【正文】 波形。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖：把一個正弦半波N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。脈沖波形的寬度可以通過一系列算法得到，作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù)。人們引用通訊技術(shù)中“調(diào)制”這一概念，以所期望的波形作為調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號稱為載波。PWM逆變電路的工作原理是：由單片機產(chǎn)生的單相PWM控制脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路后，控制開關(guān)V1～V4的通斷，經(jīng)直流電壓逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟妷禾峁┙o負載。改變調(diào)制信號的周期與幅值，就可以改變主開關(guān)的輸出脈沖周期與占空比。 a) 正弦波 b) 等效的SPWM波形 SPWM由兩種控制方式，可以是單極式，也可以雙極式。兩種控制方式調(diào)制方法相同，輸出基本電壓的大小和頻率也都通過改變正弦參考信號的幅值和頻率而改變的，只是功率開關(guān)器件的通斷情況不一樣。采用單極式控制時在正弦波的半周期內(nèi)每相只有一個開關(guān)器件開通或關(guān)斷，雙極式控制時逆變器同一橋臂上下兩個開關(guān)器件交替通斷，處于互補的工作方式。 a) 單極性控制方式 b) 雙極性控制方式 單極性和雙極性PWM控制方式波形 電壓源型PWM逆變方案電壓源型PWM你便方案是當前主要應(yīng)用的逆變方案，采用的結(jié)構(gòu)為三相全橋，開關(guān)器件為全控型開關(guān)器件，如IGBT、MOSFET等。 PWM逆變器拓撲圖，a相橋臂的上管和下管編號為1和2；b相橋臂的上管和下管編號為3和4；c相橋臂的上管和下管編號為5和6。其基本工作方式也是180176。導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180176。，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120176。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。 不可控整流+Boost+逆變方案最典型的直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓撲一般為：風力機與永磁同步發(fā)電機直接連接，將風能轉(zhuǎn)換為頻率變化。幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過Boost電壓升壓后，再經(jīng)過三相逆變器變換為三相恒幅交流電連接到電網(wǎng)。通過中間電力電子變換環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤、最大效率利用風能。 直驅(qū)型風力發(fā)電機系統(tǒng)拓撲圖410中的DCDC變流器為Boost電路。Boost主電路一般由不可控整流電路、電感、開關(guān)管和濾波電容組件。其輸入側(cè)有儲能電感，可以減小輸入電流文波，防止電網(wǎng)對主電路的高頻瞬態(tài)沖擊，對整流器呈現(xiàn)電流源負載特性；其輸出側(cè)有濾波電容，可以減小輸出電壓文波，對負載呈現(xiàn)電壓源特性。利用Boost電路在斬波的同時，還實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目標，包括如下兩個方面：控制電感電流，使輸入電流正弦化，保證其功率因數(shù)接近于1，并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位。當風速變化時，不可控整流得到的電壓也在變化，而通過DCDC變流器的調(diào)節(jié)可以保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，使輸出電壓保持恒定。不可控整流+Boost+逆變并網(wǎng)系統(tǒng)方案的優(yōu)點:①控制電路簡單可靠；②無最大、最小速度限制，調(diào)速范圍寬；③發(fā)電機不承受高的，電磁兼容性好；④對電網(wǎng)波動不敏感。但是同樣也存在一定的缺點:①三級變換(整流、升壓、逆變)使系統(tǒng)效率下降2%3%；②直流環(huán)節(jié)需要高壓、大容量的電容，其體積大、價格高；③網(wǎng)側(cè)電感容量較大。 本章小結(jié)從本章開始，本文已進入了核心設(shè)計部分，在本章中，主要對系統(tǒng)的整體框架做了簡要介紹，并對主電路部分中的不可控整流電路、Boost斬波電路和PWM逆變電路做了比較詳細的分析介紹。第五章 風力發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計 引言本文主要針對風力發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路以及部分控制電路進行設(shè)計，在上一章中已經(jīng)對此系統(tǒng)的主電路做了初步設(shè)計，主要采用不可控整流+Boost+逆變方案。本章則主要是從控制電路方面進行設(shè)計，但由于本系統(tǒng)較大，涉及的方面較多，因此本章主要就電流檢測、電壓檢測、逆變部分的控制進行論述，并采用DSP芯片對各部分進行數(shù)據(jù)接收分析和控制。 DSP控制器的發(fā)展與特點隨著1946年第一臺電子計算機的誕生，一場數(shù)字化的技術(shù)革命悄然地引發(fā)。如果說當初計算機的出現(xiàn)純粹是為了解決日益復(fù)雜的計算問題，那么現(xiàn)在計算機已無處不在。自動控制與計算機幾乎是同步地發(fā)展著。自動控制系統(tǒng)的核心問題是如何尋找和實現(xiàn)最佳的控制律。在A/D, D/A以及I/0技術(shù)出現(xiàn)并成熟之后，最佳控制律的實現(xiàn)問題就變?yōu)榱俗罴芽刂坡傻倪\算(代數(shù)、微分、積分等運算)問題，從而計算機作為自動控制系統(tǒng)的核心部分就是自然之事。計算機真正在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用還是緣起20世紀70年代微處理器(Microprocessor)的出現(xiàn)，它使得計算機在體積、價格上得以突破，為計算機在各種技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能。微處理器即計算機的中央處理單元(CPU)和控制單元的集成，它配上一定的存儲器、I/0接口和其他外設(shè)，就可構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的通用控制器。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)不斷改進，一方面微處理器由8位向16位、32位甚至64位發(fā)展，再配上外圍設(shè)備后便形成單板機或微型機(也稱為個人計算機，Personal Computer),使得計算機不但在計算、控制中應(yīng)用，而且使得計算機逐漸走入了家庭。另一方面將微處理器與外圍設(shè)備集成到一塊芯片形成單片機(Single chip Microputer)，以適用控制器體積越來越小的工程要求。正是由于單片機的出現(xiàn)，計算機在控制領(lǐng)域的應(yīng)用又得到了一次突破。單片機不但小巧、成本低，而且由于眾多的設(shè)備集成到了一塊芯片上帶來了功耗小和抗干擾能力強的優(yōu)點。另外，它可以方便地組成各種智能式控制設(shè)備，做到機電一體化:也可以方便地實現(xiàn)多級和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機有許多類型，有低擋的1位、4位和8位單片機，也有高檔的8位、16位單片機。DSP(Digital Signal Processor)實際上也是一種單片機，它同樣是將中央處理單元、控制單元和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上。DSP最早是針對數(shù)字信號處理，特別是語音、圖像信號的各種處理而開發(fā)的。由于這類信號處理的算法復(fù)雜，要求DSP必須具有強大快速的運算能力。因此DSP有別于普通的單片機，它作為一種高速專用微處理器，運算功能強大，能實現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)。它專門處理以運算為主且不允許延遲的實時信號，可高速進行快速傅里葉變換運算。它包含靈活可變的I/0接口和片內(nèi)I/O管理、高速并行數(shù)據(jù)處理、算法的優(yōu)化指令集。數(shù)字信號處理器的精度高，可靠性好，其先進的品質(zhì)與性能可為電機控制提供高效可靠的平臺。數(shù)字信號處理器保持了微處理器自成系統(tǒng)的特點，又具有優(yōu)于通用微處理器對數(shù)字信號處理的運算能力。數(shù)字信號處理器為完成信號的實時處理，采用了改進的哈佛結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)據(jù)存儲器相隔離，雙獨立總線，在確保運算速度的前提下，還提供程序總線和數(shù)據(jù)總線之間的總線數(shù)據(jù)交換器，以間接實現(xiàn)馮諾依曼結(jié)構(gòu)的一些功能，提高系統(tǒng)靈活性。數(shù)字信號處理器中專門設(shè)置了乘法累加器結(jié)構(gòu)，從硬件上實現(xiàn)了乘法器和累加器的并行工作，可在單指令周期內(nèi)完成一次乘法并將乘積求和的運算，這是數(shù)字信號處理器區(qū)別于其他通用微處理器的主要特征，也是實現(xiàn)實時數(shù)字信號處理的必要部件。DSP芯片主要特點如下: a)采用哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮一諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。而馮一諾依曼結(jié)構(gòu)則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址、依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲器，數(shù)據(jù)吞吐率低。在哈佛結(jié)構(gòu)中，由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的空間中，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運行。為了進一步提高運行速度和靈活性，TMS320DSP芯片在基本哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了改進，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)指令直接使用，增強了芯片的靈活性。二是指令存儲在高速緩沖器中，當執(zhí)行指令時，不需要再從存儲器中讀取指令，節(jié)約了一個指令周期的時間。 b)流水技術(shù)計算機執(zhí)行一條指令時，總要經(jīng)過取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行運算等步驟，需要若干個指令周期才能完成。流水技術(shù)是將各指令的各個步驟重疊起來執(zhí)行，而不是一條指令執(zhí)行完成之后，才開始執(zhí)行下一條指令。即第一條指令譯碼時，第二條指令取指。第一條指令取數(shù)時，第二條指令譯碼，第三條指令取指?！来晤愅?，實用流水技術(shù)后，盡管每一條指令的執(zhí)行仍然要經(jīng)過這些步驟，需要同樣的指令數(shù)，但將一個指令段綜合起來看，其中的每一條指令的執(zhí)行就都是一個指令周期內(nèi)完成。DSP處理器所采用的將程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間的地址和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)，為采用流水技術(shù)提供了很大的方便。隨著80年代DSP(數(shù)字信號處理)芯片出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)的得到了巨大的提高，許多新系統(tǒng)、新算法應(yīng)運而生，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。和早期的DSP芯片相比，現(xiàn)在的DSP芯片在成本、體積、工作電壓、重量和功耗都有了很大程度的下降，而且軟件和硬件開發(fā)工具不斷完善。某些芯片己經(jīng)具有相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境，它支持斷點的設(shè)置和程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和DMA的訪問及程序的單部運行和跟蹤等，并且可以采用高級語言編程，有些廠家甚至提供了通用的函數(shù)庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應(yīng)用軟件開發(fā)更為方便，開發(fā)時間大大縮短，提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。目前，DSP芯片已廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。其廣泛應(yīng)用的原因還有:a)快速的乘累加運算:DSP中都設(shè)置了硬件乘法器，乘和累加可以在單個指令周期內(nèi)完成，使得DSP非常適合于數(shù)字信號處理；b)循環(huán)尋址和位倒序技術(shù):為了滿足FFT、卷積等數(shù)字信號處理的特殊要求，當前的DSP大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址和位倒序指令；c)高速數(shù)據(jù)傳輸能力:新型的DSP大多設(shè)置了單獨的DMA總線及其控制器，在不影響或基本不影響DSP處理速度的情況下，作并行的數(shù)據(jù)傳送，這為DSP之間的串聯(lián)和并聯(lián)提供了方便；d)良好的仿真開發(fā)技術(shù)為了方便用戶的設(shè)計與調(diào)試，許多DSP在片上設(shè)置了JTAG仿真接口和高級語言編譯器；以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足各個領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)手段在不斷完善。同時各DSP生產(chǎn)廠家相繼把DSP核(Core)的概念應(yīng)用于DSP領(lǐng)域，即DSP生產(chǎn)商把DSP核和客戶要求的存儲器(包括Cache,RAM, ROM,Flash. EPROM等以及固化的用戶軟件)、外設(shè)(包括串行口、并行口、主機接口、DMA、定時器)和控制邏輯電路組成用戶專用的DSP，從而提高ASIC的應(yīng)用水準、增加產(chǎn)品保密性、提高可靠性、降低成本、縮短開發(fā)周期。概括起來，DSP芯片一般具有以下主要特點: （1）一個指令周期內(nèi)能完成一次乘法和一次加法；（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；（3）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線同時訪問兩塊不同區(qū)域；（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；（5）快速的中斷處理和硬件支持；（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；（7）可以并行執(zhí)行多個操作；（8）支持流水線操作，使其指令、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行；由于具有以上特點，數(shù)字信號處理器在新能源數(shù)字控制領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理及控制、觀測算法。目前，DSP芯片的重要供應(yīng)商包括美國的德州儀器公司(TI) , AD公司和Motorola公司等。其中TI公司的DSP芯片約占世界DSP芯片市場的5096。1997年TI公司推出了用于電機控制的TMS320C24x數(shù)字信號處理芯片，這一高集成化的器件代表了傳統(tǒng)微處理器及通用DSP處理器方案的重大突破。特別是近年TI公司又推出了最高性能的TMS320F2812處理芯片，不僅兼容了原來TMS320C24x的優(yōu)點，而且比原來具有更高的性能。 TMS320LF2812A芯片簡介TMS320LF2812是新一代C2000定點處理器，和原有的產(chǎn)品相比它具有精度高(32bit)，速度更快(150M)。接口更豐富等許多突出特點，是目前新產(chǎn)品設(shè)計的首選。TMS320LF2812A評估板是基于TMS320F2812為主處理芯片，附加一些常用的外圍電路構(gòu)成的目標開發(fā)板。它的主要特點為：（1）主處理芯片:TMS320F2812，運行速度為150M；（2）工作速度可達150MIP；（3）片上RAM 18*16bit；（4）片上擴展RAM存儲空間64K*