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1、摘要微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由六十年代的分立元件发展到后来的集成电路、大规模集成电路、微处理器等，为功率变换的控制带来了极大的方便。由此产生的数字控制方法因其可重复性强、耐用性强、适应性强等优点，越来越受到人们的重视。本文采用数字信号处理器DSP建立数字控制平台，将开关电源的控制数字化，取得了良好的控制效果。本文的主体由三个部分组成，分别在第二、三、四章进行阐述。第二章介绍了DSP芯片的产生发展，对不同生产厂家生产的DSP芯片性能做了详细的介绍。本文主要使用了两种DSP芯片，分别为Motorola公司的DSP56F8323和TI公司的TMS320LF2407A。第
2、二章在介绍过芯片性能之后，又分别就两种芯片的外围电路设计做了详细的介绍。最后对两种芯片的性能做了分析对比。第三章主要介绍单相功率因数校正的数字控制方法。首先简单总结了谐波污染对电网的危害，指出了功率因数校正的必要性，并且介绍了目前常用的功率因数校正控制方法。其次对单相功率因数校正功率电路中的主要元器件参数进行了设计和选择。最后建立了单相Boost PFC电路的数学模型，介绍了数字调节器的设计方法，并进行了仿真和实验验证。第四章主要介绍三电平逆变器的数字控制方法。首先，分析介绍了空间矢量控制在三相三电平逆变器控制中的应用，采用了一种简单的空间矢量算法，简化了实时计算。然后分析了不同空间矢量对直流
3、电容电压的影响，提出了一种直流侧电容电压平衡的方法。最后对提出的算法进行了仿真验证。第一章为绪论，主要介绍了电力电子技术，电源控制技术，以及数字控制技术的发展情况，介绍了课题的研究背景和研究目的。第五章为全文小结，总结了整个课题的研究内容，并提出课题的沿继研究工作设想。关键词：数字控制，数字信号处理器，功率因数校正，三电平逆变器，空间矢量控制目 录第一章 绪论11.1 电力电子技术概述11.2 数字信号处理概述21.3 课题背景和研究目的21.4 本文研究的主要内容3第二章 数字控制器的原理及硬件构成52.1 引言52.2 DSP芯片的概述52.3 DSP56F8323芯片及其外围电路设计72
4、.3.1 DSP56F8323芯片介绍72.3.2 DSP56F8323外围电路设计92.3.2.1 供电电路92.3.2.2 BDM调试工具102.3.2.3 复位电路112.3.2.4 串口电路112.4 TMS320LF2407A芯片及其外围电路设计112.4.1 TMS320LF2407A芯片介绍112.4.2 TMS320LF2407A外围电路设计132.4.2.1 供电电路142.4.2.2 时钟电路142.4.2.3 存储器接口电路152.5 本章小结15第三章 数字功率因数校正193.1 引言193.2 功率因数和功率因数校正（PFC）203.3 Boost PFC电路的控制方
5、法213.4 数字PFC硬件电路设计233.4.1 PFC主功率电路的拓朴结构233.4.2 主功率电路元件参数设计与选择243.4.2.1 设计要求243.4.2.2 升压电感设计243.4.2.3 输出电容选择253.4.2.4 功率管开关管和二极管的选择253.4.3 数字控制器硬件资源分配263.5 Boost PFC数字控制器设计273.5.1 电压环设计283.5.1.1 设计目标283.5.1.2 电压环功率级的数学模型293.5.1.3 电压环数学模型的离散化313.5.2 前馈电压Vff的计算323.5.3 电流环设计343.5.3.1 电流环功率级数学模型353.5.3.2
6、 电流环数学模型的离散化353.5.4 数字PI调节器363.5.5 软件方案设计393.6 仿真与实验413.6.1 MATLAB仿真413.6.2 系统实验433.7 本章小结46第四章 三电平逆变器的数字控制474.1 引言474.2 空间矢量三电平逆变器的控制方法484.2.1 三电平逆变器的工作模式484.2.2 空间矢量调制524.3 直流侧电压平衡564.4 硬件设计594.4.1 逆变桥主电路设计594.4.2 箝位二极管的选择604.4.3 输出滤波器设计604.4.4 功率模块驱动隔离电路614.5 仿真及试验结果614.6 本章小结63第五章 结束语655.1 全文小结6
7、55.2 进一步工作展望65参考文献67攻读硕士期间发表的论文70致谢71第一章 绪论1.1 电力电子技术概述1,2,3电力电子技术（Power Electronics）是二十一世纪重要的关键技术之一。美国电气和电子工程师协会（IEEE）对电力电子技术的阐述是：“有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。”1电力电子技术的基本特点之一是能以小信号输入控制很大的功率输出，放大倍数极大，这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。微电子和计算机技术的新成就，可以通过这一接口移植到传统工业产品，可
8、以促使传统产品的更新换代。当今机电产品技术上的突破主要在于电子化。电力电子器件的另一个基本特点是工作于开关状态，正向压降低而反向漏电流小，从而在理论上保证了各类电力电子设备所共有的节能性能。我国缺电严重，另一方面却用电严重浪费，矛盾十分尖锐。电力电子技术的应用正是解决这一矛盾的有力措施2。电力电子器件是电力电子技术的基础，电力电子技术是随着电力半导体器件的发展而发展的。从1957年以晶闸管为核心的传统电力电子技术阶段开始，到70年代后期可关断晶闸管、电力晶体管及其模块的问世，期间伴随着微电子技术和电力电子技术的发展与结合。其后出现的功率场控晶体管、绝缘门极晶体管等形成了一个新的全控型器件大家族
9、。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化的方向发展。在高电压大电流的应用中（如高压直流输电、无功补偿等），目前晶闸管仍占主导地位，在中小容量的电力电子设备中，IGBT和MOSFET应用则比较广泛。电力电子器件和电力电子电路之间的关系十分密切，新器件的出现会促使电路达到新的水平，新的电路设计又反过来对器件提出新的要求。随着电力电子器件的功率化、高速化，电力电子电路的容量水平和工作频率不断提高，电能变换的质量也越来越好1。应用电力电子技术构成的变流装置，按功能可分为以下几种类型2：可控整流器把交流电压变换成固定或可调的直流电压；逆变器把直流电变换成频率固定或可调的交流电；交流调压器把固定或变
10、化的交流电压变换成可调或固定的交流电压；斩波器把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压。电力电子技术是重要的支撑科技，据美国总统科学和技术顾问委员会提出，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资讯与通信、生命科学、材料和交通，每一领域无一不和电力电子有关。电力电子技术应用广泛，有着深远的美好前景3。1.2 数字信号处理概述4数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是利用计算机或专用处理
11、设备，以数字形式对信号进行采集、交换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理的实现方法一般有以下几种：1在通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现；2在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；3用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理；4用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法；5用专用DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的数字信号处理速度极高，用通用DSP芯片很难实现，例如专用于FFT、数字
12、滤波、卷积、相关等算法DSP芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无法进行编程。在上述几种方法中，第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟；第2种和第5种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2种方法也不便于系统的独立运行；第3种方法只适用于实现简单DSP算法；只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有以下主要特点：n 在一个指令周期内可完成一次乘法和加法；n 程序和数据空间分开，可以同
13、时访问指令和数据；n 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；n 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；n 快速的中断处理和硬件I/O支持；n 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；n 可以并行执行多个操作；n 支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行。1.3 课题背景和研究目的4,5,6随着工业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求越来越高。包括市电在内的所有原始电能可能满足不了用户的要求，必须经过处理后才能使用，电力电子技术在这种处理中起到了重要的作用。传统的开关电源控制多为模拟控制或模拟与数字相结合的控制系统，其缺点为：1控制电路的元器件比较多，体积
14、庞大，结构复杂；2灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变；3调试比较麻烦，由于元器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点漂移，会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。 因此，传统的控制方案在许多场合已不适应新的要求。 随着高速、廉价的数字信号处理器（DSPDigital Signal Processor）的问世，于是便出现了数字电源（DPSDigital Power Supply），其优点有:1数字化更容易实现数字芯片的处理和控制，避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰；2便于系统调试，尝试各种不同的控制方法；3如果将网络通迅和电源软件调试技术相结合，可实
15、现远程遥感、遥测、遥调。 随着数字信号处理（DSP）技术的成熟和普遍，新一代的数字信号处理器(DSP)采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立，在每一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构，功能强大的寻址方式，灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得DSP不仅运算能力较单片机有了较大地提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构设计和超强的数据运算能力，使得DSP能用软件实现以前需用硬件才能实现的功能，也同样使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，且因为其具有高度集成化控制电路、精确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今已成
