專利名稱：一種電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生方法，該方法產(chǎn)生的信號主要用于電力系統(tǒng)的電力電子設備中，并為電力電子器件提供各種方波脈沖控制信號，屬于電力電子控制領域。
背景技術：
在最初的電力電子設備中，控制脈沖的發(fā)生大都是采用模擬方法實現(xiàn)，而這些模擬方法具有很多的缺點。首先，模擬電路中所用器件數(shù)量眾多，電路關系復雜，調(diào)試設計比較困難。這個設計上的困難也使得模擬方式的脈沖發(fā)生電路往往功能單一，應用范圍窄，靈活性差。其次，模擬脈沖發(fā)生電路中采用電位器、撥碼盤等器件實現(xiàn)電路工作狀況的調(diào)節(jié)，以及采用模擬電壓信號或模擬電流信進行脈沖發(fā)生的控制，這種調(diào)控方式既不直觀，又不簡便。再有，模擬器件容易受到噪聲和溫度等環(huán)境因素干擾，模擬方法實現(xiàn)脈沖發(fā)生的控制精度也比較低。最后，模擬控制系統(tǒng)的工作狀況不便于監(jiān)示，人機交互性差。
隨著單片機、DSP和CPU等微處理芯片的出現(xiàn)，為電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生提供了一種數(shù)字化的實現(xiàn)方法。這種方法在一定程度上解決了模擬方法的弊病，但同時又引入了新的問題。這是因為微處理芯片一般只能以單線程方式執(zhí)行程序，脈沖的計算和發(fā)送作為一部分程序需要占用指令執(zhí)行時間。而且電力電子應用中的控制脈沖往往又需要同步發(fā)生，這對微控制器處理這些任務的速度和優(yōu)先級安排提出了約束，使軟件設計和調(diào)試的難度增加。在電力電子的控制裝置中，對應多個電力電子器件需要提供多路各不相同的控制脈沖輸出，各路脈沖不僅在程序設計中要相互兼顧，還會占用一大部分的接口資源。
另一種解決思路是采用數(shù)字邏輯的方法實現(xiàn)電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生。尤其隨著可編程邏輯器件朝大規(guī)模和高集成方向的發(fā)展，使采用數(shù)字邏輯方法實現(xiàn)電力電子設備的控制脈沖發(fā)生的設計研究多了起來。在2000年12月第24卷23期的《電力系統(tǒng)自動化》中有一篇文章《基于FPGA的靜止補償器PWM脈沖發(fā)生器設計》，該文介紹了一種數(shù)字邏輯實現(xiàn)電力電子應用中脈寬調(diào)制脈沖的產(chǎn)生方法，附圖1給出了其原理框圖。依照圖1，該系統(tǒng)首先需要通過數(shù)據(jù)總線在存儲空間中設入脈寬參數(shù)，而后在同步信號控制下對時鐘信號進行計數(shù)，當計數(shù)值與當前脈寬參數(shù)相同時，就切換輸出脈沖的信號電平，而后計數(shù)清零并讀取下一個脈寬參數(shù)，這樣繼續(xù)運算下去，產(chǎn)生出設定脈寬的脈沖序列波形。此外，該系統(tǒng)的脈沖輸出邏輯還具有死區(qū)形成功能，該功能能夠實現(xiàn)兩個輸出信號的互鎖控制。
已有的這個采用數(shù)字邏輯實現(xiàn)的電力電子設備的控制脈沖發(fā)生電路規(guī)模較小，功能單一，只能產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖。該方法在實際應用中需要依靠外接微處理控制裝置計算出脈寬數(shù)據(jù)，然后填入其存儲空間，才能產(chǎn)生出控制脈沖信號，即必須配合其它微處理裝置才能工作，所以該方法沒有自行產(chǎn)生脈沖的能力，控制方式也比較復雜。再有，由于該系統(tǒng)采用的脈沖發(fā)生方法利用的是脈寬數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)不能夠反映脈沖的相位角度，所以該方法難以實現(xiàn)脈沖的同步輸出控制，工作可靠性低。此外，該脈沖發(fā)生方法也不具有顯示和監(jiān)控功能，不便于了解系統(tǒng)脈沖發(fā)生的工作狀況。在數(shù)據(jù)速度匹配上，只有微處理芯片計算脈寬數(shù)據(jù)的速度，以及數(shù)據(jù)填入存儲空間的速度大于脈沖發(fā)生的速度，這個脈沖方法才能正常工作。這種數(shù)據(jù)控制和傳輸方式不夠靈活，對微處理控制裝置的速度性能要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生方法，采用數(shù)字邏輯結構實現(xiàn)電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生，直接基于相位角度發(fā)出脈沖，從而易于實現(xiàn)脈沖的同步產(chǎn)生；該方法能夠實現(xiàn)針對不同電力電子應用的多種控制脈沖發(fā)生功能，能夠實現(xiàn)脈沖調(diào)制、最小脈寬控制和脈沖互鎖；該方法能夠提供靈活的控制方式，簡化控制過程；實現(xiàn)存儲空間的統(tǒng)一編址訪問，提高數(shù)據(jù)交換效率，降低速度的匹配要求。
本發(fā)明提出的電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生方法，包括以下各步驟1、對由前端信號處理部分輸入的同步信號進行同步處理，產(chǎn)生出相位標度數(shù)據(jù)，或者對由頻率合成得到的相位脈沖信號進行相位計數(shù)，獲得相位標度數(shù)據(jù)。
2、對由控制平臺輸入的控制信號進行轉換處理，得到控制脈沖發(fā)生的控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)交換邏輯的控制下存入存儲空間中，上述控制數(shù)據(jù)包括狀態(tài)控制數(shù)據(jù)和脈沖數(shù)據(jù)，脈沖數(shù)據(jù)中包含相位角度和對應于該相位角度的脈沖電平值。
3、按照數(shù)據(jù)交換邏輯，從存儲空間中讀取上述脈沖數(shù)據(jù)，將讀取的脈沖數(shù)據(jù)的相位角度和上述第1步得到的相位標度數(shù)據(jù)進行比較，依據(jù)該比較結果以及在狀態(tài)控制數(shù)據(jù)的控制下將讀取出的脈沖數(shù)據(jù)的脈沖電平值進行邏輯轉化，產(chǎn)生出原始脈沖信號。
4、對上述原始脈沖信號進行脈沖調(diào)理，得到最終的輸出脈沖信號。
本發(fā)明方法實現(xiàn)了基于相位角度的脈沖發(fā)生，易于實現(xiàn)同步控制功能；該方法結構還能夠實現(xiàn)多樣的電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生功能，能夠廣泛滿足實際應用的要求；該方法實現(xiàn)了存儲空間的統(tǒng)一管理，并采用數(shù)據(jù)交換邏輯控制數(shù)據(jù)的訪問，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，解決了速度匹配問題。


圖1是已有技術中的一種數(shù)字邏輯方法實現(xiàn)電力電子設備的控制脈沖發(fā)生的原理框圖。
圖2是本發(fā)明電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生方法的原理框圖。
圖3是本發(fā)明方法中相位控制部分的一個實施例的原理框圖。
圖4是本發(fā)明方法中脈沖發(fā)生部分的第一個實施例的原理框圖。
圖5是本發(fā)明方法中脈沖發(fā)生部分的第二個實施例的原理框圖。
圖6是本發(fā)明方法中脈沖發(fā)生部分的第三個實施例中脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)計算部分的原理框圖。
圖7是本發(fā)明方法中脈沖調(diào)理部分的一個實施例的原理框圖。
圖8是本發(fā)明方法中控制接口部分的第二個實施例的原理框圖。
圖9是本發(fā)明方法中存儲空間管理部分的一個實施例的原理框圖。
具體實施例方式本發(fā)明方法劃分了相位控制、脈沖發(fā)生、脈沖調(diào)理、控制接口、存儲空間管理和數(shù)據(jù)交換邏輯六個處理環(huán)節(jié)來實現(xiàn)電力電子設備的控制脈沖發(fā)生，圖2給出了本發(fā)明方法實施的原理框圖。如圖2所示，當采用由前端信號處理部分輸入的同步信號時，相位控制部分將對同步信號進行同步處理，并依此產(chǎn)生出相位標度數(shù)據(jù)。當不采用同步信號時，相位控制部分將利用其內(nèi)部的頻率合成功能產(chǎn)生出相位脈沖信號，然后對這個相位脈沖進行計數(shù)，獲得相位標度數(shù)據(jù)。然后，脈沖發(fā)生部分基于相位標度，并按照存儲空間中的狀態(tài)控制數(shù)據(jù)和脈沖數(shù)據(jù)，對脈沖電平進行邏輯運算，產(chǎn)生出原始脈沖信號。原始脈沖信號還要經(jīng)過脈沖調(diào)理部分，進行高頻調(diào)制、最小脈寬控制、互鎖輸出延時和輸出封鎖控制等處理，最后得到輸出脈沖。本系統(tǒng)的控制接口部分完成控制信號到控制數(shù)據(jù)的轉換，并且通過向數(shù)據(jù)交換邏輯部分申請數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對存儲空間的數(shù)據(jù)訪問。存儲空間管理部分對本發(fā)明系統(tǒng)的存儲空間進行統(tǒng)一編址和訪問管理。數(shù)據(jù)交換邏輯部分采用了申請響應控制邏輯和優(yōu)先級處理方法實現(xiàn)控制接口、存儲空間管理和脈沖發(fā)生這些部分之間的數(shù)據(jù)交換。
圖3是本發(fā)明相位控制部分的一個實施例的原理結構，該實施結構可以在鎖相選擇信號和聯(lián)機選擇信號的控制下實現(xiàn)三種工作方式，它們是鎖相同步工作方式、非鎖相自行工作方式和聯(lián)機同步工作方式。在鎖相同步工作方式下，鎖相選擇信號通過對選擇模塊的控制將使鑒相、環(huán)路濾波、頻率合成和分頻組成的鎖相環(huán)路閉合，輸入的同步信號被鎖相倍頻，從而得到相位脈沖信號。相位脈沖信號的頻率是被同步鎖相的基波頻率的N倍，其中N由鎖相環(huán)路中分頻部分的倍數(shù)決定。依據(jù)系統(tǒng)前端的信號處理對同步信號造成的相移設定出補償角度參數(shù)，該補償角度參數(shù)和基波信號一起控制著相位補償部分。相位補償部分對相位脈沖進行計數(shù)判斷，產(chǎn)生出移相的基波同步脈沖信號。在鎖相同步工作方式下，聯(lián)機選擇信號選通相位脈沖和基波同步脈沖信號進入信號調(diào)整部分，該部分的信號調(diào)整處理將使調(diào)整后的相位脈沖的間隔時間大于脈沖發(fā)生部分的運算判斷時間，同時還將保證每個基波同步信號的周期中有N個相位脈沖。調(diào)整后獲得的信號一方面將作為聯(lián)機同步信號輸出，另一方面它們還將輸入相位計數(shù)部分。調(diào)整后的基波同步脈沖信號將對相位計數(shù)運算清零，而調(diào)整后的相位脈沖將使相位計數(shù)部分從0到N-1計數(shù)。最后，相位計數(shù)的輸出結果就是本系統(tǒng)的相位標度。
如果在上述相位標度的產(chǎn)生過程中，鎖相選擇狀態(tài)信號選擇由頻率參數(shù)來控制頻率合成部分的工作，此時鎖相環(huán)路被斷開，頻率合成部分將自行產(chǎn)生出相位脈沖信號。這個時候的相位補償部分也不再受到補償角度和基波信號的控制影響，而是直接對輸入的相位脈沖進行計數(shù)，每計到N個相位脈沖就產(chǎn)生一個基波同步脈沖信號。最后基波同步信號和相位脈沖經(jīng)過信號調(diào)整和相位計數(shù)，得到相位標度，這樣就實現(xiàn)了相位控制部分的非鎖相自行工作方式。為了能夠實現(xiàn)脈沖輸出路數(shù)的擴展，本實例中還提供了第三種時鐘工作方式——聯(lián)機同步工作方式。在這種工作方式下，處于鎖相同步或非鎖相自行工作方式的主脈沖發(fā)生設備產(chǎn)生的聯(lián)機同步輸出信號可以作為本系統(tǒng)的聯(lián)機同步輸入信號，經(jīng)過聯(lián)機選擇狀態(tài)信號的選通后，聯(lián)機同步輸入信號只要進行信號調(diào)整和相位計數(shù)后，就產(chǎn)生出與主脈沖發(fā)生設備相同的相位標度數(shù)據(jù)。
脈沖發(fā)生部分的第一個實施例的原理框圖如圖4所示，該實施例用以在一個基波周期里產(chǎn)生單個脈沖信號。依據(jù)該方法，相位控制部分產(chǎn)生的原始相位標度首先與由觸發(fā)角度決定的起始相位參數(shù)相加，如果和小于N，則這個和直接作為移相標度值輸出，如果和大于等于N，則這個和減去N后再輸出作為移相標度。此后，移相標度分別輸入各路的脈沖發(fā)生運算部分。以P1路的脈沖發(fā)生運算為例，比較部分不斷將相移標度和由各路脈沖之間的相位關系確定的相位參數(shù)進行比較，當兩者數(shù)值一樣時，則比較部分輸出一個有效的初始脈沖信號。初始脈沖信號和強制觸發(fā)信號將在一組控制信號的管理下進行使能和強制邏輯運算，這組控制信號包括使能信號和強制信號。這個邏輯運算的規(guī)則為如果P1路的使能信號和強制信號都無效，則該邏輯部分沒有脈沖輸出；如果P1路使能信號有效，而且強制信號無效，則該邏輯部分輸出初始脈沖信號；如果P1路使能信號無效，而且強制信號有效，則該邏輯部分輸出強制觸發(fā)信號；如果P1路強制信號有效，而使能信號由無效變?yōu)橛行?，此時該邏輯部分必須先接受并輸出一個有效的強制觸發(fā)脈沖后，才正常輸出來自比較電路的初始脈沖信號，然后強制觸發(fā)輸入信號將不再起作用。從脈沖使能和強制邏輯部分輸出的是窄脈沖，隨后的脈寬調(diào)整部分將這個窄脈沖調(diào)整為脈寬參數(shù)所設置的寬度，最終輸出P1路的原始脈沖信號。
圖5給出了脈沖發(fā)生部分的第二個實施例的原理框圖，該實施例用以實現(xiàn)一個基波周期中包含多個脈沖的脈寬調(diào)制脈沖信號的發(fā)生。如圖5所示，總線管理部分負責通過PWM1BUS總線或PWM2BUS總線向數(shù)據(jù)交換邏輯部分申請從指定地址的存儲空間中讀取脈沖數(shù)據(jù)，這里以及下文中提到的總線都由一組地址信號、數(shù)據(jù)信號和訪問控制信號組成，而本實施例中的每個脈沖數(shù)據(jù)包含相位角度和脈沖輸出電平兩個部分。從存儲空間讀取出的脈沖數(shù)據(jù)將先被寄存，然后其相位角度部分的數(shù)值不斷和當前的相位標度進行比較，當二者的數(shù)值相同時，脈沖發(fā)生邏輯依據(jù)脈沖數(shù)據(jù)電平部分的數(shù)值修改輸出的脈沖電平。一個脈沖數(shù)據(jù)經(jīng)過上述的相位比較判決，然后產(chǎn)生輸出脈沖電平后，總線管理部分就自動尋址向數(shù)據(jù)交換邏輯部分申請讀取下一個脈沖數(shù)據(jù)。這樣繼續(xù)下去，不斷地在不同相位標度輸出不同的脈沖電平，最終獲得脈寬調(diào)制脈沖序列。如圖5所示，本實施例的原理結構中采用了完全相同的兩組脈沖發(fā)生部分PWM1和PWM2，這樣的結構是為了在交替工作控制邏輯的管理下實現(xiàn)普通和交替兩種脈沖發(fā)生工作模式。在普通工作模式下，PWM1和PWM2兩組脈沖發(fā)生部分同時工作，它們分別從存儲空間不同的存儲段中讀取脈沖數(shù)據(jù)，獨立地完成脈沖發(fā)生功能，脈沖輸出控制部分將兩組脈沖發(fā)生部分的輸出分配到各路輸出端口，如圖5中所示，P1p路的原始脈沖輸出的是PWM1脈沖發(fā)生部分產(chǎn)生的P1脈沖信號，而P1n路的原始脈沖輸出的是PWM2脈沖發(fā)生部分產(chǎn)生的P2脈沖信號，其它各路脈沖的輸出與之類似。然而在交替工作模式下，PWM1和PWM2兩組脈沖發(fā)生部分在切換命令控制下交替負責某些路的受控原始脈沖的輸出，而其余各路脈沖的輸出是這些受控脈沖的互補信號。具體而言，當PWM1使能，PWM2停止工作時，由PWM1產(chǎn)生的P1脈沖信號驅動P1p路的原始脈沖；而當切換命令要求交替工作，PWM2被使能，PWM1停止時，P1p路的原始脈沖輸出改為由PWM2產(chǎn)生的P2脈沖信號驅動；在此交替工作方式下，P1n路的脈沖輸出始終是P1p路脈沖信號取反后的互補信號；其它路的工作情況與之類似。此外，交替切換并不是在切換命令信號到來時就馬上進行的，而是在切換命令有效，并且正在工作的一組脈沖發(fā)生部分已經(jīng)處理完指定存儲段段尾的最后一個脈沖數(shù)據(jù)后，才進行脈沖發(fā)生的切換。交替工作方式可以實現(xiàn)一些脈沖發(fā)生的復雜控制算法。無論是在普通工作模式還是在交替工作模式，正在工作的一組PWM1或者PWM2脈沖發(fā)生部分在處理完指定存儲段的最后一個脈沖數(shù)據(jù)后，只要不要求它停止產(chǎn)生脈沖，它將按照總線管理部分中設定的脈沖數(shù)據(jù)存儲段的首地址參數(shù)，重新開始新一輪的脈沖數(shù)據(jù)讀取、處理和脈沖發(fā)生。
脈沖發(fā)生部分的第三個實施例是在上述的第二個實施例基礎上又增加了脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)的自行計算功能。圖6是這個實施例增加的脈沖數(shù)據(jù)計算部分的原理框圖，該部分能夠自行計算出脈沖數(shù)據(jù)，并通過切換命令信號控制圖5所示的PWM1和PWM2兩組脈沖發(fā)生部分交替工作。脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)的計算可以選擇自然采樣法、規(guī)則采樣法、直接脈寬調(diào)制法、隨機斜率脈寬調(diào)制法和空間矢量等多種算法原理實現(xiàn)。但是不論采用哪一種計算方法，當計算出脈沖電平的變化和對應這個變化的相位角度時刻后，必須依據(jù)圖5所示的脈沖發(fā)生部分所采用的脈沖數(shù)據(jù)格式將脈沖電平和相位角度組合成完整的脈沖數(shù)據(jù)。如圖6所示，在脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)的計算中用到的查找表等常量，將通過REFBUS總線管理部分申請數(shù)據(jù)交換邏輯部分從存儲空間中讀取。如果將一個基波周期中N個相位采樣點的脈沖數(shù)據(jù)的計算稱作為一次起動，其中N是一個基波周期中的相位脈沖數(shù)。則在每一次起動中，脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)計算部分計算出對應0到N-1各個相位標度點的輸出脈沖電平，然后只需要選取輸出電平相對前一相位點發(fā)生變化的脈沖數(shù)據(jù)，PDATBUS總線管理部分將這些數(shù)據(jù)通過PDATBUS總線申請數(shù)據(jù)交換邏輯部分存入存儲空間。當一次起動的脈沖數(shù)據(jù)計算完畢，PDATBUS總線管理部分將為圖5的脈沖發(fā)生部分提供這些剛計算出的脈沖數(shù)據(jù)在存儲空間中的尋址參數(shù)。同時，脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)計算部分通過控制信號輸出邏輯產(chǎn)生切換命令信號，該信號輸入圖5所示的交替工作控制邏輯部分。此后，正在工作的一組PWM1或PWM2脈沖發(fā)生部分在完成它所對應的脈沖數(shù)據(jù)段最后一個脈沖數(shù)據(jù)的運算處理后，將在控制邏輯作用下停止工作，各路原始脈沖的發(fā)生切換到由另一組PWM2或PWM1脈沖發(fā)生部分來驅動，新起動的脈沖發(fā)生部分依照由脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)計算部分新計算出的脈沖數(shù)據(jù)，產(chǎn)生出脈寬調(diào)制脈沖。一旦PWM1和PWM2交替切換完成，脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)計算部分將又開始為已經(jīng)停止工作的一組脈沖發(fā)生部分在相應的存儲空間中計算準備新的脈沖數(shù)據(jù)，直至又一次起動計算完成，然后再次申請PWM1和PWM2兩部分交替工作。
上述脈沖發(fā)生部分產(chǎn)生的原始脈沖信號還將經(jīng)過脈沖調(diào)理部分才被作為最終的脈沖輸出，圖7給出了脈沖調(diào)理部分的一個實施例的原理框圖。脈沖調(diào)理包括脈沖高頻調(diào)制、最小脈寬控制、互鎖輸出延時和輸出封鎖，這些處理環(huán)節(jié)都是可控的，如果其中某一處理環(huán)節(jié)所對應的控制信號使能，則進行相應的脈沖處理，而如果不使能，則脈沖信號不被處理而直接通過該環(huán)節(jié)。如果脈沖高頻調(diào)制被使能，則各路原始脈沖的有效電平信號將被調(diào)制為具有設定占空比和頻率的一組高頻脈沖序列。如果最小脈沖寬度控制被使能，該部分將輸入的脈沖信號中脈沖寬度小于設定值的正或負脈沖調(diào)整到寬度不小于最小脈沖寬度參數(shù)的設置值。如果互鎖輸出延時控制使能，這個脈沖調(diào)理部分將使被互鎖的兩路脈沖的輸出電平不同時有效，并在它們發(fā)生電平變化時保障其中一個被互鎖的脈沖信號必須在另一個互鎖的脈沖信號的電平變?yōu)闊o效時再經(jīng)過一段由互鎖延時參數(shù)設定的時間之后才允許變?yōu)橛行?。最后的輸出封鎖部分在控制信號作用下可以直接在輸出端口封鎖脈沖的輸出，而不影響系統(tǒng)其它部分的工作。
本發(fā)明的控制接口部分的一個簡單的實施例是直接采用數(shù)字控制接口。外接控制裝置通過一組地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號來訪問數(shù)字控制接口，并輸入要訪問存儲空間的地址參數(shù)和訪問類型，如果外接控制裝置要對本發(fā)明系統(tǒng)的存儲空間進行寫入訪問，則還要輸入即將寫入的數(shù)據(jù)。數(shù)字控制接口部分通過總線管理邏輯向數(shù)據(jù)交換邏輯部分提出訪問申請，并接受數(shù)據(jù)交換邏輯部分的響應，從而實現(xiàn)對存儲空間中的狀態(tài)控制數(shù)據(jù)和脈沖數(shù)據(jù)的讀寫訪問。如果外接控制裝置需要讀取存儲空間，總線控制邏輯接收來自數(shù)字交換控制部分的讀出數(shù)據(jù)后，再把該數(shù)據(jù)發(fā)送給外接控制裝置。
本發(fā)明的控制接口部分的第二個實施例采用了圖8所示的原理結構，該實施例提供了采用模擬電平控制信號和按鍵控制信號控制本系統(tǒng)脈沖發(fā)生的方法，同時它還具有一定的顯示功能。首先，地址按鍵控制信號經(jīng)過按鍵控制接口邏輯運算得到尋址參數(shù)，這個尋址參數(shù)被存儲在被改地址寄存部分中。然后，選擇控制部分可以選擇采用模擬電平控制信號輸入或者按鍵控制信號輸入來進行參數(shù)控制。如果選擇控制部分選通了模擬電平輸入控制，由外接控制設備輸入的模擬電平控制信號經(jīng)過模數(shù)轉換后得到控制參數(shù)，控制參數(shù)被存入控制參數(shù)寄存部分。如果選擇控制部分選通了按鍵輸入控制，則按鍵控制接口在剛被使能或者尋址參數(shù)發(fā)生改變后，它將首先通過BTNBUS總線管理部分申請數(shù)據(jù)交換邏輯部分讀取以尋址參數(shù)為地址的存儲空間中的原始數(shù)據(jù)。然后，按鍵控制接口接受數(shù)據(jù)修改的按鍵控制信號，在讀取的原始數(shù)據(jù)基礎上增減運算，獲得新的控制參數(shù)。當然，按鍵控制接口邏輯也可以采用其它的算法設置控制參數(shù)，但是最后按鍵控制接口產(chǎn)生的控制參數(shù)都將通過選擇控制部分存入控制參數(shù)寄存部分。無論采用模擬電平控制輸入或者按鍵控制輸入得到新的控制參數(shù)后，BTNBUS總線管理部分都將依據(jù)被改地址寄存部分中的尋址參數(shù)決定的地址向數(shù)據(jù)交換邏輯部分申請將新的控制數(shù)據(jù)寫入相應的存儲空間。此外，BTNBUS總線管理部分依據(jù)尋址參數(shù)還將按照由顯示刷新以及按鍵操作速度確定的時間間隔向數(shù)據(jù)交換邏輯部分申請讀取相應存儲空間中的數(shù)據(jù)，然后存入讀取參數(shù)寄存部分。這個讀取參數(shù)一方面會被按鍵控制接口部分讀取，作為上述按鍵控制邏輯運算的原始數(shù)據(jù)，另一方面這個讀取參數(shù)將不斷送到顯示接口部分。顯示接口部分依據(jù)尋址參數(shù)和讀取參數(shù)，驅動并刷新顯示控制輸出信號。
本發(fā)明的存儲空間管理部分的一個實施例的原理框圖如圖9所示。整個存儲空間由狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間、NVSRAM存儲空間和SRAM存儲空間組成，并由存儲空間管理邏輯統(tǒng)一編址訪問。狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間是由本發(fā)明中相位控制部分、脈沖發(fā)生部分、脈沖調(diào)理部分和控制接口部分中的狀態(tài)信號和控制參數(shù)集中起來，統(tǒng)一編址并管理它們的訪問從而構成的一部分存儲空間。當存儲空間管理邏輯部分提供有效的地址和讀寫信號時，就可以通過狀態(tài)控制數(shù)據(jù)的管理部分讀取或者修改相應的狀態(tài)信號和控制參數(shù)。在本實施例中，狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間的訪問地址將和NVSRAM存儲空間中的一部分存儲段具有相同地址。NVSRAM是一種掉電后存儲數(shù)據(jù)不易丟失的存儲空間，可以用于在系統(tǒng)掉電后保存重要的數(shù)據(jù)，NVSRAM的控制邏輯負責管理NVSRAM存儲空間的訪問。NVSRAM存儲空間中的一部分存儲段將用于保存前述的狀態(tài)控制數(shù)據(jù)，所以該存儲段和狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間具有相同的訪問地址。NVSRAM存儲空間還可以用來存儲脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)計算所需要的查找表等常量數(shù)據(jù)，以及用來存儲脈沖數(shù)據(jù)等。SRAM則是可以高速訪問但掉電后數(shù)據(jù)丟失的一部分存儲空間，用以存儲掉電后無需保存的數(shù)據(jù)，它的訪問管理由SRAM控制邏輯完成。前述的三部分存儲空間都由存儲空間管理邏輯統(tǒng)一編址，并完成數(shù)據(jù)交換邏輯部分通過存儲空間訪問總線對存儲空間的數(shù)據(jù)訪問。在本系統(tǒng)復位初始化時，這個存儲空間管理邏輯還將負責將掉電前的狀態(tài)控制數(shù)據(jù)從NVSRAM的相應存儲段中讀出，并重新載入到狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間中。在本系統(tǒng)正常工作時，數(shù)據(jù)交換邏輯部分通過存儲空間管理邏輯對狀態(tài)控制數(shù)據(jù)的讀取將只訪問狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間；而數(shù)據(jù)交換邏輯部分對狀態(tài)控制數(shù)據(jù)的修改寫入將不僅訪問狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間，還將修改具有同一地址的NVSRAM存儲空間，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存。存儲空間管理邏輯與數(shù)據(jù)交換邏輯部分之間的存儲空間訪問總線不僅包括地址信號和數(shù)據(jù)信號，還包括讀寫訪問命令、讀寫訪問響應、以及數(shù)據(jù)有效指示等控制信號。
本發(fā)明的數(shù)據(jù)交換邏輯部分是用來實現(xiàn)本系統(tǒng)其它各個部分之間的數(shù)據(jù)交換和傳輸，從而將它們組織成一個完整系統(tǒng)。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換主要包括控制接口對存儲空間的控制訪問和脈沖發(fā)生部分對存儲空間中的脈沖數(shù)據(jù)的訪問。數(shù)據(jù)交換邏輯部分在系統(tǒng)復位后，將控制整個系統(tǒng)的初始化過程，自動完成一些初始化階段的控制數(shù)據(jù)和脈沖數(shù)據(jù)的傳輸。在初始化結束，系統(tǒng)正常工作時，數(shù)據(jù)交換邏輯部分不斷查詢檢驗來自控制接口或者脈沖發(fā)生部分的數(shù)據(jù)總線的訪問申請，然后按一定的優(yōu)先級次序響應這些申請，完成數(shù)據(jù)的交換傳輸。也就是說，當同一時刻有多個訪問申請時，數(shù)據(jù)交換邏輯部分將首先響應優(yōu)先級最高的訪問請求，如果響應的申請是讀取存儲空間的訪問請求，該數(shù)據(jù)交換邏輯部分將依據(jù)訪問地址控制存儲空間管理部分從相應的存儲地址中讀出數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)通過相應的總線發(fā)送給訪問申請者。如果數(shù)據(jù)交換邏輯部分響應了向存儲空間寫入數(shù)據(jù)的訪問申請，它就從相應的總線接收被寫數(shù)據(jù)，然后通過存儲空間訪問總線發(fā)送給存儲空間管理部分，并由該部分完成數(shù)據(jù)寫入。
本發(fā)明為電力電子設備所需的各種控制脈沖信號的發(fā)生構筑了一套完整的實現(xiàn)方案。從實施例可以看到，相位控制部分為本系統(tǒng)提供了多種時鐘工作方式，它們包括非鎖相自行工作方式、鎖相同步工作方式和聯(lián)機同步工作方式。非鎖相自行工作方式直接依靠對輸入頻率合成部分的頻率參數(shù)的控制實現(xiàn)了對脈沖發(fā)生基波頻率的調(diào)節(jié)；鎖相同步工作方式使系統(tǒng)可以同步于外接輸入信號產(chǎn)生脈沖，這種方式在各種依靠觸發(fā)角度工作的電力電子裝置中都需要用到；聯(lián)機工作方式可以使多組脈沖發(fā)生系統(tǒng)同步工作，簡單地實現(xiàn)了脈沖輸出路數(shù)的擴展。相位控制部分無論采用何種時鐘工作方式，最終都為系統(tǒng)提供了相位標度數(shù)值，從而為本發(fā)明系統(tǒng)能夠基于相位角度發(fā)出脈沖打下基礎。
如前所述，本發(fā)明的脈沖發(fā)生部分可以采用多種方案來實現(xiàn)不同的脈沖輸出功能。利用圖4、圖5和圖6所給出的三個實施例都是基于相位標度工作的，從而真正實現(xiàn)了本發(fā)明基于相位角度產(chǎn)生脈沖的目標。脈沖發(fā)生部分第一個實施例的給出是針對電力電子設備中的眾多單脈沖發(fā)生的應用需要，該實施例既可以實現(xiàn)對各路輸出控制脈沖的觸發(fā)相角的同時控制，也可以實現(xiàn)單對某一路脈沖觸發(fā)相角的調(diào)節(jié)，觸發(fā)脈沖的寬度也可以改變。而且，圖4所示實施例中的使能和強制觸發(fā)邏輯可以用以實現(xiàn)電容設備電壓過零投入等等控制功能，該功能廣泛應用于電力系統(tǒng)無功補償?shù)碾娏﹄娮友b置中。借助本發(fā)明脈沖發(fā)生部分的第二個實施例，可以使本發(fā)明系統(tǒng)實現(xiàn)輔助于其它微處理控制裝置的脈沖發(fā)生。應用中，采用外接的微處理控制設備計算出符合脈沖發(fā)生部分第二個實施例中所要求的脈沖數(shù)據(jù)，然后填入本系統(tǒng)的存儲空間中，脈沖發(fā)生第二實施例就可以依據(jù)這些脈沖數(shù)據(jù)產(chǎn)生出電力電子設備的控制脈沖。由于圖5所示的脈沖發(fā)生方案中包含PWM1和PWM2兩組脈沖發(fā)生部分，而且還設計了它們的交替工作模式，這就又使本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)乒乓存儲的控制算法。具體而言，控制系統(tǒng)可以先讓PWM1發(fā)出脈沖，然后為PWM2準備新的脈沖數(shù)據(jù)；由于PWM1會自動循環(huán)調(diào)用存儲段中的脈沖數(shù)據(jù)，所以不會出現(xiàn)脈沖序列產(chǎn)生的終斷；當系統(tǒng)為PWM2準備好脈沖數(shù)據(jù)后，再通過切換命令停止PWM1的工作，而啟動PWM2發(fā)出脈沖；此后，控制系統(tǒng)可以轉而去為PWM1修改準備新的脈沖數(shù)據(jù)；在交替方式下，PWM1和PWM2就這樣輪流工作。這種交替存儲和處理數(shù)據(jù)的方式被習慣地稱為乒乓算法，它可以解決脈沖數(shù)據(jù)計算和脈沖發(fā)生之間的速度不匹配和數(shù)據(jù)沖突的問題。本發(fā)明脈沖發(fā)生部分的第三個實施例在第二個實施例基礎上增加了圖6所示的脈寬調(diào)制脈沖數(shù)據(jù)計算部分，使本發(fā)明系統(tǒng)具有不受外接控制設備控制而獨立產(chǎn)生一定特性的脈寬調(diào)制脈沖的能力。
本發(fā)明的脈沖調(diào)理部分的實施例可以滿足不同電力電子器件的驅動需要，實現(xiàn)了可控的脈沖高頻調(diào)制、最小脈寬控制、脈沖互鎖延時和脈沖輸出封鎖。本發(fā)明的控制接口部分如果采用第一個實施例描述的數(shù)字控制接口，可以簡便地實現(xiàn)本系統(tǒng)和數(shù)字控制設備的連接。而如果控制接口部分采用了第二個實施例，模數(shù)轉換接口可以實現(xiàn)本系統(tǒng)和模擬控制設備的連接，而按鍵接口可以只采用一組按鍵就完成對本發(fā)明系統(tǒng)脈沖輸出的控制。這些不同控制接口適合于滿足具有不同復雜程度的電力電子應用要求。
本發(fā)明方法可以將不同類型的存儲空間組織起來統(tǒng)一管理。比如按照本發(fā)明存儲空間管理部分的實施例所述，利用狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存儲空間可以將系統(tǒng)中零散的狀態(tài)信號和控制參數(shù)集中管理，從而提高了控制效率；采用NVSRAM存儲空間實現(xiàn)了掉電后的參數(shù)恢復和重要數(shù)據(jù)的保存；采用SRAM存儲空間又可以滿足更高速的數(shù)據(jù)訪問需要。各種類型的存儲空間也可以依據(jù)具體的應用需要和成本加以調(diào)配。
最后，本發(fā)明采用了數(shù)據(jù)交換邏輯部分將其余各個部分組織起來，構成完整的脈沖發(fā)生系統(tǒng)。數(shù)據(jù)交換邏輯部分采用優(yōu)先級控制方式響應各部分之間的數(shù)據(jù)交換申請，完成數(shù)據(jù)傳輸。這種組織結構以簡單的形式解決了系統(tǒng)中不同模塊之間的速度配合問題，而優(yōu)先級控制方式又保證了重要部分對數(shù)據(jù)的優(yōu)先訪問，避免了數(shù)據(jù)傳輸延誤，提高了數(shù)據(jù)交換效率。
本發(fā)明方法最終可以完全采用數(shù)字邏輯方式實現(xiàn)，而且按此方法得到的電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生系統(tǒng)具有操作簡便直觀，易于維護，控制精度高，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。而且，本發(fā)明控制接口部分的第二個實施例中實現(xiàn)了一定的顯示功能，可以實現(xiàn)一定的人機交互性。如果采用大規(guī)模的集成電路實現(xiàn)本發(fā)明方法，最終可以得到一種能夠廣泛應用于電力電子設備中的專用集成電路芯片，這將大大簡化電力電子設備控制裝置的實現(xiàn)，同時降低設計開發(fā)成本。事實上，本發(fā)明方法已經(jīng)基于大規(guī)模的可編程邏輯器件進行了設計和實驗，前述的實施例都在設計中經(jīng)過了實際的使用和驗證，而且通過功能仿真和電路調(diào)試，證明本發(fā)明方法能夠正常工作，實現(xiàn)既定的控制目標并輸出正確的脈沖信號。
權利要求
1.一種電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)對由前端信號處理部分輸入的同步信號進行同步處理，產(chǎn)生出相位標度數(shù)據(jù)，或者對由頻率合成得到的相位脈沖信號進行相位計數(shù)，獲得相位標度數(shù)據(jù)；(2)對由控制平臺輸入的控制信號進行轉換處理，得到控制脈沖發(fā)生的控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)交換邏輯的控制下存入存儲空間中，上述控制數(shù)據(jù)包括狀態(tài)控制數(shù)據(jù)和脈沖數(shù)據(jù)，脈沖數(shù)據(jù)中包含相位角度和對應于該相位角度的脈沖電平值；(3)按照數(shù)據(jù)交換邏輯，從存儲空間中讀取上述脈沖數(shù)據(jù)，將讀取的脈沖數(shù)據(jù)的相位角度和上述第1步得到的相位標度數(shù)據(jù)進行比較，依據(jù)該比較結果以及在狀態(tài)控制數(shù)據(jù)的控制下將讀取出的脈沖數(shù)據(jù)的脈沖電平值進行邏輯轉化，產(chǎn)生出原始脈沖信號；(4)對上述原始脈沖信號進行脈沖調(diào)理，得到最終的輸出脈沖信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生方法,首先對前端的同步信號進行處理,產(chǎn)生相位標度數(shù)據(jù),或者對相位脈沖信號進行相位計數(shù),獲得相位標度數(shù)據(jù);對輸入的控制信號進行轉換處理,得到控制數(shù)據(jù),并將其存入存儲空間中,按照數(shù)據(jù)交換邏輯讀取脈沖數(shù)據(jù),將其中的相位角度與上述相位標度數(shù)據(jù)進行比較,并將脈沖電平值進行邏輯轉化,產(chǎn)生出原始脈沖信號,原始脈沖信號經(jīng)脈沖調(diào)理,得到最終的輸出脈沖信號。本發(fā)明方法實現(xiàn)了基于相位角度的脈沖發(fā)生,易于實現(xiàn)同步控制功能;該方法還能夠實現(xiàn)多樣的電力電子設備的控制脈沖的發(fā)生功能,廣泛滿足實際應用的要求;該方法實現(xiàn)了存儲空間的統(tǒng)一管理,提高了數(shù)據(jù)傳輸效率,解決了速度匹配問題。
文檔編號H03K3/00GK1338810SQ0113625
公開日2002年3月6日 申請日期2001年10月12日 優(yōu)先權日2001年10月12日
發(fā)明者龐浩, 王贊基, 陳建業(yè), 劉秀成 申請人:清華大學