【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(jī)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(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)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(shí)，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(gè)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(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由N個(gè)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(fù)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(hào)稱為載波。PWM逆變電路的工作原理是：由單片機(jī)產(chǎn)生的單相PWM控制脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(fù)載。改變調(diào)制信號(hào)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(hào)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(shí)在正弦波的半周期內(nèi)每相只有一個(gè)開關(guān)器件開通或關(guān)斷，雙極式控制時(shí)逆變器同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件交替通斷，處于互補(bǔ)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(dāng)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?fù)鋱D，a相橋臂的上管和下管編號(hào)為1和2；b相橋臂的上管和下管編號(hào)為3和4；c相橋臂的上管和下管編號(hào)為5和6。其基本工作方式也是180176。導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180176。，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)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(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。 不可控整流+Boost+逆變方案最典型的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓?fù)湟话銥椋猴L(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，將風(fēng)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(duì)系統(tǒng)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤、最大效率利用風(fēng)能。 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D410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(chǔ)能電感，可以減小輸入電流文波，防止電網(wǎng)對(duì)主電路的高頻瞬態(tài)沖擊，對(duì)整流器呈現(xiàn)電流源負(fù)載特性；其輸出側(cè)有濾波電容，可以減小輸出電壓文波，對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。利用Boost電路在斬波的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目標(biāo)，包括如下兩個(gè)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(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，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(diǎn):①控制電路簡(jiǎn)單可靠；②無最大、最小速度限制，調(diào)速范圍寬；③發(fā)電機(jī)不承受高的，電磁兼容性好；④對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)不敏感。但是同樣也存在一定的缺點(diǎn):①三級(jí)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(jià)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(jìn)入了核心設(shè)計(jì)部分，在本章中，主要對(duì)系統(tǒng)的整體框架做了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)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(xì)的分析介紹。第五章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 引言本文主要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路以及部分控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在上一章中已經(jīng)對(duì)此系統(tǒng)的主電路做了初步設(shè)計(jì)，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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(cè)、電壓檢測(cè)、逆變部分的控制進(jìn)行論述，并采用DSP芯片對(duì)各部分進(jìn)行數(shù)據(jù)接收分析和控制。 DSP控制器的發(fā)展與特點(diǎn)隨著1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生，一場(chǎng)數(shù)字化的技術(shù)革命悄然地引發(fā)。如果說當(dāng)初計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)純粹是為了解決日益復(fù)雜的計(jì)算問題，那么現(xiàn)在計(jì)算機(jī)已無處不在。自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)幾乎是同步地發(fā)展著。自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心問題是如何尋找和實(shí)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(shí)現(xiàn)問題就變?yōu)榱俗罴芽刂坡傻倪\(yùn)算(代數(shù)、微分、積分等運(yùn)算)問題，從而計(jì)算機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分就是自然之事。計(jì)算機(jī)真正在自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用還是緣起20世紀(jì)70年代微處理器(Microprocessor)的出現(xiàn)，它使得計(jì)算機(jī)在體積、價(jià)格上得以突破，為計(jì)算機(jī)在各種技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能。微處理器即計(jì)算機(jī)的中央處理單元(CPU)和控制單元的集成，它配上一定的存儲(chǔ)器、I/0接口和其他外設(shè)，就可構(gòu)成自動(dòng)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(jìn)，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(jī)或微型機(jī)(也稱為個(gè)人計(jì)算機(jī)，Personal Computer),使得計(jì)算機(jī)不但在計(jì)算、控制中應(yīng)用，而且使得計(jì)算機(jī)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(jī)(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(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用又得到了一次突破。單片機(jī)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。另外，它可以方便地組成各種智能式控制設(shè)備，做到機(jī)電一體化:也可以方便地實(shí)現(xiàn)多級(jí)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機(jī)有許多類型，有低擋的1位、4位和8位單片機(jī)，也有高檔的8位、16位單片機(jī)。DSP(Digital Signal Processor)實(shí)際上也是一種單片機(jī)，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(duì)數(shù)字信號(hào)處理，特別是語音、圖像信號(hào)的各種處理而開發(fā)的。由于這類信號(hào)處理的算法復(fù)雜，要求DSP必須具有強(qiáng)大快速的運(yùn)算能力。因此DSP有別于普通的單片機(jī)，它作為一種高速專用微處理器，運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)。它專門處理以運(yùn)算為主且不允許延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)，可高速進(jìn)行快速傅里葉變換運(yùn)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(hào)處理器的精度高，可靠性好，其先進(jìn)的品質(zhì)與性能可為電機(jī)控制提供高效可靠的平臺(tái)。數(shù)字信號(hào)處理器保持了微處理器自成系統(tǒng)的特點(diǎn)，又具有優(yōu)于通用微處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力。數(shù)字信號(hào)處理器為完成信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相隔離，雙獨(dú)立總線，在確保運(yùn)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(shí)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(hào)處理器中專門設(shè)置了乘法累加器結(jié)構(gòu)，從硬件上實(shí)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(yùn)算，這是數(shù)字信號(hào)處理器區(qū)別于其他通用微處理器的主要特征，也是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的必要部件。DSP芯片主要特點(diǎn)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(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)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(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址、依靠指令計(jì)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(chǔ)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(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間中，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高運(yùn)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(jìn)，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性。二是指令存儲(chǔ)在高速緩沖器中，當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，不需要再從存儲(chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。 b)流水技術(shù)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)，總要經(jīng)過取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行運(yùn)算等步驟，需要若干個(gè)指令周期才能完成。流水技術(shù)是將各指令的各個(gè)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(shí)，第二條指令取指。第一條指令取數(shù)時(shí)，第二條指令譯碼，第三條指令取指?！来晤愅疲瑢?shí)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(gè)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(gè)指令周期內(nèi)完成。DSP處理器所采用的將程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)處理)芯片出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)字信號(hào)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(yùn)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?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置和程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和DMA的訪問及程序的單部運(yùn)行和跟蹤等，并且可以采用高級(jí)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(shí)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(dòng)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(yùn)算:DSP中都設(shè)置了硬件乘法器，乘和累加可以在單個(gè)指令周期內(nèi)完成，使得DSP非常適合于數(shù)字信號(hào)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(hào)處理的特殊要求，當(dāng)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(dú)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(jì)與調(diào)試，許多DSP在片上設(shè)置了JTAG仿真接口和高級(jí)語言編譯器；以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和高速實(shí)時(shí)處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足各個(gè)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(shí)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(chǔ)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(jī)接口、DMA、定時(shí)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(zhǔn)、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(diǎn): （1）一個(gè)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(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線同時(shí)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(gè)硬件地址產(chǎn)生器；（7）可以并行執(zhí)行多個(gè)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(diǎn)，數(shù)字信號(hào)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(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理及控制、觀測(cè)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(chǎng)的5096。1997年TI公司推出了用于電機(jī)控制的TMS320C24x數(shù)字信號(hào)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(diǎn)，而且比原來具有更高的性能。 TMS320LF2812A芯片簡(jiǎn)介TMS320LF2812是新一代C2000定點(diǎn)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(diǎn)，是目前新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首選。TMS320LF2812A評(píng)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(biāo)開發(fā)板。它的主要特點(diǎn)為：（1）主處理芯片:TMS320F2812，運(yùn)行速度為150M；（2）工作速度可達(dá)150MIP；（3）片上RAM 18*16bit；（4）片上擴(kuò)展RAM存儲(chǔ)空間64K*