1、電氣工程系電氣工程系電氣工程教研室電氣工程教研室 重點(diǎn)和難點(diǎn)1、掌握PWM控制技術(shù)的類型及其工作原理。2、掌握空間矢量和坐標(biāo)變換原理3、了解通用瞬時(shí)功率理論4、電力電子數(shù)字控制結(jié)構(gòu)5、了解微控制器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）在電力電子技術(shù)中的基本應(yīng)用。6、 在電力電子技術(shù)中運(yùn)算放大器的選擇原則及其常用的運(yùn)放電路9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù)9 9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù)9 9.1.4 隨機(jī)隨機(jī)PWM技術(shù)技術(shù)9.1.5 小結(jié)小結(jié) 9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述 隨著采用電機(jī)控制專

2、用型DSP芯片實(shí)現(xiàn)PWM技術(shù)數(shù)字化以后，花樣更是不斷地翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁鏈的正弦；從效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，再到消除噪聲等，PWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷完善與發(fā)展的過(guò)程。 9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述 1964年，A.Schonung和H.Stemmler在BBC評(píng)論上發(fā)表文章，將通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)引入到交流電氣傳動(dòng)中，產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變頻變壓的思想，從而為交流電氣傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。 所謂PWM技術(shù)就是利用電力半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷產(chǎn)生一定形狀的電壓脈沖序列，（再經(jīng)過(guò)一定的低通濾波器后）來(lái)實(shí)現(xiàn)電能變換，并有效地

3、控制和消除諧波的一種技術(shù)。 9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述 PWM控制技術(shù)可以分為三大類控制技術(shù)可以分為三大類： 正弦PWM（包括以電壓、電流或磁鏈波形的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案）、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。 當(dāng)然從實(shí)現(xiàn)的方法上看當(dāng)然從實(shí)現(xiàn)的方法上看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種。9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述 以PWM控制方式運(yùn)行所引起的主要問(wèn)題有電流畸變、變換器的開關(guān)損耗、負(fù)載的諧波損耗以及用于交流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這些影響可以用以下性能指標(biāo)來(lái)描述。1. 電流諧波 諧波電流有效值為(9-1) 其中，為電流的基波分量，不僅與變流器的PWM控制方式有關(guān)，而且

4、還與負(fù)載的阻抗特性有關(guān)。 9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述 電流諧波畸變率( (Total Harmonic Total Harmonic DistortionDistortion) ) (9-2)9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述 2. 諧波頻譜 各頻率分量在非正弦電流中所占的份額可用諧波電流頻譜來(lái)表示，它能夠比電流諧波畸變率THD提供更詳細(xì)的說(shuō)明。 在同步PWM中，可以得到離散電流頻譜，載波頻率為 (9-3)9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述 2. 諧波頻譜 其中，N是載波比。載波比N值受到(9-4) 條件的限制， 為電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的允許頻率， 為

5、最高基波頻率。9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述3. 最大調(diào)制度 調(diào)制度m定義為調(diào)制信號(hào)峰值與三角載波信號(hào)峰值之比，即 (9-5) m值在01之間變化，以調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的大小，它體現(xiàn)了直流側(cè)母線電壓的利用率。在N值較大時(shí)，一般取最高的m0.80.9。9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述4. 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 在交流電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的標(biāo)么值表示為(9-6) 其中，Tmax為最大電磁轉(zhuǎn)矩；Tav為平均轉(zhuǎn)矩；TN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。雖然諧波轉(zhuǎn)矩是由諧波電流產(chǎn)生的，但兩者之間并沒(méi)有精確的關(guān)系。9 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述5. 開關(guān)頻率和開關(guān)損耗 一般而言，電力半導(dǎo)體器件

6、開關(guān)頻率的增加可以使變流器交流側(cè)的電流諧波畸變減少，從而提高系統(tǒng)的性能。但是由于開關(guān)器件受到開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率并不能夠隨便增加，這是因?yàn)椋?開關(guān)器件的開關(guān)損耗與其開關(guān)頻率成正比 開關(guān)器件的開關(guān)頻率隨著器件容量的增加而趨于降低。例如，大功率GTO（如6000V/6000A容量的GTO）的開關(guān)頻率只有500Hz左右；而大功率IGBT（如4500V/1200A容量的IGBT）的開關(guān)頻率只有210kHz9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù)9 9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù)9 9.1.4 隨機(jī)隨機(jī)PWM技術(shù)技術(shù)9.1.5 小結(jié)小結(jié) 9 9.1.2 正弦正

7、弦PWM技術(shù)技術(shù) 最常用的PWM技術(shù)就是正弦正弦PWMPWM（Sine PWMSPWM）。這種SPWM的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，因此可以有效地抑制低次諧波，從而大大改善了變流器（包括整流器和逆變器）的各項(xiàng)性能。 主要有： 1. 1. 電壓正弦電壓正弦PWMPWM技術(shù)技術(shù) 2 2. . 電流正弦電流正弦PWMPWM技術(shù)技術(shù) 3 3. . 磁鏈正弦磁鏈正弦PWMPWM技術(shù)技術(shù) 9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 1 1. . 電壓正弦電壓正弦PWMPWM技術(shù)技術(shù) 電壓SPWM技術(shù)可以采用擬電路、數(shù)字電路或大規(guī)模集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用模擬電路時(shí)模，先由振蕩器分別產(chǎn)生正弦波和三角波信號(hào)，然后通過(guò)

8、比較器產(chǎn)生出PWM控制信號(hào)，以此來(lái)確定變流器某一相橋臂的上下開關(guān)器件的開通與關(guān)斷。這種實(shí)現(xiàn)方法，使得系統(tǒng)的分立元器件過(guò)多，控制線路復(fù)雜，精度也難以得到保證。 目前，隨著電機(jī)控制專用DSP芯片開始普及與應(yīng)用，數(shù)字化PWM技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，典型的數(shù)字化PWM方法有自然采樣PWM和規(guī)則采樣PWM兩種方法。 在數(shù)字化PWM控制中，首先需要通過(guò)CPU計(jì)算出一個(gè)采樣周期內(nèi)的輸出脈沖寬度和間隙時(shí)間，時(shí)間的改變則通過(guò)定時(shí)器來(lái)完成。9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù)自然采樣PWM 見下圖所示，雖然自然采樣PWM可以真實(shí)地反映輸出脈沖寬度信息，但是其脈沖寬度為(9-7) 其中，時(shí)間ta、tb是未知的，所以

9、這是一個(gè)超越方程，需要計(jì)算機(jī)迭代求解，難以適用于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制。圖9-1 自然采樣PWM9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 規(guī)則采樣PWM 則是對(duì)自然采樣PWM的一種簡(jiǎn)單近似處理。它又可以分為對(duì)稱規(guī)則采樣對(duì)稱規(guī)則采樣PWMPWM和不對(duì)稱規(guī)則采樣不對(duì)稱規(guī)則采樣PWMPWM兩種方法，分別如圖9-2（a）和(b)所示。此時(shí)脈沖寬度分別為（a）對(duì)稱規(guī)則采樣PWM （b）不對(duì)稱規(guī)則采樣PWM 圖9-2 規(guī)則采樣PWM9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 規(guī)則采樣PWM 對(duì)稱規(guī)則采樣對(duì)稱規(guī)則采樣PWMPWM和不對(duì)稱規(guī)則采樣不對(duì)稱規(guī)則采樣PWMPWM脈沖寬度分別為(9-8)(9-9)式（9-8）是采用

10、對(duì)稱規(guī)則采樣PWM時(shí)的脈沖寬度公式； 式（9-9）則是使用不對(duì)稱規(guī)則采樣PWM時(shí)的脈沖寬度公式。由于此時(shí)的、是已知的（通過(guò)采樣時(shí)刻得到的采樣值可以反推出），因此可以采用CPU快速地計(jì)算出每相的脈沖寬度和間隙時(shí)間。 9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 規(guī)則采樣PWM具有實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)容易、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，但是和自然采樣PWM一樣，具有電壓利用率低的缺點(diǎn)，輸出線電壓的峰值只能達(dá)到直流側(cè)母線電壓的0.866倍。 電壓SPWM技術(shù)還有其他的實(shí)現(xiàn)方法，如等面積法、連續(xù)移相法等，這里就不一一介紹。9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 2. 電流正弦PWM技術(shù) 變流器的控制性能主要取決于電流的控制質(zhì)量，為了

11、滿足電機(jī)控制良好的動(dòng)態(tài)性能，經(jīng)常采用電流的閉環(huán)控制，即采用電流正弦PWM技術(shù)。此外，在電力電子其他應(yīng)用領(lǐng)域中如有源電力濾波器等也廣泛應(yīng)用這一技術(shù)。目前實(shí)現(xiàn)電流SPWM的方法很多，包括PI控制、滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率的Delta電流控制、無(wú)差拍控制及預(yù)測(cè)電流控制等幾種，它們均具有控制簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是其直流側(cè)母線電壓的利用率仍然較低。 9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 2. 電流正弦PWM技術(shù) 最初的電流反饋控制就是采用通常的PI調(diào)節(jié)器的方法分別控制三相電流，PI調(diào)節(jié)器的輸出和三角波信號(hào)進(jìn)行比較后產(chǎn)生出PWM控制信號(hào)。這種方法的問(wèn)題是電流反饋需要加較大的濾波，以保證PI調(diào)

12、節(jié)效果；另外，還存在電流移相。此方法的一種改進(jìn)是在-坐標(biāo)系中，將需要調(diào)節(jié)的三相電流變換為軸和軸直流量，而PI調(diào)節(jié)器則直接對(duì)軸和軸電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出再經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換為三相正弦電壓，再和三角波比較輸出PWM控制信號(hào)。9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 2. 電流正弦PWM技術(shù) 在電流SPWM控制方式中，最簡(jiǎn)單、曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于小功率調(diào)速系統(tǒng)中的是電流滯環(huán)PWM控制，即將正弦電流參考波形和電流的實(shí)際波形通過(guò)滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，其結(jié)果決定逆變器橋臂的上下開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。這種方法可以使得實(shí)際電流與電流參考的誤差約束在滯環(huán)帶內(nèi)，而且采用模擬電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，具有強(qiáng)魯棒性。 9 9.1.

13、2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 2. 電流正弦PWM技術(shù) 電流滯環(huán)PWM控制方式也存在明顯的缺陷： 存在非優(yōu)化的開關(guān)過(guò)程，在低調(diào)制度時(shí)造成開關(guān)頻率很高； 由于相間實(shí)際存在相互影響，電流誤差經(jīng)常超出滯環(huán)帶； 開關(guān)頻率不固定，與電路參數(shù)、負(fù)載情況及滯環(huán)寬度等因素有關(guān)； 諧波電流頻譜隨機(jī)分布，不利于交流側(cè)LC濾波器的設(shè)計(jì)。 之后，發(fā)展了固定開關(guān)頻率的Delta電流控制。實(shí)際上，這種控制方法就和全數(shù)字化PWM控制非常接近了。 9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 2. 電流正弦PWM技術(shù) 為了解決有限采樣頻率下實(shí)現(xiàn)電流的有效控制，J. Holtz和A. Kawamura等人提出了電流預(yù)測(cè)控制和無(wú)差拍控制

14、的思想。所謂電流預(yù)測(cè)控制就是在采樣周期的開始，根據(jù)電流的當(dāng)前誤差和負(fù)載情況選擇一個(gè)使誤差趨于零的電壓矢量去控制變流器中開關(guān)器件的通斷。也就是說(shuō)以開關(guān)順序的在線優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)，選擇一定的電壓矢量來(lái)控制電流矢量的軌跡，使它相對(duì)于參考電流矢量保持最小的空間誤差。因此，這是一種典型的全數(shù)字化PWM方案。該控制方式的控制精度依賴于系統(tǒng)的參數(shù)。這里對(duì)電流預(yù)測(cè)控制和無(wú)差拍控制不做進(jìn)一步的討論。9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 3. 磁鏈正弦PWM技術(shù) 磁鏈正弦PWM（即電壓空間矢量PWMSpace Vector PWM，簡(jiǎn)稱SVPWM）與電壓SPWM不同，它是從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒

15、定的圓形旋轉(zhuǎn)磁鏈，即正弦磁鏈。 在理想三相供電電壓下的空間電壓合成矢量為(9-10)9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 3. 磁鏈正弦PWM技術(shù) 在理想情況下，電壓空間矢量為圓形旋轉(zhuǎn)矢量，而磁鏈為電壓矢量的時(shí)間積分，也是圓形的旋轉(zhuǎn)矢量。為了使逆變器的輸出電壓矢量接近圓形，并最終獲得圓形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，必須利用逆變器的輸出電壓矢量的時(shí)間組合，形成多邊形電壓矢量軌跡，使之更加接近圓形。目前，磁鏈SPWM多采用控制電壓矢量的導(dǎo)通時(shí)間的方法，用盡可能多的多邊形磁鏈軌跡逼近理想的圓形磁鏈。9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 3. 磁鏈正弦PWM技術(shù) 在一個(gè)開關(guān)周期中利用兩個(gè)有效電壓矢量的平均值等效給

16、定電壓矢量在此開關(guān)周期中的采樣值。即： （9-11）（9-12） 9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 3. 磁鏈正弦PWM技術(shù) 在下一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電壓矢量的作用順序?yàn)椋?一種具體的PWM脈沖分布如圖9-3所示。 各電壓矢量的作用順序要遵守以下的原則： 任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開關(guān)動(dòng)作，表現(xiàn)在二進(jìn)制矢量表示中只有一位變化。 這是因?yàn)槿绻试S有兩個(gè)或三個(gè)橋臂的開關(guān)同時(shí)動(dòng)作，則在線電壓的半周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反極性電壓脈沖，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。9 9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù) 3. 磁鏈正弦PWM技術(shù) 圖9-3 一種具體的PWM脈沖分布9 9.1.2 正弦正弦PW

17、M技術(shù)技術(shù) 3. 磁鏈正弦PWM技術(shù) 的幅值達(dá)到上限時(shí)，逆變器的輸出線電壓基波幅值就等于直流側(cè)母線電壓，比SPWM高出15%，而且諧波電流的總有效值接近于優(yōu)化?？梢哉f(shuō)SVPWM實(shí)質(zhì)上是一種帶諧波注入的調(diào)制方法。 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù)9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù)9 9.1.4 隨機(jī)隨機(jī)PWM技術(shù)技術(shù)9.1.5 小結(jié)小結(jié) 9 9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù) 正弦PWM一般隨著電力半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率的提高會(huì)獲得很好的性能，因此在中小功率電機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但是，對(duì)于大容量電力電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，較高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致較大的開關(guān)損耗，因

18、而是不可取的。 所謂優(yōu)化優(yōu)化PWMPWM就是根據(jù)某一優(yōu)化目標(biāo)將所有工作頻率范圍內(nèi)的開關(guān)角度預(yù)先計(jì)算出來(lái)，然后通過(guò)查表或其他方式輸出PWM控制信號(hào)。由于每個(gè)周期只有可數(shù)的幾次開關(guān)動(dòng)作，因此開關(guān)角度的小變化對(duì)諧波含量的影響較大。目前都采用存表，然后通過(guò)少量的插值計(jì)算或近似簡(jiǎn)化計(jì)算的方法來(lái)輸出PWM波形。9 9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù)1. 諧波消除法 事實(shí)上，人們?cè)缭?0世紀(jì)60年代就發(fā)現(xiàn)，在方波電壓中增加幾次開關(guān)動(dòng)作，可以大大削弱某次特定的低次諧波，如5、7、11次諧波等，從而使輸出的電流波形非常接近于正弦波。這種方法一般只把影響系統(tǒng)性能的低次諧波消除掉，而其線電壓基波幅值可以超過(guò)直流側(cè)母

19、線電壓，因此電壓的利用率很高。所以，在大功率逆變器中應(yīng)用較多。其主要缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)控制困難，且高次諧波的幅值增大了，這會(huì)引起損耗的相應(yīng)增加。9 9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù)2. 效率最優(yōu)PWM技術(shù) 這種方法是以效率最優(yōu)為目標(biāo)，因?yàn)樾适呛拓?fù)載大小有關(guān)的，因此，在求解效率最優(yōu)PWM的過(guò)程中，應(yīng)考慮負(fù)載的變化。值得注意的是，在整個(gè)電壓范圍內(nèi)，效率最優(yōu)PWM的開關(guān)角度不是連續(xù)變化的，這幾乎是所有優(yōu)化PWM的共同特征。3. 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小PWM 這種方法是以轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小為目標(biāo)。這里不做進(jìn)一步介紹。 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù)9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技

20、術(shù)技術(shù)9.1.4 隨機(jī)隨機(jī)PWM技術(shù)技術(shù)9.1.5 小結(jié)小結(jié) 9 9.1.4 隨機(jī)隨機(jī)PWM技術(shù)技術(shù)1. 隨機(jī)PWM技術(shù)概述 PWM逆變器的電流中均含有諧波分量，此諧波電流會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。以SVPWM逆變器為例，其幅值較大的電流諧波主要分布在一倍和兩倍的PWM開關(guān)頻率的頻帶內(nèi)。因而，由諧波電流引起的電磁噪聲集中在和2頻率附近。為了抑制交流調(diào)速系統(tǒng)中的噪聲，一種方法是提高開關(guān)頻率，使之超過(guò)20kHz，但是這樣會(huì)伴隨著較高的開關(guān)損耗；另一種方法就是采用隨機(jī)PWM控制技術(shù)，從改變?cè)肼暤念l譜分布入手，使逆變器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，以達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械共振的目的。 9 9.1.

21、4 隨機(jī)隨機(jī)PWM技術(shù)技術(shù)2. 隨機(jī)PWM技術(shù) 基于隨機(jī)PWM的方法分為三類：隨機(jī)開關(guān)頻率PWM、隨機(jī)脈沖位置PWM、隨機(jī)開關(guān)PWM。隨機(jī)開關(guān)頻率PWM是目前隨機(jī)PWM中最常用的一種方法，它通過(guò)隨機(jī)改變開關(guān)頻率而使電機(jī)電磁噪聲近似為限帶白噪聲。盡管噪聲的總分貝數(shù)沒(méi)有改變，但是有色噪聲的強(qiáng)度被大幅度地削弱了，從而有利于逆變器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。隨機(jī)脈沖位置PWM是一種簡(jiǎn)單而有效的隨機(jī)PWM控制方法，它通過(guò)隨機(jī)地選擇每個(gè)采樣周期的脈寬位置，要么使之位于采樣周期的開始部分（超前方式），要么使之位于采樣周期的結(jié)束部分（滯后方式）。隨機(jī)開關(guān)PWM與SPWM控制相似，通過(guò)參考電壓波形與一個(gè)幅值為隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)

22、行比較，以此決定對(duì)應(yīng)相的橋臂是上臂還是下臂的開關(guān)器件導(dǎo)通，它尤其適合于采用高的開關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能輸出電流的應(yīng)用場(chǎng)合，這就相對(duì)限制了它的適用范圍。 9.1.1 PWM控制技術(shù)概述控制技術(shù)概述9.1.2 正弦正弦PWM技術(shù)技術(shù)9.1.3 優(yōu)化優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù)9.1.4 隨機(jī)隨機(jī)PWM技術(shù)技術(shù)9.1.5 小結(jié)小結(jié) 9.1.5 小結(jié)小結(jié) 1.隨著電機(jī)控制專用DSP技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字化PWM技術(shù)已經(jīng)開始取代模擬式PWM，成為電力電子設(shè)備中共用的核心技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣P W M 基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展 起 來(lái) 的 電 壓 空 間 矢 量 P W M 控 制（SVPWM），它具有計(jì)算簡(jiǎn)單、定時(shí)

23、控制容易的特點(diǎn)。 2.所有PWM技術(shù)的不同之處都在于對(duì)諧波控制的不同。 3.PWM變流器在大功率和高頻化等方面尚有大量工作有待進(jìn)行。 4.消除機(jī)械和電磁噪聲的最佳方法并不是盲目地提高裝置或系統(tǒng)的工作（開關(guān)）效率，而隨機(jī)PWM控制則提供了一個(gè)全新的發(fā)展思想。9.2.1 9.2.1 空間矢量空間矢量9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換 9.2.1 9.2.1 空間矢量空間矢量v三相電壓或電流采用空間矢量的分析方法，就是將三相瞬時(shí)值作為空間的一個(gè)矢量來(lái)處理。將三相互差120電角度的相電壓或電流的瞬時(shí)值，在各方向合并成為矢量。它們的三相合成矢量就是電壓或電流的空間矢量。v在交流電機(jī)三相繞組上施加電

24、壓或流過(guò)電流，合成的磁場(chǎng)方向和大小可用矢量圖表示為圖9-4。v由三相正弦波電壓或電流產(chǎn)生的空間矢量軌跡可描述成一個(gè)隨時(shí)間逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，其軌跡是以原點(diǎn)O為圓心的圓。9.2.1 9.2.1 空間矢量空間矢量v三相電壓或電流采用空間矢量的分析方法，就是將三相瞬時(shí)值作為空間的一個(gè)矢量來(lái)處理。將三相互差120電角度的相電壓或電流的瞬時(shí)值，在各方向合并成為矢量。它們的三相合成矢量就是電壓或電流的空間矢量。v在交流電機(jī)三相繞組上施加電壓或流過(guò)電流，合成的磁場(chǎng)方向和大小可用矢量圖表示為圖9-4。v由三相正弦波電壓或電流產(chǎn)生的空間矢量軌跡可描述成一個(gè)隨時(shí)間逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，其軌跡是以原點(diǎn)O為圓心的圓。9.2

25、.1 9.2.1 空間矢量空間矢量（9-13） （9-14） 圖9-4 空間矢量圖 9.2.1 9.2.1 空間矢量空間矢量電流空間矢量表示為：（9-15） （9-16）（9-17）9.2.1 9.2.1 空間矢量空間矢量圖9-5 電流空間矢量圖 （9-18） 9.2.1 9.2.1 空間矢量空間矢量9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換 9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換 如將空間矢量表示成復(fù)數(shù)形式時(shí)，會(huì)使得坐標(biāo)變換的表示簡(jiǎn)單化，有時(shí)根據(jù)具體需要又可分解出復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部，即求出相互垂直（獨(dú)立）的各個(gè)分量，所以簡(jiǎn)單方便。9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換：坐標(biāo)反變換：

26、（9-19）（9-20）（9-21）（9-22）9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換其中， 坐標(biāo)變換到坐標(biāo)反變換的過(guò)程，參見圖9-6和圖9-7 （9-25）（9-24）（9-23）（9-26）9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換圖9-6 坐標(biāo)變換 9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換圖9-7 坐標(biāo)反變換 9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換（9-27） 9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換（9-28） 9.2.2 9.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換9.3.1.1 單相電路單相電路1. 單相電路的電壓有效值定義為：?jiǎn)蜗嚯娐返碾妷河行е刀x為：2. 單相電路的電流有效值定義為：?jiǎn)蜗嚯?/p>

27、路的電流有效值定義為：(t)dtuT1UT02(t)dtiT1IT023. 單相電路的視在功率：?jiǎn)蜗嚯娐返囊曉诠β剩?. 單相電路的有功功率：?jiǎn)蜗嚯娐返挠泄β剩?IUS*UIPcos 5. 由上式可以定義單相電路的無(wú)功功率為：由上式可以定義單相電路的無(wú)功功率為： 有功功率、無(wú)功功率及視在功率的關(guān)系可有功功率、無(wú)功功率及視在功率的關(guān)系可以形象地表示為以形象地表示為“功率三角形功率三角形”。2P2SQ9.3.1.2 三相電路三相電路1. 三相對(duì)稱電路的有功功率：三相對(duì)稱電路的有功功率：)()()()()()(coscoscostitutitutituIUIUIUPPPPccbbaacccbbba

28、aaCBA2. 三相對(duì)稱電路的視在功率：三相對(duì)稱電路的視在功率：3. 三相對(duì)稱電路的無(wú)功功率：三相對(duì)稱電路的無(wú)功功率：2P2SQUIS39.3.1.3 對(duì)傳統(tǒng)功率理論的評(píng)價(jià)對(duì)傳統(tǒng)功率理論的評(píng)價(jià)1. 特點(diǎn)特點(diǎn)9.3.1.3 對(duì)傳統(tǒng)功率理論的評(píng)價(jià)對(duì)傳統(tǒng)功率理論的評(píng)價(jià)2. 局限性局限性9.3.1.4 結(jié)論 有必要發(fā)展能夠適應(yīng)于有必要發(fā)展能夠適應(yīng)于9.3.2.1 發(fā)展和意義發(fā)展和意義9.3.2.2 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1. 采用（a,b,c)坐標(biāo)系將三相系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓、電流空間矢量寫成列向量形式 也可以采用（,0）、（d,q,0）坐標(biāo)系TcbaTcbauuuuiiii 2. 瞬時(shí)瞬時(shí)有功功率定義為：有功

29、功率定義為： 瞬時(shí)有功功率的定義同樣適用于（瞬時(shí)有功功率的定義同樣適用于（, ,0,0）、（）、（d d, ,q q,0,0）坐標(biāo)系，具有較強(qiáng)的一般性和明確）坐標(biāo)系，具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。的物理意義。iuiuiuiuiupTccbbaa 3. 定義定義一個(gè)新的瞬時(shí)無(wú)功矢量一個(gè)新的瞬時(shí)無(wú)功矢量 ，并定義其模長(zhǎng)為瞬，并定義其模長(zhǎng)為瞬時(shí)無(wú)功時(shí)無(wú)功 ： 上述定義同樣適用于上述定義同樣適用于（,0）、（d,q,0）坐標(biāo)系，具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。，具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。TTuiiuiuqiuqq2121qq 4. 由此可以定義瞬時(shí)有功電流矢量 、瞬時(shí)無(wú)功電流矢量 :pi

30、qiuuuqiiiiuuupiiiiTcqbqaqqTcpbpapp 5. 瞬時(shí)視在功率 和瞬時(shí)功率因數(shù) 如下 ：s222222cbacbaiiiuuuiuuissp9.3.2.3 通用瞬時(shí)功率理論的要點(diǎn)通用瞬時(shí)功率理論的要點(diǎn)采用電壓、電流空間矢量的內(nèi)積與叉積采用電壓、電流空間矢量的內(nèi)積與叉積來(lái)定義瞬時(shí)有功和無(wú)功功率。來(lái)定義瞬時(shí)有功和無(wú)功功率。具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。二、通用瞬時(shí)功率理論二、通用瞬時(shí)功率理論9.3.2.4 通用瞬時(shí)功率理論的優(yōu)點(diǎn)通用瞬時(shí)功率理論的優(yōu)點(diǎn) 這一新的通用瞬時(shí)功率理論完全不依賴于坐標(biāo)系，即不僅適用于三相坐標(biāo)系，而且適用于（,0

31、）靜止坐標(biāo)系或（d,q,0）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。具有較強(qiáng)的一般性和明確的物理意義。9.3.2.5 功率定義具有的性質(zhì)功率定義具有的性質(zhì)1、傳統(tǒng)功率理論的性質(zhì)得到了保持，例如仍有qqppqpiiiiuqpiqpsiii,2222222222其中9.3.2.5 功率定義具有的性質(zhì)功率定義具有的性質(zhì) 2、 即三相電流空間矢量 總可以分解為瞬時(shí)有功電流矢量 和瞬時(shí)無(wú)功電流矢量 ；piqiiqpiii9.3.2.5 功率定義具有的性質(zhì)功率定義具有的性質(zhì) 3、 即 平行于 ，而 垂直于 ；piuqi0, 0pqiuiuu9.3.2.5 功率定義具有的性質(zhì)功率定義具有的性質(zhì) 4、當(dāng)

32、 時(shí)，傳送同樣的有功功率所需電流 （ 的模）最小，這時(shí) ，功率因數(shù)達(dá)到最大。0qii1i9.3.2.6 瞬時(shí)無(wú)功功率的物理意義瞬時(shí)無(wú)功功率的物理意義 瞬時(shí)無(wú)功功率 不再是個(gè)虛擬量，而是有其明確的物理意義，是指在三相之間流動(dòng)、傳送的功率，三相無(wú)功的瞬時(shí)值之和為零；瞬時(shí)有功電流 是傳輸瞬時(shí)有功所必需的而不對(duì)無(wú)功做貢獻(xiàn)，同樣瞬時(shí)無(wú)功電流 不會(huì)從電源到負(fù)荷傳送瞬時(shí)有功，但是其存在會(huì)增大三相電流的幅值，從而增加線路損耗。qpiqi 在設(shè)計(jì)電力電子數(shù)字控制電路中經(jīng)常采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)數(shù)字控制系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)要求，一般將整個(gè)數(shù)字控制部分分成電機(jī)控制專用DSP芯片、程序存儲(chǔ)器EPROM、PWM控制軟件部

33、分、PWM驅(qū)動(dòng)及隔離部分、電壓/電流互感器及其整形電路、控制電源部分、模擬保護(hù)電路部分、以及外圍部分（如通信、報(bào)警、顯示等）等幾個(gè)大的電路模塊。在數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用美國(guó)TI公司的TMS320F240或ADI公司的ADMC401 16位定點(diǎn)電機(jī)控制專用DSP作為主控CPU芯片，從而大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)硬件電路的軟件化，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活、可靠。 具體的電力電子系統(tǒng)數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-8所示。 圖3-8 電力電子數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu) 控制電源需要給數(shù)字控制系統(tǒng)提供多種電源電壓?？刂齐娫茨K采用24V輸出的AC/DC模塊，其后轉(zhuǎn)接24V/15V、24V/5V、24V/5V等多種DC

34、/DC模塊，以滿足電力電子數(shù)字控制的電源需要。 總之，在現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中采用電機(jī)控制專用DSP芯片技術(shù)之后，使得電力電子數(shù)字控制電路的結(jié)構(gòu)顯得簡(jiǎn)單明了，一方面可以保證控制電路的可靠性與一致性，另一方面有利于產(chǎn)品化、系列化后的技術(shù)保密性。 隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微控制器（MCU，國(guó)內(nèi)又普遍稱之為單片機(jī)）更廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、軍事、工業(yè)、通信、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量均大幅度提高，而且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、故障率低、可靠性高且成本低廉。 從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，F(xiàn)lash技術(shù)、在線可編程、低功耗及大規(guī)模集成是今后微控制器的發(fā)展方向。 美國(guó)ATMEL公司是全

35、球著名的高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器和數(shù)字集成電路的一流半導(dǎo)體制造公司。ATMEL公司最引人注目的是它的EEPROM電可擦除技術(shù)、快閃存儲(chǔ)器技術(shù)和高質(zhì)量、高可靠性的CMOS器件生產(chǎn)技術(shù)。 這些技術(shù)用于微控制器生產(chǎn)，使得微控制器具有了優(yōu)良的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)及性能等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。 20世紀(jì)90年代初，ATMEL公司利用其Flash技術(shù)優(yōu)勢(shì)，率先推出了把MCS-51內(nèi)核與Flash技術(shù)相結(jié)合的AT89系列微控制器，在全球電子業(yè)內(nèi)引起了巨大的反響，在中國(guó)也受到了眾多用戶的喜愛。 至今，ATMEL在MCS-51市場(chǎng)上仍占據(jù)主要份額。繼AT89系列之后，ATMEL公司又向全球推出了全新配置的精簡(jiǎn)指令集

36、（RISC）微控制器（ADVANCE RISC簡(jiǎn)稱AVR）。AVR微控制器是在8位微控制器中第一種真正意義上的RISC微控制器。 之后幾年，AVR微控制器逐步形成系列產(chǎn)品，其ATtiny、AT90與ATmega子系列分別對(duì)應(yīng)為低、中及高檔產(chǎn)品。與此同時(shí)，ATMEL公司和ADI公司也分別推出了與8051兼容的高集成度的AT89S8252和ADuC812 CISC指令集微控制器。 表9-1為AT90S8535、AT89S8252及ADuC812三種微控制器的性能對(duì)比。表表9-19-1 AT90S8535AT90S8535、AT89S8252AT89S8252及及ADuC812ADuC812性能對(duì)比

37、性能對(duì)比性性 能能AT90S8535AT89S8252ADuC812體系結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)指令集RISCCISCCISCSPI串行在線編程片內(nèi)程序存儲(chǔ)器8K Bytes Flash8K Bytes Flash8K Bytes Flash片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器512 Bytes RAM256 Bytes RAM256 Bytes RAMFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器512 Bytes Flash2K Bytes Flash640 Bytes Flash可編程存儲(chǔ)器鎖表表9-19-1 AT90S8535AT90S8535、AT89S8252AT89S8252及及ADuC812ADuC812性能對(duì)比

38、性能對(duì)比( (續(xù)續(xù)) )性性 能能AT90S8535AT89S8252ADuC812A/D轉(zhuǎn)換器810-bit ADC812-bit ADCD/A轉(zhuǎn)換器212-bit DACPWM210-bit PWM片內(nèi)看門狗定時(shí)器工作（累加）寄存器328-bit18-bit18-bit表表3-13-1 AT90S8535AT90S8535、AT89S8252AT89S8252及及ADuC812ADuC812性能對(duì)比性能對(duì)比( (續(xù)續(xù)) )性性 能能AT90S8535AT89S8252ADuC812上電復(fù)位電路掉電標(biāo)志與8051指令兼容性低功耗設(shè)計(jì)片內(nèi)模擬比較器閑置與休眠模式串行通信口SPI、UARTSPI

39、、UARTSPI/I2C、UART封裝形式PDIP、PLCC、TQFPPDIP、PLCC、TQFPPQFP 高速嵌入式AVR系列微控制器所具有的獨(dú)特性能，得到國(guó)內(nèi)外科技界和工業(yè)界的認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用到高科技含量的產(chǎn)品中。特別是，AVR微控制器的有些器件硬件設(shè)計(jì)與MCS-51系列引腳兼容，只有復(fù)位電平要求不同：MCS-51是高電平復(fù)位，而AVR是低電平復(fù)位。因而，原有的MCS-51微控制器的硬件電路很容易用AVR微控制器所取代，同時(shí)可以增加許多新功能。 表9-2為MCS-51微控制器與AVR微控制器的替換表。 表表9-2 MCS-519-2 MCS-51微控制器與微控制器與AVRAVR微控制器的替

40、換表微控制器的替換表 MCS-51微控制器AVR微控制器程序存儲(chǔ)器/KB89C1051AT90S1200189C2051AT90S231328751/89C51AT90S441448752/89C52AT90S851588XC504/8XC524ATmega16116 以下主要簡(jiǎn)單介紹以下主要簡(jiǎn)單介紹ATMELATMEL公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的AVRAVR微控制器的特微控制器的特點(diǎn)及其開發(fā)工具。點(diǎn)及其開發(fā)工具。 ATMELATMEL公司的公司的AVRAVR系列微控制器的主要特點(diǎn)有：系列微控制器的主要特點(diǎn)有： 可靠保證可靠保證FlashFlash程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器10001000次電擦寫；次電擦寫

41、； 內(nèi)部含有較大容量、可靠保證內(nèi)部含有較大容量、可靠保證1010萬(wàn)次電可擦寫的數(shù)萬(wàn)次電可擦寫的數(shù)據(jù)據(jù)EEPROMEEPROM存儲(chǔ)器：非常適宜于存儲(chǔ)參數(shù)，也可以通過(guò)串存儲(chǔ)器：非常適宜于存儲(chǔ)參數(shù)，也可以通過(guò)串行口在線修改參數(shù)，同時(shí)對(duì)掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來(lái)方便，行口在線修改參數(shù)，同時(shí)對(duì)掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來(lái)方便，來(lái)電后能記住掉電時(shí)的工作狀態(tài)；來(lái)電后能記住掉電時(shí)的工作狀態(tài)； 易于組成最小系統(tǒng)：易于組成最小系統(tǒng)： AVRAVR微控制器只需外加晶振和微控制器只需外加晶振和電源電壓監(jiān)測(cè)芯片（如電源電壓監(jiān)測(cè)芯片（如MAX706MAX706等）即可構(gòu)成最小控制系統(tǒng)；等）即可構(gòu)成最小控制系統(tǒng)； 執(zhí)行速度高，指令效率高

42、：執(zhí)行速度高，指令效率高：AVRAVR系列微控制器采用哈系列微控制器采用哈佛結(jié)構(gòu)體系，具有預(yù)取指令功能，對(duì)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分別佛結(jié)構(gòu)體系，具有預(yù)取指令功能，對(duì)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分別采用不同的存儲(chǔ)器和總線，這使得一條指令可以在每一個(gè)采用不同的存儲(chǔ)器和總線，這使得一條指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被執(zhí)行完；時(shí)鐘周期內(nèi)被執(zhí)行完； 低電壓，低功耗，高驅(qū)動(dòng)：工作電壓范圍寬（低電壓，低功耗，高驅(qū)動(dòng)：工作電壓范圍寬（2.72.76.0V6.0V），電源抗干擾性能強(qiáng)，由于采用），電源抗干擾性能強(qiáng)，由于采用CMOSCMOS工藝技術(shù)，其工藝技術(shù)，其典型耗電為典型耗電為1 12.5mA2.5mA之間，而在休眠（之間，而在休眠

43、（SleepSleep）期間耗電可）期間耗電可低達(dá)級(jí)，同時(shí)具有大電流（低達(dá)級(jí)，同時(shí)具有大電流（101020mA20mA）的）的I/OI/O驅(qū)動(dòng)能力，可驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)SSRSSR或繼電器；或繼電器； 程序加密性好：具有多重密碼保護(hù)鎖死（程序加密性好：具有多重密碼保護(hù)鎖死（LOCKLOCK）功）功能；能； 簡(jiǎn)便易學(xué)，開發(fā)工具價(jià)廉物美；簡(jiǎn)便易學(xué)，開發(fā)工具價(jià)廉物美； 可擴(kuò)展性強(qiáng)，可為用戶定制專用芯片；可擴(kuò)展性強(qiáng)，可為用戶定制專用芯片； 最重要的是：最重要的是：AVRAVR系列微控制器物美價(jià)廉，雅俗共系列微控制器物美價(jià)廉，雅俗共賞，生命力長(zhǎng)久。賞，生命力長(zhǎng)久。 AVRAVR系列微控制器具有

44、多種開發(fā)工具，這里只簡(jiǎn)單介系列微控制器具有多種開發(fā)工具，這里只簡(jiǎn)單介紹美國(guó)原裝紹美國(guó)原裝AVRAVR實(shí)時(shí)在線仿真器實(shí)時(shí)在線仿真器ICE200ICE200。 ICE200 ICE200采用采用AVRAVR專用仿真專用仿真CPUCPU與監(jiān)控與監(jiān)控CPUCPU獨(dú)立設(shè)計(jì)的方案，獨(dú)立設(shè)計(jì)的方案，充分提供各種調(diào)試手段，真實(shí)再現(xiàn)被仿充分提供各種調(diào)試手段，真實(shí)再現(xiàn)被仿AVRAVR的各種特性。它的各種特性。它可仿真可仿真AVRAVR的器件有：的器件有：ATtiny10/11/12ATtiny10/11/12（V/LV/L）、）、AT90S1200/2313AT90S1200/2313、AT90AT90（L L）

45、S2333/4433S2333/4433、AT90S4414/8515AT90S4414/8515、AT90AT90（L L）S4434/8535S4434/8535。它不支持。它不支持ATmegaATmega子系列微控制器。子系列微控制器。由于仿真器的電源不對(duì)外開放，所以由于仿真器的電源不對(duì)外開放，所以ICE200ICE200也支持低電壓器也支持低電壓器件。件。ICE200ICE200的仿真軟件最新版本為的仿真軟件最新版本為STUDIO 3.XSTUDIO 3.X，在支持以上，在支持以上1111種種AVRAVR以外，還可模擬其它以外，還可模擬其它AVRAVR器件的運(yùn)行，支持匯編語(yǔ)言器件的運(yùn)行

46、，支持匯編語(yǔ)言及及C C語(yǔ)言。其中匯編編譯器免費(fèi)提供，語(yǔ)言。其中匯編編譯器免費(fèi)提供，C C編譯器只提供編譯器只提供3030天免天免費(fèi)試用版費(fèi)試用版Icc AVR demoIcc AVR demo。該軟件及其升級(jí)版均可從互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)。該軟件及其升級(jí)版均可從互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站（站（）上免費(fèi)獲得。）上免費(fèi)獲得。9.6.19.6.1 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn) 9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器 9.6.19.6.1 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn) 數(shù)字信號(hào)處理器是實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的核心和標(biāo)志。自從第一個(gè)微處理器問(wèn)世以來(lái)，

47、處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的發(fā)展，而快速傅立葉變換等實(shí)用算法的提出促進(jìn)了專門實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的一類微處理器的分化和發(fā)展。 自1985年美國(guó)TI公司推出第一片數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C10以來(lái)，DSP發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，也形成了目前DSP產(chǎn)品的三個(gè)檔次： 第一階段是以TMS320C10/C2X為代表的16-bit定點(diǎn)DSP。目前這類DSP仍在廣泛使用，但代之以更先進(jìn)的ADSP21XX、TMS320C25/C5X/C2XX/C24X/C54X等型號(hào)。16-bit定點(diǎn)DSP的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍僅96分貝（dB），可以勝任大多數(shù)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍不大的數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用，如自動(dòng)控制、儀器儀表及消費(fèi)電子等場(chǎng)合

48、；9.6.19.6.1 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn) 第二階段推出了32-bit浮點(diǎn)DSP，目前代表產(chǎn)品有ADSP21020、TMS320C3X等型號(hào)。32-bit浮點(diǎn)DSP拓展了數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)到1536 dB。得益于VLSI技術(shù)，32-bit浮點(diǎn)DSP的處理性能等各項(xiàng)指標(biāo)都遠(yuǎn)好于定點(diǎn)DSP，它可以完成32-bit定點(diǎn)運(yùn)算，具備更大的存儲(chǔ)訪問(wèn)空間，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字信號(hào)處理、通信、語(yǔ)音處理、圖形/圖像處理、醫(yī)學(xué)電子及軍事等場(chǎng)合； 最近幾年推出了性能更高的第三代DSP，包括并行DSP和超高性能DSP，如ADSP2106X、TMS320C4X以及新近推出的TMS320C6

49、7X、ADSP21160等型號(hào)。DSP并行技術(shù)的主流是向片外/片間并行發(fā)展，因?yàn)檫@種并行可以不受限制地?cái)U(kuò)大并行規(guī)模。以TMS320C4X和ADSP2106X為代表的并行DSP無(wú)一例外地采用浮點(diǎn)格式，為用戶提供了設(shè)計(jì)大規(guī)模并行系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，它們都提供了6個(gè)通信（鏈路）口，并為共享總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的總線控制信號(hào)線，可以組成松耦合的分布式并行系統(tǒng)和緊耦合的總線共享式并行系統(tǒng)。因而廣泛應(yīng)用于高性能的數(shù)字信號(hào)處理、軍事如雷達(dá)和聲納信號(hào)處理、雷達(dá)成像、導(dǎo)彈制導(dǎo)、火控系統(tǒng)、全球定位GPS、目標(biāo)搜索跟蹤及宇宙飛船等尖端科技中。9.6.19.6.1 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)

50、 DSP除具備普通微處理器所強(qiáng)調(diào)的高速運(yùn)算和控制功能外，針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，在處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上做了很大的改動(dòng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： DSP普遍采用哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的指令執(zhí)行速度； DSP大多采用流水線技術(shù)，從而在不提高時(shí)鐘頻率的條件下減少了每條指令的執(zhí)行時(shí)間； 片內(nèi)有多條總線可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作； DSP大都配有獨(dú)立的乘法器和加法器，使得同一時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成相乘、累加兩個(gè)運(yùn)算，大大加快了FFT的蝶形運(yùn)算速度； 許多DSP帶有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片內(nèi)多總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)塊傳送速度大大提高； 配有中斷控制器和

51、定時(shí)控制器，可以方便地構(gòu)成一個(gè)小規(guī)模系統(tǒng)； 具有軟、硬件等待功能，能與各種存儲(chǔ)器接口。 9.6.19.6.1 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn) 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）與通用微處理器（MPU）、微控制器（MCU）是有區(qū)別的：DSP面向高性能、重復(fù)性、數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理；MPU大量應(yīng)用于計(jì)算機(jī)；MCU則適用于以控制為主的處理過(guò)程。而DSP本身具有以下功能，來(lái)支持其數(shù)字信號(hào)處理： 單指令周期的乘、加操作； 特殊的高速尋址方式，具有循環(huán)尋址、位反序?qū)ぶ饭δ埽?能在單指令周期內(nèi)完成多次存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的訪問(wèn)； 專門的指令流控制，具有無(wú)附加開銷的循環(huán)功能以及延遲跳轉(zhuǎn)（相當(dāng)于預(yù)

52、跳轉(zhuǎn)）指令； 專門的指令集，一個(gè)指令字同時(shí)控制片內(nèi)多個(gè)功能單元操作； 單片系統(tǒng)，有利于小型化設(shè)計(jì)； 低功耗設(shè)計(jì)，一般功耗為0.54W，采用低功耗技術(shù)的DSP只有0.1W，可用電池供電，適用于嵌入式系統(tǒng)。 9.6.19.6.1 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn) DSP技術(shù)仍在不斷發(fā)展，首先是集成度和性能呈加速增長(zhǎng)勢(shì)頭，更新?lián)Q代越來(lái)越快。對(duì)一般用戶而言，采用主流產(chǎn)品和兼容性有保證的型號(hào)很重要。 當(dāng)前DSP有兩個(gè)值得注意的發(fā)展趨勢(shì)： 一是采用低電壓（3.3V/2.5V）工作模式，可以大大減少系統(tǒng)的功耗，降低散熱要求； 二 是 采 用 越 來(lái) 越 密 集 的 封 裝 形 式 ， 從

53、DIPPGAPLCCQFPTQFPBGA，管腳間距越來(lái)越小，對(duì)電路板設(shè)計(jì)、制作及器件安裝的要求越來(lái)越高。9.6.19.6.1 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn) DSP另一大趨勢(shì)是單片集成化，即在一個(gè)芯片上集成了DSP內(nèi)核、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備、A/D及D/A模擬器件、PWM發(fā)生器等外圍部件，這類DSP降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度，提高了設(shè)計(jì)效率。電機(jī)控制專用DSP正是這類DSP芯片，它是專為電機(jī)控制乃至電力電子的PWM控制技術(shù)而推出的，集成了電機(jī)控制的外圍部件，使設(shè)計(jì)者只需外加較少的硬件設(shè)備，即可構(gòu)成電機(jī)控制的最小目標(biāo)控制系統(tǒng)，從而可以降低系統(tǒng)費(fèi)用和產(chǎn)品成本。9.6.19.6.1

54、 數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展和特點(diǎn) 9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器 9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器 1997年美國(guó)TI公司率先推出了用于電機(jī)控制的TMS320C24X數(shù)字信號(hào)處理器芯片，這一高度集成化的器件代表了微處理器及通用DSP處理器方案的重大突破，使易制造的交流電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)及調(diào)速控制成為可能。之后，TI公司將之發(fā)展成為系列產(chǎn)品，目前普遍采用的是具備Flash程序存儲(chǔ)器的TMS320F24X系列產(chǎn)品。與此同時(shí)，美國(guó)ADI公司推出了電機(jī)控制專用的ADMC331、ADMC401等數(shù)字信

55、號(hào)處理器芯片。TI和ADI公司最近分別推出TMS320F2812系列和ADSP21992系列DSP芯片，為電力電子技術(shù)和交流調(diào)速控制的進(jìn)一步發(fā)展提供了可靠的硬件保證。9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器 下面來(lái)比較分析一下TMS320F240和ADMC401兩種DSP芯片的性能指標(biāo)，最后比較TMS320F2812和ADSP21992這兩種最新的電機(jī)控制專用DSP芯片。 表3-3為TMS320F240和ADMC401芯片的性能指標(biāo)對(duì)照表。 表3-4為TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指標(biāo)對(duì)照表。9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理

56、器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器表9-3 TMS320F240和ADMC401芯片的性能指標(biāo)對(duì)照表 性能指標(biāo)性能指標(biāo)TMS320F240ADMC40116 bit定點(diǎn)DSP內(nèi)核TMS320C25ADSP2171單指令速度20MIPS26MIPS內(nèi)部程序存儲(chǔ)器16K16-bit2K24-bit內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM54416-bit1K16-bit時(shí)鐘模塊基于PLL基于PLLA/D轉(zhuǎn)換器1610-bit ADC812-bit ADCPWM1216-bit PWM616-bit PWM輔助PWM28-bit PWM9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器表9-3 TMS320

57、F240和ADMC401芯片的性能指標(biāo)對(duì)照表（續(xù)） 性能指標(biāo)性能指標(biāo)TMS320F240ADMC401可編程I/O2812編碼器接口事件定時(shí)/捕捉單元2看門狗定時(shí)器片內(nèi)串行口SCI，SPI2SPORT仿真形式邊界掃描仿真仿真頭仿真內(nèi)部上電復(fù)位工作電壓5.0V5.0V溫度范圍070或40854085封裝形式132-PQFP144-LQFP9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器表3-4 TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指標(biāo)對(duì)照表性能指標(biāo)性能指標(biāo)TMS320F2812ADSP2199216 bit定點(diǎn)DSP內(nèi)核TMS320C28XADSP219

58、X單指令速度150MIPS160MIPS內(nèi)部程序存儲(chǔ)器128K16-bit32K24-bit內(nèi)部數(shù)據(jù)RAML0/L1：24K16-bitM0/M1：21K16-bitH0：8K16-bit16K16-bit安全鎖128-bit時(shí)鐘模塊基于PLL基于PLLA/D轉(zhuǎn)換器1612-bit ADC814-bit ADCPWM 1216-bit PWM616-bit PWM輔助PWM216-bit PWM9.6.29.6.2 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器表3-4 TMS320F2812和ADSP21992芯片的性能指標(biāo)對(duì)照表（續(xù)）性能指標(biāo)性能指標(biāo)TMS320F2812ADSP21

59、992可編程I/O5616編碼器接口事件定時(shí)/捕捉單元22看門狗定時(shí)器片內(nèi)串行口SCI，SPI，UART，eCANSPORT，SPI，CAN仿真形式JTAG邊界掃描仿真JTAG邊界掃描仿真內(nèi)部上電復(fù)位工作電壓內(nèi)核1.8V，I/O 3.3V內(nèi)核2.5V，I/O 3.3V溫度范圍40125或408540115封裝形式176-LQFP，179-BGA176-LQFP9.7.19.7.1 可編程邏輯器件的發(fā)展可編程邏輯器件的發(fā)展9.7.29.7.2 CPLDCPLD器件的特點(diǎn)器件的特點(diǎn) 9.7.39.7.3 CPLDCPLD產(chǎn)品簡(jiǎn)介產(chǎn)品簡(jiǎn)介 9.7.19.7.1 可編程邏輯器件的發(fā)展可編程邏輯器件的發(fā)

60、展 當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，是數(shù)字集成電路（微處理器、存儲(chǔ)器以及標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路等）廣泛應(yīng)用的社會(huì)。信息高速公路、多媒體電腦、移動(dòng)電話系統(tǒng)、數(shù)字電視，各種自動(dòng)化設(shè)備以及我們平常的電子設(shè)計(jì)與制作都要用到數(shù)字集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來(lái)獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者更愿意自己設(shè)計(jì)專用的集成電路（ASIC）芯片，而且還希望設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在開發(fā)產(chǎn)品過(guò)程中，隨時(shí)就能設(shè)計(jì)出合格的ASIC芯片，并且能夠立即投入實(shí)際應(yīng)用中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPLD），其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）。9.7.1