电力电子电路的数字化控制技术

3 FPGA在电力电子电路中的应用   

现场可编程门阵列（FPGA）属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程I/O模块、可编程内部连线。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑、替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL)来对系统进行设计，采用三个层次（行为描述、RTL描述、门级描述）的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高（MHz级）、数据率高（20 MB/S以上）、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。FPGA 已应用于逆变器控制系统、直流电机调速、PWM控制[11]等。




  图2 控制系统原理图

4 电力电子电路控制技术发展趋势   

单片机、DSP、FPGA等在电力电子电路的控制系统中得到了广泛的应用，虽然它们较之模拟控制电路有许多共同的优良特性，但是它们也各有其独到之处。随着电力电子电路的日趋高频化和复杂化，上述芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果，因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势。① 单片机+DSP结构。比如，在UPS中，DC/DC、AC/DC的控制可以采用单片机，而DC/AC的控制则采用运算速度和频率更高的DSP芯片。② DSP+FPGA结构。DSP具有软件的灵活性，而FPGA具有硬件的高速性，能够处理复杂算法。因此，本结构有助于在设计中协调软、硬件之间的关系，且对不同算法都有较强的适应能力。③ 嵌入DSP模块
的FPGA。将具有基本数字信号处理功能的DSP模块嵌入到FPGA中，这样FPGA提供的DSP性能可以达到每秒1280亿MAC，将大大高于目前主流DSP的性能。  

参考文献：   

彭力等．数字控制高频变换器的新颖PWM方法．中国电机工程学报，2001，21（10）：47"51   

王斯成等．3kW可调度型并网逆变器的研制．太阳能学报，2001，22（1）：17"20   

谭弗娃等．21世纪的电动机控制与电子技术展望．电气时代，2001，9：1"3   

胡磊．小型UPS的数字控制和智能化研究［硕士学位论文］．浙江大学，2002，4   

常骏等．逆变器空间对称PWM信号微机实时控制方法．船电技术，2001，21(3)：20～23   

赵玲等．应用DSP抑制电力电子装置的谐波．华东电力，2000，28(8)：14～16   

林征宇．基于DSP的功率变换器控制的研究[硕士学位论文]．浙江大学，2000，12   

鲁欣等．数字电路设计方案的比较与选择．电子技术应用，2002，1：6"8   

胡兵等．现场可编程门阵列在逆变器控制系统中的应用．同济大学学报，2002，30(1)：97"100   

范绿蓉等．基于FPGA的直流电动机调速系统的设计和实现．电气自动化，2001，23(3)：15"16，35   

[11] Dan Deng, et al. FPGA implementation of PWM pattern generators. Electrical and Computer Engineering, 2001 Canadian Conference on , Vol. 2 , 2001: 1279 "1284