电力电子集成系统中的数字控制平台研究

摘要

电力电子系统集成是当今电力电子技术研究的重要课题，引领电力电子技术朝集成化、标准化和模块化方向发展。电力电子数字控制平台正是在系统集成研究的大背景下展开的，进一步补充和完善系统集成理论研究内容，其研究的主要目标就是改变当前电力电子数字控制系统设计状况，缩短电力电子控制系统的开发周期，使它更符合电力电子系统集成发展的需要。目前，其研究内容主要为中、大功率电力电子应用系统或复杂电力电子装置提供集成化数控平台，如大功率有源滤波器、电力传动系统和再生能源发电系统等。根据数字控制平台的研究目标和应用领域，论文着重对电力电子控制平台的相关问题进行理论与实验研究，包括平台的一般设计原则、平台的扩展性分析、平台资源的集成和平台的应用研究。 如何从系统集成的角度设计硬件平台是集成化控制平台首先需要解决的问题。论文在详细分析了计算资源需求、通信能力需求、接口精度和接口信号处理速度等问题的基础上，提出了控制平台的一般设计原则，包括核心处理器、通信接口类型、AD/DA和PWM精度要求以及接口器件等硬件的具体选型与指标确定，同时提出了用可编程逻辑器件实现用户可编程和可配置的扩展接口的设计方案。 平台的通用性和扩展性是平台研究的首要问题。论文以平台的一般设计原则为指导，具体给出电力电子数字控制平台的硬件设计。在此基础上，论文从三个不同层面对该数控平台的通用性和扩展能力进行实验研究。在平台层面，论文从不同角度和不同实现方式提出了多平台结构的构建方案；在硬件资源层面，论文提出了采用通用PWM IP核的方案扩展平台PWM通道；在计算资源层面，论文提出用FPGA配置的单精度浮点运算单元来提升平台的计算能力，弥补定点处理器的不足。 软件资源集成是控制平台的一个核心。围绕这个核心，论文对电力电子可复用软件模块和电力电子IP软核两个内容展开研究。在可复用软件模块方面，论文提出了电力电子可复用软件模块设计的三条基本原则：①分类原则；②功能独立性原则；③以接口设计为核心原则，并以这些基本原则为指导，进行电力电子可复用软件模块的设计。针对采用固定定标方法设计定点软件模块接口所存在的问题，论文提出了一种软件模块动态定标的接口设计方案；在电力电子IP软核方面，通过对IP软核的研究现状、研究意义、基本分类和设计方法的系统论述，论文勾画出电力电子IP软核的基本研究和设计方法。论文以三电平空间矢量调制IP核为设计案例，着重说明IP核一般设计方法，包括简化算法、设计流程和实现与验证。 最后，论文利用集成化的数控平台构建了三种不同类别的典型应用系统：工频隔离型三相逆变电源、一体化电梯控制器和太阳能光伏发电系统。应用实践表明本文提出的平台设计原则和软硬件资源的集成方法具有有效性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：文中常用符号表

声明

第一章绪论

1.1集成系统中的数控平台研究概述

1.1.1研究背景

1.1.2研究内容

1.1.3研究意义

1.2电力电子数字控制器研究及应用现状

1.2.1数字控制器基本类型及其控制芯片

1.2.2电力电子数字控制器研究现状

1.2.3各种数字控制器评述

1.3电力电子软件系统设计现状

1.3.1结构化程序设计方法

1.3.2基于嵌入式实时操作系统的设计方法

1.3.3基于可视化软件实现方法

1.4控制系统开发存在的问题

1.5本课题的研究目标

1.6论文主要研究内容和体系结构

参考文献

第二章电力电子系统对数字控制平台的硬件资源需求分析

2.1引言

2.2电力电子系统的基本特点

2.2.1多样性

2.2.2基于开关模式运行

2.2.3实时性

2.3当前电力电子数字控制平台的结构及其优缺点分析

2.3.1 DSP最小系统

2.3.2基于通用DSP和FPGA的控制平台

2.3.3多处理器系统

2.3.4分布式控制平台

2.4控制平台的基本硬件资源需求

2.4.1接口基本类型

2.4.2接口的基本特点和要求

2.4.3接口信号精度

2.4.4接口信号处理速度

2.4.5计算能力

2.4.6通信能力

2.4.7硬件资源需求小结

2.5可编程逻辑器件在控制平台中的应用优势

2.5.1硬件的并行性

2.5.2接口的通用性和灵活性

2.6小结

参考文献

第三章电力电子数字控制平台的实现及其扩展性研究

3.1引言

3.2电力电子数字控制平台的实现

3.2.1处理器选择

3.2.2 FPGA在平台中的功能及选择

3.2.3数字控制平台的结构及系统资源

3.3平台扩展性研究

3.3.1基于平台的多DSP系统构建

3.3.2基于通用PWM IP核的PWM通道扩展及应用

3.3.3单精度浮点协处理器的扩展实现

3.4小结

参考文献

第四章可复用软件模块的设计及其在开发环境中的集成

4.1引言

4.2控制软件与系统其它部分之间的耦合关系

4.3适合电力电子控制软件开发的复用技术

4.4可复用电力电子控制软件模块设计分析

4.4.1可复用模块设计原则

4.4.2可复用模块分类

4.4.3可复用模块的基本模型

4.5模块接口设计

4.5.1模型接口结构设计

4.5.2接口数据格式设计的问题和对策

4.5.3动态定标的基本运算实现

4.6可复用模块的实现及封装

4.7基于可复用软件模块的控制软件设计

4.7.1设计方法

4.7.2设计方法的评价

4.7.3设计实例

4.8小结

参考文献

第五章适用于平台集成的IP核研究—三电平SVPWMIP核的设计

5.1引言

5.2可编程逻辑器件和IP核

5.3电力电子IP核的研究概况和目的

5.3.1电力电子IP核研究现状

5.3.2电力电子IP核研究意义

5.4电力电子IP核研究基本方法

5.4.1电力电子IP核的基本划分

5.4.2电力电子IP软核的基本设计原则和方法

5.5 IP软核设计实例—三电平SVPWM IP软核设计

5.5.1设计背景

5.5.2原理及优化

5.5.3设计与实现

5.5.4评价

5.6 小结

参考文献

第六章平台的应用研究

6.1引言

6.2 30kVA工频隔离型三相逆变电源

6.2.1主要技术指标及主电路结构

6.2.2逆变器对控制系统的软硬件需求

6.2.3波形校正技术的应用

6.3一体化电梯主控制器

6.3.1一体化电梯控制器总体结构

6.3.2基于可复用软件模块的双向逆变系统的实现

6.3.3 PID调节器优化设计方法

6.4在光伏发电系统中的应用

6.4.1系统技术要求及主电路拓扑结构

6.4.2系统对控制平台软硬件要求

6.5小结

参考文献

第七章总结与展望

7.1总结

7.2今后工作的展望

附录

攻读博士学位期间发表与录的论文

致谢