎo)。導(dǎo)師淵博深厚的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)求是的治學(xué)態(tài)度，虛懷若谷的博 大胸襟，平易近人的學(xué)者之風(fēng)使我耳濡目染，如沐春風(fēng)。在自己的成長(zhǎng)過(guò)程中，深深感受 到導(dǎo)師的人格魅力，使我受益終身。在研究過(guò)程中，導(dǎo)師和我一起從理論分析到電路設(shè)計(jì)， 給我極大的幫助。近3 年來(lái)的成長(zhǎng)，浸透著導(dǎo)師的大量心血。值此論文完成之際，向?qū)?表示深深的敬意與感謝! 感謝父母對(duì)我的養(yǎng)育之恩，親人的關(guān)懷永遠(yuǎn)是我前進(jìn)的動(dòng)力，在此以論文的完成感謝 家人二十多年來(lái)對(duì)我的栽培。 本文也是在實(shí)驗(yàn)室?guī)熜值艿拇罅椭峦瓿傻摹Ｔ趯?shí)驗(yàn)室生活中，我們結(jié)下了深厚的 友誼。感謝實(shí)驗(yàn)室的王立喬博士后、胡長(zhǎng)生博士、林平博士、感謝李玉玲、劉晨陽(yáng)、鮑建 字、韋鯤、曾雨竹、熊宇、滕妨華、樓珍麗、陳丹江、陸濤濤、任軍軍、韓玨、楊欣、王 傳兵、李彩霞、孟光毅、王劍、李欣等同門師兄弟妹在學(xué)習(xí)與生活中給予我的關(guān)心與幫助， 感謝李明鋒與葉劍利師兄指導(dǎo)我關(guān)于c p l d 方面的知識(shí)，特別感謝同課題組的李建林與劉兆 粲師兄，我們?cè)谝黄饛膁 s p 及c p l d 編程以及三相變流器、級(jí)聯(lián)多電平變流器進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間 的探討，彼此互相啟發(fā)，互相促進(jìn)，受益非淺。 感謝本文的評(píng)閱和答辯委員會(huì)各位老師在百忙中對(duì)本文進(jìn)行審閱、指點(diǎn)。 最后，再次感謝所有在我成長(zhǎng)過(guò)程中關(guān)心、幫助我的人。 李淳 2 0 0 6 年3 月于求是園 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 大功率變流器的發(fā)展 第一章緒論 1 1 1 大功率變流器的拓?fù)浒l(fā)展 隨著電力電子裝置容量的增大，如大容量電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交直流輸電系統(tǒng)等，對(duì)大功率電 力電子裝置有了新的需求。而功率器件和各種新控制方法的發(fā)展，推動(dòng)了大功率電力電子 裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取得了很大的進(jìn)展。早期將器件串、并聯(lián)使用，但由于各器件本身的特性 不可能完全相同，導(dǎo)致各器件的電壓、電流不均衡，甚至造成器件損壞。隨后產(chǎn)生了多重 化變流器結(jié)構(gòu)。多重化變流器結(jié)構(gòu)將多個(gè)交流器單元通過(guò)變壓器在交流側(cè)進(jìn)行串、并聯(lián)， 從而在輸出得到多電平。但變壓器的體積、價(jià)格和效率阻礙多重化變流器的功率等級(jí)提升。 級(jí)聯(lián)型多電平變流器應(yīng)運(yùn)而生，成為目前多電平研究熱點(diǎn)。本節(jié)按大功率電壓型變流器拓 撲構(gòu)成方式分的三種基本類型：多重化結(jié)構(gòu)變流器、箝位型多電平電流器和級(jí)聯(lián)型多電平 變流器分別討論各自的優(yōu)劣。 1 - 1 _ 1 - 1 多重化結(jié)構(gòu)多電平變流器 ( a ) 無(wú)中線回路的并聯(lián)型變流器( b ) 串聯(lián)型變流器 圖卜1電壓型組合變流器拓?fù)?在電壓型變換電路中，輸出的交流電壓為矩形波”】。為了減小諧波，常常把幾個(gè)矩形 波輸出組合成近似正弦波的波形。對(duì)于l ，個(gè)三相交流電路，將其輸出波形的相位各錯(cuò)開(kāi) 兀( 3 l ，) 運(yùn)行，連同抵消它們之間相位差的移相變壓器，可以構(gòu)成脈波數(shù)為6 l 。的變流器系 統(tǒng)。輸出波形中包含6 k l ，1 ( k 為整數(shù)) 次的諧波含量。根據(jù)變壓器輸出側(cè)繞組的連接 方式可分為串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)和并聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)如圖卜1 ，電壓型變流器的并聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)會(huì) 產(chǎn)生電壓差，進(jìn)而產(chǎn)生電流環(huán)流，要特別考慮均流問(wèn)題。多重化系統(tǒng)具有提供大功率輸出、 運(yùn)行效率高、可改善單臺(tái)裝置輸出諧波等優(yōu)點(diǎn)，也存在以下不足“1 ： ( 1 ) 需要通過(guò)調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、控制不靈活； ( 2 ) 為了減小諧波，各裝置輸出需錯(cuò)開(kāi)一定相位，影響輸出的基波疊加造成基波損失； 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 ( 3 ) 為了達(dá)到消除次諧波的目的，必須使用特殊設(shè)計(jì)的移相變壓器。 1 1 1 2 箝位型多電平變流器 圖卜2 五電平二極管箝位型變流器圖l 一3 五電平電容箝位型變流器 箝位型變流器可分為二極管箝位型變流器如圖卜2 和電容箝位型變流器如圖l 一3 ： 一個(gè)m 電平的二極管筘位型變流器直流側(cè)由( m 1 ) 個(gè)電容串聯(lián)產(chǎn)生m 電平的相電壓，每 個(gè)電容上的電壓為l m 電源電壓。通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的不同組合使輸出電壓產(chǎn)生不同的電平8 ，。 二極管箝位型變流器同時(shí)具有多重化和脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，器件開(kāi)關(guān)頻率低， 等效開(kāi)關(guān)頻率高，交流側(cè)不需要變壓器連接，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，傳輸帶寬較寬等。這種變流器 的不足之處在于”1 ： ( 1 ) 箝位二極管的耐壓要求較高，數(shù)量龐大。對(duì)于m 電平變流器，每相所需的二極管 數(shù)量為( m 一1 ) ( m 一2 ) ，大大提高了裝置成本，而且在線路安裝方面也造成相當(dāng)?shù)睦щy，因 此在實(shí)際應(yīng)用中一般限于7 電平或9 電平以下變流器； ( 2 ) 開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致。導(dǎo)通負(fù)荷不平衡導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的電流等級(jí)不同。在 電路中，如果按導(dǎo)通負(fù)荷最嚴(yán)重的情況設(shè)計(jì)器件的電流等級(jí)，則每相有2 ( 一2 ) 個(gè)外層器 件的電流等級(jí)過(guò)大，造成浪費(fèi)； ( 3 ) 在變流器進(jìn)行有功功率傳送的時(shí)候，直流側(cè)各電容的充放電時(shí)間各不相同，造成 電容電壓不平衡，增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制難度。 電容箝位型多電平變流器的電平定義與二極管箝位型相同。假定每個(gè)電容的電壓等級(jí) 與開(kāi)關(guān)器件相同，那么一個(gè)m 電平變流器在直流側(cè)需要( m 一1 ) 個(gè)電容h 1 。該種拓?fù)渥兞髌鞯?電平合成的自由度和靈活性高于二極管多電平變流器。優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)方式靈活、對(duì)功率器件 保護(hù)能力較強(qiáng)；既能控制有功功率，又能控制無(wú)功功率，適于高壓直流輸電系統(tǒng)等。該電 路拓?fù)渲饕秉c(diǎn)是吲： 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 ( 1 ) 需要大量的存儲(chǔ)電容。如果所有電容器的電壓等級(jí)都與主功率器件的相同，那么 一個(gè)m 電平的電容箝位型多電平變流器每相橋臂需要( m 一1 ) ( m 一2 ) 2 個(gè)輔助電容，直流側(cè) 上還需要( 一1 ) 個(gè)電容； ( 2 ) 為了使電容的充放電保持平衡，對(duì)于中間值電平需要采用不同的開(kāi)關(guān)組合。增加 了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性和器件的開(kāi)關(guān)頻率并導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增大； ( 3 ) 電容箝位型交流器也存在導(dǎo)通負(fù)荷不一致的問(wèn)題。 1 1 1 3 級(jí)聯(lián)型多電平變流器 韶：萑蔭翻 蠲z t 噩目目 增手z 1赳逍篇 圖卜4 單相級(jí)聯(lián)型多電平( 1 ) y 型連接圖( 2 ) 型連接圖 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖卜5 三相級(jí)聯(lián)型多電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 級(jí)聯(lián)型多電平變流器，采用若干個(gè)低壓變流單元直接級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出【7 】。 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的電壓源型變頻器由美國(guó)羅賓康公司發(fā)明并申請(qǐng)專利，取名為完美無(wú)諧 波變頻器。圖卜4 所示是帶有獨(dú)立直流源的單相級(jí)聯(lián)型多電平變流器。由三個(gè)單相級(jí)聯(lián)變 流器，通過(guò)y 型或型連接，可構(gòu)成三相級(jí)聯(lián)變流器，如圖卜5 所示。級(jí)聯(lián)型拓?fù)涿總€(gè)獨(dú) 立直流源與一個(gè)變流器單元相連，每個(gè)變流器單元可以產(chǎn)生一個(gè)三電平輸出電壓，這樣避 免了大量箝位二極管或電容的使用；交流側(cè)的端電壓通過(guò)級(jí)聯(lián)方式疊加，形成多電平輸出 電壓。由m 個(gè)變流器單元級(jí)聯(lián)而成的多電平變流器的電平數(shù)為( 2 m + 1 ) 。級(jí)聯(lián)型多電平變流 器有以下特點(diǎn)m ： 剖 ( 1 ) 級(jí)聯(lián)型多電平變流器獲得同樣電平數(shù)輸出時(shí)， 使用的元器件最少，容易實(shí)現(xiàn)電平數(shù)較高的輸 出； ( 2 ) 每個(gè)變流器單元的結(jié)構(gòu)相同，容易進(jìn)行模塊化 設(shè)計(jì)和封裝： 圖卜6 改進(jìn)級(jí)聯(lián)型多電平變流器 ( 3 ) 因?yàn)楦髯兞髌鲉卧g相對(duì)獨(dú)立，所以可以較 容易地引入軟開(kāi)關(guān)控制； ( 4 ) 直流側(cè)的均壓比較容易實(shí)現(xiàn)； 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 ( 5 ) 各變流器單元的工作負(fù)荷一致，對(duì)于三相系統(tǒng)易于分相控制；但對(duì)于有功功率變 換場(chǎng)合，需要獨(dú)立直流源，從而使其應(yīng)用在某些領(lǐng)域受到限制。 若將各獨(dú)立電壓源的電壓值分別取為e 、2 e 、4 e 2 e ，則其輸出的電平數(shù)就大幅 度地增加到2一l ，即所謂改進(jìn)的級(jí)聯(lián)型多電平變流器嘲( m o d i f i e dc a s c a d em u l t 訂e v e l c o n v e r t e r ) 。圖卜6 為采用改進(jìn)的兩個(gè)單元的級(jí)聯(lián)型多電平結(jié)構(gòu)的g t 0 和i g b t 混合型逆變 電路，其中v 。，= 2 v 。= 2 e 。該電路的輸出電壓為7 電平。工作時(shí)g t 0 單元承受高壓，i g b t 單元承受低壓。將波形合成策略與p w m 策略相結(jié)合，可以得到一種非常適合于上述電路的 控制策略：較高電壓的g t o 單元以輸出電壓的基波頻率為切換頻率，而較低電壓的i g b t 單 元?jiǎng)t在較高的頻率下進(jìn)行p w m 控制，以此來(lái)改善輸出波形“”“”。如果令圖卜6 中的 v 。= 3 v 。，= 3 e ，則在輸出側(cè)可得到9 電平的輸出電壓。推廣到m 個(gè)單元的級(jí)聯(lián)多電平變流器， 各獨(dú)立直流源的電壓值分別為e 、3 e 、9 e 3 “e ，則輸出電平的電平數(shù)可以達(dá)到3 ”。文 獻(xiàn) 1 0 】中對(duì)相臨兩單元間獨(dú)立直流源的電壓值的e b 做出了分析，結(jié)論是這個(gè)電壓比的最大值 就是3 ，即v 。= 3 v 。，超越這個(gè)電壓比，將出現(xiàn)電平飛躍2 個(gè)臺(tái)階以上的情形，沒(méi)有實(shí)際的 意義?；旌闲图?jí)聯(lián)多電平變流器和具有自均壓能力的多電平變流器，結(jié)構(gòu)和控制趨于復(fù)雜， 有待進(jìn)一步研究。 1 1 2 多電平調(diào)制策略 伴隨著大功率拓?fù)涞陌l(fā)展，開(kāi)關(guān)的控制策略也隨之發(fā)展，至今廣泛應(yīng)用的開(kāi)關(guān)策略有以 下幾種：階梯波脈寬調(diào)制、基于載波組的p w m 技術(shù)、多電平電壓空間矢量調(diào)制、載波相移 p w m 技術(shù)等。下面結(jié)合幾種變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從變流器輸出的諧波特性、器件的開(kāi)關(guān)頻率、 動(dòng)態(tài)輸出特性及傳輸帶寬等方面分析各種調(diào)制方法的優(yōu)劣。 1 - 1 2 1 階梯波脈寬調(diào)制方法 圖1 7 七電平輸出電壓波形 階梯波脈寬調(diào)制是用階梯波來(lái)逼近正弦波n ”，如 圖卜7 所示級(jí)聯(lián)七電平輸出電壓波形。這種策略的優(yōu)點(diǎn) 是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率最低( 等于基波頻率) ，因而開(kāi) 關(guān)損耗最小，器件的主導(dǎo)損耗是通態(tài)損耗。通過(guò)調(diào)節(jié)直 流母線電壓或移相角來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，此外，還 可以通過(guò)選擇每一電平持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，來(lái)實(shí)現(xiàn)低次諧 波的消除和抑制。可將特定次諧波消除p w m 技術(shù) s h e p w m ( s el e c t e dh a r m o n i ce 1i m i n a ti o np h m ) 弓i 入 多電平變流器，利用該算法計(jì)算出開(kāi)關(guān)角度，消除選定的諧波分量?；趕 臟的階梯波脈 寬調(diào)制技術(shù)能夠直接消除系統(tǒng)中指定次數(shù)的諧波分量，效果直觀、原理清晰。隨著電平數(shù) 的增加，輸出電壓波形的諧波畸變將更小，使得逆變器輸出不接濾波裝置和變壓器而直接 接負(fù)載成為可能。 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 但這種調(diào)制方法缺點(diǎn)也很明顯“”： ( 1 )開(kāi)關(guān)角方程組是一個(gè)高階非線性超越方程組。求解這個(gè)方程組需要大量的浮點(diǎn) ( 2 ) ( 3 ) 1 1 2 2 數(shù)運(yùn)算，即使采用優(yōu)化算法( 如n e w t o r r a p h s o n 法等) 使用d s p 等高速運(yùn)算芯 片也難以達(dá)到實(shí)時(shí)控制，一般需要通過(guò)離線查表法完成控制，這顯然不能適應(yīng) 一些需要快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合，如a p f 、高動(dòng)態(tài)性能交流電機(jī)變頻調(diào)速( 如 矢量控制系統(tǒng)) 等領(lǐng)域； 消除諧波的自由度受到輸出電平數(shù)的限制。n 電平變流器能夠控制的諧波數(shù)目為 ( n 一3 ) 2 ； 由于每一級(jí)電平都采用與基波頻率相同的方波控制，因而這種調(diào)制策略下的傳 輸帶寬較窄，不適用于對(duì)信號(hào)傳輸性能要求較高的場(chǎng)合，如a p f 、功率音頻放大 器等。總的說(shuō)來(lái)，這種調(diào)制策略主要應(yīng)用在一些對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)要求不高的時(shí) 候，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器等。 基于載波組的p 刪調(diào)制技術(shù) o e 圖卜8 五電平二極管筘位型變流器 基于載波組的p w m 技術(shù)原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便而且普遍適用于各種多電平變流器，在目 前是比較常用的多電平變流器開(kāi)關(guān)調(diào)制策略”。這種控制方式特別適用于二極管箝位型多 電平變流器( 例如圖卜8 的單相五電平二極管箝位型變流器) ?；驹硎牵涸趎 電平變流 器中，n 1 個(gè)具有相同頻率和幅值的三角載波并排放置，形成載波組；以載波組的水平中線 作為參考零線，共同的調(diào)制波與其相交，得到相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。根據(jù)三角載波的相位，這 種控制方式可以有三種不同的形式”，如圖卜9 示。在該控制方式下，變流器的輸出特性良 好，器件的開(kāi)關(guān)頻率較低而等效開(kāi)關(guān)頻率較高，輸入輸出成線性關(guān)系，能夠滿足一定的帶 寬，對(duì)于奇數(shù)電平變流器，方法b 輸出不含有載波諧波；當(dāng)提高頻率調(diào)制比時(shí)候，方法c 的s p w m 輸出頻譜最干凈，至于調(diào)制波，可以采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波，也可以采用諧波注入正弦波。 該方法也存在以下不足“6 1 ：器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致，尤其在深調(diào)制的情況下，處于變流器 5 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 外圍的功率器件幾乎不導(dǎo)通，而內(nèi)部的功率器件開(kāi)關(guān)頻率較高；在頻率調(diào)制率比較低時(shí)候， 方法a 在載波諧波處諧波幅值大，邊帶較??；對(duì)于a 、b 型方案載波利用率不高。 徽徽嬲 ( a ) a 型方案( b ) b 型方案( c ) c 型方案 圖卜9三種不同形式的基于載波組的p 刪調(diào)制方法 1 1 2 3 多電平電壓空間矢量調(diào)制策略 這是常規(guī)的二電平電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)( s v m ) 在多電平變流器上的擴(kuò)展應(yīng)用“”。常規(guī) 的二電平s 、，m 技術(shù)是根據(jù)不同的開(kāi)關(guān)組合方式，生成八個(gè)電壓空間矢量，其中六個(gè)非零矢 量，兩個(gè)為零矢量；在空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，對(duì)于任意時(shí)刻的矢量由相鄰的兩個(gè)非零矢量合 成，通過(guò)在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)對(duì)兩個(gè)非零矢量和零矢量的作用時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化安排，得到p w m 輸出波形。對(duì)于多電平s v m 技術(shù)，其基本原理與二電平s v m 技術(shù)相似，只是開(kāi)關(guān)組合的方 式隨著電平數(shù)的增加而有所增加，如圖卜1 0 所示，其規(guī)律是：對(duì)于m 電平變流器，其電壓 空間矢量的數(shù)目為m 3 個(gè)，當(dāng)然這些電平中有些在空間上是重合的”。比如對(duì)于三電平變流 器，如圖l 1 1 所示，其電壓空間矢量的數(shù)目為2 7 個(gè)，其中獨(dú)立的電壓空間矢量為1 9 個(gè)， 一個(gè)零矢量，1 8 個(gè)非零矢量，在空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，對(duì)于任意時(shí)刻的矢量由相鄰的三個(gè)非零 矢量合成，在一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)制周期內(nèi)對(duì)三個(gè)非零矢量與零矢量的作用時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化安排，得 到p w m 輸出波形。 n 1 譬舭 v ：只 f 岫 l v n _ 1 o 伊 a b c 。7 對(duì)積。1 ， 。觚紛貉。 淤么。 邊r 一& 圖卜l o 三相n 電平變流器的基本結(jié)構(gòu)圖 圖卜1 1 三電平變流器的基本電壓矢量圖 多電平s 技術(shù)的著眼點(diǎn)是基本開(kāi)關(guān)矢量的數(shù)目n 9 1 ，隨著電平數(shù)的增加，基本開(kāi)關(guān)矢 量的數(shù)目也就增加，使得其組合方式更加豐富，通過(guò)基本電壓空間矢量的不同組合方式， 達(dá)到消除和抑制諧波的目的。這種調(diào)制技術(shù)的不足在于：由于電平數(shù)與電壓空間矢量的 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 數(shù)目之間是立方關(guān)系，所以在電平數(shù)較高時(shí)受到很大限制，因此目前多電平s 技術(shù)的研 究一般只限于五電平以下；多電平s 下器件的開(kāi)關(guān)負(fù)荷不均衡也是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，在 深調(diào)制區(qū)，必須采取新的調(diào)制策略，否則不能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)負(fù)荷均衡。 1 - 1 2 4 載波相移p 刪技術(shù) ( a ) n 廠j u _ 八 1 。n r r r r j 下( c ) 1 1li 蓁。軍卅山卜產(chǎn)弋；麓 n 乳i 一一 ( e ) 載波相移p w m 技術(shù)是基于組合變流器提出的開(kāi)關(guān)調(diào)制策略，在級(jí)聯(lián)型多電平變流器上 應(yīng)用也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。以載波相移s p w m 技術(shù)( c a r r i e rp h a s es h i f t e ds p w m ，簡(jiǎn)稱為c p s s p 刪) 為例，其基本思想為“”m ”：在變流器單元數(shù)為l ，的電壓型s p 帳組合裝置中，各變流器單 元采用共同的調(diào)制波信號(hào)s ，其頻率為k 。各變流器單元的三角載波頻率為k 。，將各三角 載波的相位相互錯(cuò)開(kāi)三角載波周期的1 l ，如圖卜1 2 ( a ) 所示( 變流器單元數(shù)l ；= 5 ，s p 硼 頻率調(diào)制比k 。k = 3 ，幅度調(diào)制比m = o 8 ) 。圖卜1 2 ( b ) 所示的l 個(gè)波形分別為l ，個(gè)變流 器單元的輸出，上述l ，個(gè)變流器單元交流輸出疊加形成整個(gè)組合變流器裝置的輸出波形， 如圖卜1 2 ( c ) 所示。對(duì)輸出進(jìn)行頻譜分析，變流器單元之一的輸出波形頻譜如圖卜1 2 ( d ) 所示，疊加后整個(gè)組合變流器輸出波形頻譜如圖卜1 2 ( e ) 。比較圖卜1 2 ( d ) 和圖卜1 2 ( e ) 可見(jiàn)各變流器單元輸出疊加后形成的組合變流器總輸出波形中諧波得到了有效的抑制。 ( 1 ) 相移式s 臟一p w m 技術(shù)2 3 1 ( p h a s e s h i f t e ds e l e c t e dh a m o n i ce l i m i n a t i o np 嘲) 。 這種控制方式以傳統(tǒng)的定次諧波消除法p w m 為基礎(chǔ)，在開(kāi)關(guān)角計(jì)算中加入預(yù)置相移量，將 計(jì)算得到的不同相移量的開(kāi)關(guān)角分別用于不同的變流器單元，使得疊加得到的交流側(cè)電壓、 電流達(dá)到諧波最優(yōu)。 ( 2 ) 錯(cuò)時(shí)采樣s 技術(shù)( s 鋤p l et i es t a g g e r e ds v m ，下簡(jiǎn)稱s t s s ) 。組合變流 器s t s s v m 技術(shù)的調(diào)制方法，簡(jiǎn)而言之就是將各變流器單元的采樣時(shí)間錯(cuò)開(kāi)。具體地講， 在組合變流器中，n 個(gè)變流器單元在相同頻率調(diào)制比k 、幅度調(diào)制比m t 下，進(jìn)行s 調(diào)制； 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 各變流器單元采樣時(shí)間依次相位差為2n ( 胖k ) 。s t s s v m 技術(shù)比較于載波相移s p w m 技術(shù)， 有電壓利用率高，開(kāi)關(guān)頻率小，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。 總的來(lái)說(shuō)，載波相移p w m 技術(shù)具有以下特點(diǎn)讓”：( 1 ) 各交流器單元的開(kāi)關(guān)頻率低，可采 用特大功率電力電子器件g t 0 等組成大功率變流裝置，并降低器件開(kāi)關(guān)損耗。( 2 ) 輸出諧波 小，可大大減小濾波器的體積、尺寸。( 3 ) 等效開(kāi)關(guān)頻率高，傳輸頻帶寬，傳輸線性好，容 易引入一些優(yōu)秀的控制方法，如滯環(huán)電流控制、單周控制等。( 4 ) 各變流器單元的電路結(jié)構(gòu) 完全相同，易于模塊化實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)器件的工作負(fù)荷均衡一致，特別適合于圖卜4 所示的級(jí) 聯(lián)h 橋單元化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與基于s 髓的階梯波脈寬調(diào)制技術(shù)相比，載波相移p 刪技術(shù)消除 和抑制諧波的能力不受輸出電平數(shù)的限制，能夠方便的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，可以應(yīng)用在對(duì)系統(tǒng) 有快速反應(yīng)要求的場(chǎng)合中。s t s s v m 技術(shù)是對(duì)各橋臂分別進(jìn)行調(diào)制，并不直接控制總的輸出 的電壓矢量，在對(duì)應(yīng)于同一電壓矢量的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇上完全是自動(dòng)的。而在多電平 s 中這種選擇是非常復(fù)雜的。載波相移p w m 技術(shù)在調(diào)制過(guò)程中，只需保證各開(kāi)關(guān)器件調(diào)制 信號(hào)本身的對(duì)稱性和均衡性，就能保證總的開(kāi)關(guān)負(fù)荷的均衡性和總輸出波形的對(duì)稱性。因 而，與多電平s 技術(shù)和基于載波組的p w m 技術(shù)相比，載波相移p 刪具有開(kāi)關(guān)負(fù)荷均衡、 相同等效開(kāi)關(guān)頻率時(shí)輸出低次諧波成分少等優(yōu)點(diǎn)。 小結(jié) 由上面分析可見(jiàn)，在多電平眾多電路拓?fù)渲校?jí)聯(lián)h 橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直流側(cè)容易均 流，適合載波相移s p w m 、s v m 等多種優(yōu)秀的調(diào)制方法和單周控制，無(wú)差拍控制等先進(jìn)的控 制方法，因而，在實(shí)際工程中有很大的應(yīng)用前景。本文實(shí)現(xiàn)多電平變流器的主電路拓?fù)湔?是選擇的級(jí)聯(lián)h 橋結(jié)構(gòu)。 通過(guò)比較級(jí)聯(lián)型多電平變流器的各種開(kāi)關(guān)調(diào)制方法，可以得到基于載波相移s p w m 的 調(diào)制策略有幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 控制算法簡(jiǎn)單，適用于快速實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合； ( 2 ) 由于采用各橋臂分別調(diào)制，因而對(duì)變流器總體輸出電壓矢量的安排是自動(dòng)完成的， 只要保證各橋臂觸發(fā)波形自身的對(duì)稱性和均衡性，就可以保證變流器整體的開(kāi)關(guān) 負(fù)荷的均衡，容易實(shí)現(xiàn)均壓控制； ( 3 ) 單個(gè)開(kāi)關(guān)頻率低，開(kāi)關(guān)損耗、e m i 小，適用于大功率慢速器件( 如g t o 等) ； ( 4 ) 易于應(yīng)用優(yōu)秀的控制策略，如：滯環(huán)電流控制哺，單周控制等】。 本文工作正是基于載波相移s p w m 調(diào)制策略結(jié)合級(jí)聯(lián)h 橋拓?fù)溥M(jìn)行的。 1 2 數(shù)字控制器件在電力電子中的應(yīng)用 電力電子的發(fā)展離不開(kāi)控制學(xué)，控制學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)控制器件。從模擬控制系統(tǒng)到數(shù) 字控制系統(tǒng)是控制學(xué)發(fā)展的一大飛躍。數(shù)字控制系統(tǒng)在抗干擾，控制的精確度，實(shí)時(shí)性， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 實(shí)現(xiàn)算法的復(fù)雜程度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬系統(tǒng)。本文旨在對(duì)將最新的數(shù)字控制器件構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng) 用于電力電子裝置做初步探索。 1 2 1 微處理芯片的發(fā)展 微控制系統(tǒng)的發(fā)展可以分為四個(gè)階段例： 第一階段：?jiǎn)涡酒C(jī)形成階段 1 9 7 6 年，i n t e l 公司推出了m c s4 8 系列單片機(jī)。8 位c p u 、1 k 字節(jié)r 叫、6 4 字節(jié)r a m 、 2 7 根i o 線和1 個(gè)8 位定時(shí)計(jì)數(shù)器。存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍小( 不大于4 k ) ，無(wú)串行 接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。 第二階段：性能完善提高階段 1 9 8 0 年，i n t e l 公司推出了m c s 一5 1 系列單片機(jī)：8 位c p u 、4 k 字節(jié)r o m 、1 2 8 字節(jié)r a i 、 4 個(gè)8 位并口、1 個(gè)全雙工串行口、2 個(gè)1 6 位定時(shí)計(jì)數(shù)器。尋址范圍6 4 k ，并有控制功能 較強(qiáng)的布爾處理器。該芯片結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出。 第三階段：微控制器階段 1 9 8 2 年，i n t e l 推出m c s9 6 系列單片機(jī)。芯片內(nèi)集成1 6 位c p u 、8 k 字節(jié)r o m 、2 3 2 字 節(jié)r a m 、5 個(gè)8 位并口、1 個(gè)全雙工串行口、2 個(gè)1 6 位定時(shí)計(jì)數(shù)器。尋址范圍6 4 k 。片上還 有8 路1 0 位a d c 、1 路p w m 輸出及高速i 0 部件等。片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使 單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備。 第四階段：專用微控制芯片d s p 階段 1 9 8 2 年，美國(guó)德州器( t i ) 公司推出世界第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 l o 。隨后，a d 公司、 m o t o r 0 1 a 公司也相繼推出各自的d s p 芯片。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，d s p 器件在高速度、可編 程、小型化、低功耗等方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，單片d s p 芯片最快每秒可完成1 6 億次 ( 1 6 0 0 m i p s ，每秒1 6 0 0 兆次指令) 的運(yùn)算。由電子行業(yè)著名的摩爾定律，d s p 器件在性能 不斷提高的同時(shí)價(jià)格也不斷下降，這些年來(lái)約每1 8 個(gè)月性能提高一倍，而價(jià)格下降一半。 d s p 器件應(yīng)用面從起初的局限于軍工，航空航天等領(lǐng)域，擴(kuò)展到今天的諸多電子行業(yè)及消費(fèi) 類電子產(chǎn)品中。 d s p 器件的生命力主要取決于它在體系結(jié)構(gòu)上不同于其他單片機(jī)的特點(diǎn)n w ” ： ( 1 ) 多總線結(jié)構(gòu)：普通m c u 基于馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，只具有單一總線，s r 朧或d r a m 都 映射到同一地址空間，總線寬度與c p u 類匹配，取指令和取數(shù)據(jù)都通過(guò)一條總線完成。因 此必須分時(shí)進(jìn)行，在高速運(yùn)算時(shí)，往往在傳輸通道上會(huì)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。d s p 內(nèi)部一般采用的 是哈佛( h a r v a r d ) 體系結(jié)構(gòu)，它在片內(nèi)至少有多套總線，可允許同時(shí)獲取指令字( 來(lái)自程 序存貯器) 和操作數(shù)( 來(lái)自數(shù)據(jù)存貯器) ，而互不干擾，為流水線設(shè)計(jì)提供了硬件基礎(chǔ)。 ( 2 ) 多處理單元：d s p 內(nèi)部一般都集成多個(gè)處理單元，如硬件乘法器( f u l ) 、累加 器( a c c ) 、算術(shù)邏輯單元( a l u ) 、輔助算術(shù)單元( a r a u ) 以及d 姒控制器等。它們都可以 在一個(gè)指令周期內(nèi)執(zhí)行完計(jì)算任務(wù)，這種運(yùn)算往往是同時(shí)完成的，因而d s p 可以單周期完 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 成連續(xù)的乘加運(yùn)算這種結(jié)構(gòu)特別適用于濾波器的設(shè)計(jì)，如i i r 和f i r 。d s p 的這種多處理單 元結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)在將一些特殊算法作成硬件以提高速度，典型的有f f t 的位反轉(zhuǎn)尋址，語(yǔ)音 的a 律、u 律算法等。 ( 3 )流水線結(jié)構(gòu)：要執(zhí)行一條指令，要完成取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行四個(gè)階 段。流水線結(jié)構(gòu)使得d s p 在這幾個(gè)階段執(zhí)行過(guò)程中是重疊的，這樣可以將指令周期的時(shí)間 降低到最小值。正是利用這種流水線機(jī)制，保證d s p 可以在單周期內(nèi)能夠完成乘法和加法 運(yùn)算。也正是這種結(jié)構(gòu)，決定了d s p 的指令基本上都是單周期指令。 ( 4 )加載引導(dǎo)( b 0 0 t1 0 a d e r ) 工作方式：對(duì)高速d s p 來(lái)講，將存放在慢速非易失性 存儲(chǔ)器中的程序加載到高速靜態(tài)r a m 中運(yùn)行的工作方式是制造商必須提供的一種資源。 ( 5 ) j t a g 接口：隨著d s p 芯片速度的提高，傳統(tǒng)的并行仿真方式已越來(lái)越顯得困難。 1 9 9 1 年i e e e l l 4 9 1 ( 即j t a g 接口) 標(biāo)準(zhǔn)的公布十萬(wàn)門以上的i c 一般都集成j t a g 接口， 滿足了i c 制造商的措施需求，1 9 9 3 年i 髓e 1 1 4 9 5 對(duì)j t a g 接口標(biāo)準(zhǔn)作了修正，為5 線接 口。j t a g 接口為用戶對(duì)d s p 的仿真提供了便捷的串行工作方式。 正是由于d s p 在硬件上對(duì)運(yùn)算做了優(yōu)化，使得在實(shí)時(shí)控制要求較高的場(chǎng)合d s p 能夠脫 穎而出，擔(dān)當(dāng)重任。從應(yīng)用角度看：d s p 器件是運(yùn)算密集型的，而單片機(jī)是事務(wù)密集型的， d s p 器件可以取代單片機(jī)，單片機(jī)卻不能取代d s p 。 隨著不斷有先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，如矢量控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等控 制方法均要求處理器有大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，而對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求卻日益增加；此 外，用戶對(duì)電力電子系統(tǒng)的體積、功耗、穩(wěn)定性等也有較嚴(yán)格的要求。因而，d s p 取代單片 機(jī)在電力電子控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用成為必然。事實(shí)上，在電機(jī)控制方醞，國(guó)外眾多的微 控制器生產(chǎn)廠家推出了多種專門應(yīng)用于電機(jī)控制的單片機(jī)和d s p 芯片，如8 x c l 9 6 m c 、 a d m c 3 3 1 和t m s 3 2 0 f 2 4 x ，只需用一片這樣的芯片就可以實(shí)現(xiàn)p w m 波形輸出、電流調(diào)節(jié)和速 度調(diào)節(jié)，這是因?yàn)檫@些芯片與通用的微控制器相比在設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮到其在電力電子系 統(tǒng)應(yīng)用中所需要的各種功能，如6 路p w m 輸出、死區(qū)實(shí)現(xiàn)和互鎖、光碼盤計(jì)數(shù)等，因而在 外圍嵌入了一些電機(jī)控制的專門電路，節(jié)省了c p u 的內(nèi)務(wù)操作時(shí)間”。 1 2 2 本課題所用d s p 系統(tǒng)介紹 t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列的d s p 芯片已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于數(shù)字電機(jī)控制( d m c ) 、工業(yè)自動(dòng)化( i a ) 、 不間斷電源( u p s ) 等電力電子的控制領(lǐng)域中。f 2 4 x 專為數(shù)字電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，該芯片 構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖卜1 3 ： f 2 4 0 x 將高性能的d s p 內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能集于單片之中。d s p 內(nèi)核為1 6 位字長(zhǎng)定點(diǎn)格式，采用外部1 0 肘 z 晶振時(shí)通過(guò)內(nèi)部可編程p l l 選擇最高執(zhí)行速度達(dá)4 0 m i p s ， 芯片采用四級(jí)流水線工作，如此高的性能可以對(duì)非常復(fù)雜的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算。f 2 4 0 7 芯片跟本設(shè)計(jì)有關(guān)的主要特點(diǎn)有”】： 】0 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一蘋緒論 d s p 2 4 0 7 l 導(dǎo) 圖l 1 3實(shí)驗(yàn)評(píng)估板框圖 ( 1 ) 采用高性能靜態(tài)c m o s 技術(shù)，使得供電電壓降為3 3 v ，減小了控制器的功耗，4 0 m i p s 的指令執(zhí)行速度和流水線工作模式使幾乎所有的指令都可在2 5 n s 的單周期內(nèi)完成，這對(duì)于 a p f 這樣對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用提供了方便； ( 2 ) 兩個(gè)事件管理器模塊e v a 和e v b ，每個(gè)包括： 兩個(gè)1 6 位通用定時(shí)器； 3 個(gè)具有死區(qū)功能的全比較單元； 3 個(gè)單比較單元； 3 個(gè)捕獲單元，其中兩個(gè)具有直接連接正交編碼器脈沖的能力； 1 6 通道1 0 位a d 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間5 0 0 n s ，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)的 兩個(gè)8 通道輸入a d 轉(zhuǎn)換器或一個(gè)1 6 通道輸入的a d 轉(zhuǎn)換器； 8 個(gè)1 6 位脈寬調(diào)制( p w m ) 通道，同時(shí)可以對(duì)兩個(gè)三相變流器控制；p w m 的對(duì)稱和非對(duì) 稱波形發(fā)生；可編程的p w m 死區(qū)控制以防止上下橋臂直通；4 1 個(gè)可單獨(dú)編程或多路復(fù) 用的通用i 0 引腳； ( 3 ) 5 個(gè)外部中斷( 電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)，復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷) 。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)字控制電路直接采用合眾達(dá)公司提供的2 4 0 7 l f 評(píng)估板，如圖卜1 3 所示 板上資源包括：t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片，1 2 8 k 字的外擴(kuò)s r a m ，4 通道1 2 一b i t 的d a 轉(zhuǎn)換模塊， r s 一2 3 2 異步串口，j t a g 仿真接口等。 1 2 3 可編程邏輯器件介紹 在數(shù)字控制系統(tǒng)中，高層處理算法的特點(diǎn)是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運(yùn)算速度高、尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的d s p 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)；低 層的信號(hào)預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對(duì)處理速度的要求高，但運(yùn)算有較多的邏輯結(jié)構(gòu)， 算法相對(duì)簡(jiǎn)單，適于用可編程邏輯器件進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。因而，在數(shù)字控制系統(tǒng)中d s p 與可 編程邏輯器件的結(jié)合成為趨勢(shì)。d s p 與可編程邏輯器件結(jié)合最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng) 的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率；同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維 護(hù)和擴(kuò)展。使得在實(shí)時(shí)控制中，d s p 與可編程邏輯器件系統(tǒng)能同時(shí)兼顧速度及靈活性?？删?程邏輯器件的發(fā)展也可以分為四個(gè)階段”1 ： 第一階段：1 9 7 0 年出現(xiàn)了p r o m ，它由全譯碼的與陣列和可編程的或陣列組成。由于陣 列規(guī)模大、速度低，因此它的主要用途是作為存儲(chǔ)器； 第二階段：2 0 世紀(jì)7 0 年代中期出現(xiàn)了可編程邏輯陣列( p l a p r o g r 鋤曲1 el o g i c a r r a y ) 器件，它由可編程的與陣列和可編程的或陣列組成，雖然其陣列規(guī)模大大減少，提 高了芯片的利用率，但由于編程復(fù)雜，開(kāi)發(fā)支持p l a 的軟件有一定難度，因而也沒(méi)有得到 廣泛的應(yīng)用。2 0 世紀(jì)7 0 年代末美國(guó)刪i 公司率先推出了可編程陣列器件p a l ( p r o g r a 衄a b l e a r r a yl o g i c ) ，它由可編程的與陣列和固定的或陣列組成，采用熔絲編程方式，雙極性工 藝制造，器件的工作速度很高。由于它結(jié)構(gòu)種類多，設(shè)計(jì)靈活，因而首先得到普遍應(yīng)用； 第三階段：2 0 世紀(jì)8 0 年代初l a t t i c e 公司發(fā)明了通用陣列邏輯( g a l g e n e r i ca r r a y l o g i c ) 器件，它在p a l 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，采用了輸出邏輯宏單元( 0 l m c ) 的形式和 e 2 c m d s 的工藝結(jié)構(gòu)，因而具有可擦除、可重復(fù)編程、數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存和可重新組合結(jié)構(gòu) 等優(yōu)點(diǎn)。g a l 比p a l 使用更加靈活，它可以取代大部分的s s i 、m s i 和p a l 器件，所以在2 0 世紀(jì)8 0 年代得到了廣泛應(yīng)用。p a l 和g a l 都屬于低密度p l d ，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，但 規(guī)模小，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。2 0 世紀(jì)8 0 年代末，隨著集成電路工藝水平的不斷提高， p l d 突破了傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)，向著高密度、高速度、低功耗以及結(jié)構(gòu)體系更靈活、使用范圍 更寬的方向發(fā)展，因而相繼出現(xiàn)了各種不同結(jié)構(gòu)的高密度p l d 。 第四階段：1 9 8 5 年x i l i n x 公司首家推出了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件( f p g a f i e l d p r o g r a 衄a b l eg a t ea r r a y ) ，它是一種新型的高密度p l d ，采用c m o s s r a m 工藝制作，其結(jié) 構(gòu)和陣列型p l d 不同，內(nèi)部由許多獨(dú)立的可編程邏輯模塊組成，邏輯塊之間可以靈活地相 互連接，具有密度高、編程速度快、設(shè)計(jì)靈活和可再配置等許多優(yōu)點(diǎn)。2 0 世紀(jì)9 0 年代，a l t e r a 公司推出新的p l d 型號(hào)e p m 9 5 6 0 稱之為復(fù)雜可編程邏輯器件c p l d ( c 伽p l e xp r o g r 姍a b l e l o g i ca r r a y ) ，其單密度達(dá)到了1 2 0 0 0 個(gè)可用門，包含多達(dá)5 0 個(gè)宏單元，2 1 6 個(gè)i o 引腳， 并能提供1 5 n s 的腳間延時(shí)，1 6 位技術(shù)的最高工作頻率為1 1 8 心z 。c p l d 的集成度最多可達(dá) 到數(shù)百萬(wàn)等效門，最高工作速度己達(dá)1 8 0 z 。在系統(tǒng)可編程技術(shù)、邊界掃描技術(shù)的出現(xiàn)也 使器件在編程技術(shù)和測(cè)試技術(shù)及系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)方面有了很快的發(fā)展邯1 。 目前世界各著名半導(dǎo)體公司，如x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 和a m da t m e l 等公司，均 提供不同類型的c p l d 、e p l d 產(chǎn)品，眾