毕业论文-基于DSP和FPGA通用电力电子控制系统之DSP部分.doc

1、 黄石理工学院 毕业设计（论文）11 绪 论电 力 电 子 技 术 自 20世 纪 50年 代 诞 生 以 来 ， 经 过 半 个 多 世 纪 的 飞 速 发 展 ， 至 今 已 被广 泛 应 用 于 电 力 系 统 、 电 机 调 速 系 统 及 各 种 电 源 系 统 等 需 要 电 能 变 换 的 领 域 。 在 低压 小 功 率 的 用 电 领 域 ， 电 力 电 子 技 术 的 各 个 方 面 已 渐 趋 成 熟 ， 将 来 的 研 究 目 标 则 是高 功 率 密 度 、 高 效 率 和 高 性 能 ;而 在 高 压 大 功 率 的 工 业 和 输 配 电 领 域 ， 各 个 方

2、面 的 技术 正 成 为 当 今 电 力 电 子 技 术 的 研 究 重 点 。 SPWM及 其 SVPWM技 术 都 是 电 力 电 子 技 术前 沿 科 学 成 就 。 他 们 均 是 为 了 满 足 交 流 调 速 需 要 而 开 发 的 系 统 。 也 是 电 力 电 子 技 术应 用 精 华 之 一 17。从 变 频 调 速 的 历 史 来 看 ， 早 在 半 个 多 世 纪 以 前 ， 对 现 在 常 用 的 变 压 变 频 调 速 方法 的 原 理 都 已 经 研 究 清 楚 了 ， 只 是 由 于 要 用 电 磁 元 件 和 旋 转 交 流 机 组 来 实 现 ， 而 控 制性

3、 能 又 赶 不 上 直 流 调 速 （ 矢 量 控 制 尚 未 发 现 以 前 ） 推 广 应 用 ， 60 70 年 代 ， 有 了 静 止的 电 力 电 子 变 流 装 置 以 后 ， 逐 步 解 决 了 调 速 装 置 要 减 少 设 备 ， 减 少 体 积 ， 降 低 成 本 ，提 高 效 率 ， 消 去 噪 声 等 问 题 ， 才 使 得 变 频 调 速 得 到 了 飞 跃 式 的 发 展 。 发 明 矢 量 控 制 以后 ， 又 提 高 了 交 流 调 速 系 统 的 动 ， 静 态 特 性 ， 但 是 要 实 现 矢 量 控 制 规 律 ， 需 要 复 杂的 模 拟 电 子 电

4、 路 ， 其 设 计 ， 制 造 和 调 试 都 很 麻 烦 。 采 用 微 机 控 制 以 后 ， 用 软 件 实 现 矢量 控 制 算 法 ， 简 化 了 硬 件 电 路 ， 从 而 减 低 了 成 本 ， 提 高 了 可 靠 性 ， 而且 还 有 可 能 实 现更 复 杂 的 控 制 技 术 。 从 20 世 纪 90 年 代 起 向 下 一 世 纪 迈 进 的 年 代 里 ， 电 力 电 子 技 术 发展 的 特 点 是 ： 一 方 面 是 原 有 各 新 型 电 力 电 子 器 件 额 定 参 数 的 不 断 提 高 ； 另 一 方 面 是 电力 电 子 技 术 与 微 电 子 技

5、术 的 进 一 步 结 合 ， 使 电 力 电 子 器 件 朝 着 大 容 量 、 智 能 化 方 向 迅速 发 展 ， 预 示 着 电 力 电 子 技 术 由 半 控 型 、 全 控 型 器 件 进 入 了 一 个 全 新 的 智 能 型 时 代 。由 此 可 见 ， 电 力 电 子 和 微 机 控 制 是 现 代 调 速 系 统 发 展 的 两 个 重 要 方 面 。 另 外 ， 先 后 涌现 出 了 大 量 的 控 制 方 法 ， 也 推 动 了 变 频 调 速 的 迅 速 发 展 ， 其 中 具 有 代 表 性 的 是 ： 转 速开 环 恒 压 频 比 （ U/f=常 数 ） 控 制

6、， 转 差 频 率 控 制 ， 矢 量 控 制 ， 直 接 转 矩 控 制 ， 非 线 性控 制 ， 自 适 应 控 制 ， 滑 摸 变 结 构 控 制 和 智 能 控 制 等 。 随 着 电 力 电 子 器 件 和 微 处 理 器 的发 展 ， PWM 逆 变 器 在 电 气 传 动 中 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 应 用 16。 如 何 确 定 PWM 逆 变 器件 的 开 关 时 间 ， 有 许 多 不 同 的 技 术 ， 如 应 用 较 多 的 SPWM 及 相 对 较 新 的 空 间 电 压 矢 量PWM(SVPWM)等 。 目 前 实 现 SPWM 的 方 法 主 要 有

7、二 种 ： 一 种 是 使 用 单 独 处 理 器 ，如 单 片 机 和 DSP 独 立 生 成 。 运 用 软 件 编 程 的 方 式 实 现 ， 但 这 种 方 法 只 能 产 生 6 路 或 12路 的 有 限 路 的 PWM 信 号 ， 不 能 满 足 多 轴 控 制 的 需 要 ， 如 要 控 制 多 轴 则 需 要 增 加 单 片黄石理工学院 毕业设计（论文）2机 和 DSP 的 数 量 ， 使 得 系 统 结 构 复 杂 ， 成 本 提 高 ,而 且 抗 干 扰 能 力 差 ； 另 一 种 是 全 部使 用 硬 件 (FPGA)， 这 种 方 法 能 够 实 现 SPWM 控 制

8、 ， 但 其 运 算 功 能 不 够 强 大 ， 对 于 含有 复 杂 运 算 的 系 统 ， FPGA 显 得 势 单 力 薄 。 本 文 提 出 采 用 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 与 现场 可 编 程 门 阵 列 （ FPGA） 相 结 合 ， 设 计 一 种 通 用 的 电 力 电 子 控 制 系 统 。 该 系 统 结 合 了DSP 强 大 的 运 算 能 力 和 FPGA 的 可 靠 性 高 ， 可 以 实 现 各 种 通 用 PWM 算 法 和 各 种 复 杂的 控 制 算 法 。 DSP+FPGA 结 构 最 大 的 特 点 是 灵 活 ， 有 较 强 的 通 用

9、 性 ， 适 于 模 块 化 设 计 ，从 而 能 够 提 高 算 法 效 率 ； 同 时 其 开 发 周 期 较 短 ， 系 统 易 于 维 护 和 扩 展 。 本 论 文 只 讲 述了 DSP 部 分 有 关 的 设 计 ， FPGA 部 分 的 设 计 有 其 他 同 学 完 成 9。鉴 于 初 学 ， 本 文 在 SPWM 调 制 波 形 的 原 理 进 行 分 析 的 基 础 上 ， 提 出 了 一 种 由 TI公 司 生 产 的 数 字 信 号 处 理 芯 片 和 ALTERA 公 司 生 产 的 FPGA 芯 片 ， 采 用 软 件 和 硬 件相 结 合 的 方 式 来 实 现

10、三 相 逆 变 器 的 控 制 方 案 。黄石理工学院 毕业设计（论文）32 控制电力电子技术的简介电 力 电 子 技 术 1( Power Electronics Technology )是 利 用 电 力 电 子 器 件 对 电 能 进 行变 换 及 控 制 的 一 种 现 代 技 术 ， 它 使 电 网 的 工 频 电 能 最 终 转 换 成 不 同 性 质 、 不 同 用 途的 电 能 ， 以 适 应 千 变 万 化 的 用 电 装 置 的 不 同 需 要 。 目 前 最 为 常 用 也 是 非 常 成 熟 的 技 术为 PWM 控 制 技 术 。2.1 PWM 控 制 技 术 原 理

11、 及 特 点（a）矩形脉冲 （ b）三角形脉冲 （c）正弦半波脉冲 （d）单位脉冲函数图 2-1 形 状 不 同 而 冲 量 相 同 的 各 种 窄 脉 冲图2-2 冲 量 相 等 的 各 种 窄 脉 冲 的 响 应 波 形PWM 控 制 就 是 对 脉 冲 的 宽 度 进 行 调 制 的 技 术 18。 即 通 过 对 一 系 列 脉 冲 的 宽 度 进行 调 制 ， 来 等 效 所 需 要 的 波 形 （ 含 形 状 和 幅 值 ） 。 PWM 是 一 种 对 模 拟 信 号 电 平 进 行数 字 编 码 的 方 法 。 通 过 高 分 辨 率 计 数 器 的 使 用 ， 方 波 的 占

12、空 比 被 调 制 用 来 对 一 个 具体 模 拟 信 号 的 电 平 进 行 编 码 。 PWM 信 号 仍 然 是 数 字 的 ， 因 为 在 给 定 的 任 何 时 刻 ， 满幅 值 的 直 流 供 电 要 么 完 全 有 (ON)， 要 么 完 全 无 (OFF)。 电 压 或 电 流 源 是 以 一 种 通 (ON)或 断 (OFF)的 重 复 脉 冲 序 列 被 加 到 模 拟 负 载 上 去 的 。 通 的 时 候 即 是 直 流 供 电 被 加 到 负载 上 的 时 候 ， 断 的 时 候 即 是 供 电 被 断 开 的 时 候 。 只 要 带 宽 足 够 ， 任 何 模 拟

13、 值 都 可 以使 用 PWM 进 行 编 码 。黄石理工学院 毕业设计（论文）4PWM 的 一 个 优 点 是 从 处 理 器 到 被 控 系 统 信 号 都 是 数 字 形 式 的 ， 无 需 进 行 数 模 转换 。让 信 号 保 持 为 数 字 形 式 可 将 噪 声 影 响 降 到 最 小 。 噪 声 只 有 在 强 到 足 以 将 逻 辑 1 改 变 为逻 辑 0 或 将 逻 辑 0 改 变 为 逻 辑 1 时 ， 也 才 能 对 数 字 信 号 产 生 影 响 3。 对 噪 声 抵 抗 能 力 的 增 强 是 PWM 相 对 于 模 拟 控 制 的 另 外 一 个 优 点 ， 而

14、 且 这 也 是 在某 些 时 候 将 PWM 用 于 通 信 的 主 要 原 因 。 从 模 拟 信 号 转 向 PWM 可 以 极 大 地 延 长 通 信距 离 。 在 接 收 端 ， 通 过 适 当 的 RC 或 LC 网 络 可 以 滤 除 调 制 高 频 方 波 并 将 信 号 还 原 为模 拟 形 式 。从 最 初 采 用 模 拟 电 路 完 成 三 角 调 制 波 和 参 考 正 弦 波 比 较 ， 产 生 正 弦 脉 宽 调 制SPWM 信 号 以 控 制 功 率 器 件 的 开 关 开 始 ， 到 目 前 采 用 全 数 字 化 方 案 ， 完 成 优 化 的 实时 在 线

15、的 PWM 信 号 输 出 ， 可 以 说 直 到 目 前 为 止 ， PWM 在 各 种 应 用 场 合 仍 在 主 导 地位 ， 并 一 直 是 人 们 研 究 的 热 点 。由 于 PWM 可 以 同 时 实 现 变 频 变 压 反 抑 制 谐 波 的 特 点 。 由 此 在 交 流 传 动 及 至 其它 能 量 变 换 系 统 中 得 到 广 泛 应 用 15。 PWM 控 制 技 术 大 致 可 以 为 为 三 类 ， 正 弦PWM（ 包 括 电 压 ， 电 流 或 磁 通 的 正 弦 为 目 标 的 各 种 PWM 方 案 ， 多 重 PWM 也 应 归 于此 类 ） ， 优 化

16、PWM 及 随 机 PWM。 正 弦 PWM 已 为 人 们 所 熟 知 ， 而 旨 在 改 善 输 出 电压 、 电 流 波 形 ， 降 低 电 源 系 统 谐 波 的 多 重 PWM 技 术 在 大 功 率 变 频 器 中 有 其 独 特 的 优势 （ 如 ABB ACS1000 系 列 和 美 国 ROBICON 公 司 的 完 美 无 谐 波 系 列 等 ） ； 而 优 化PWM 所 追 求 的 则 是 实 现 电 流 谐 波 畸 变 率 （ THD） 最 小 ， 电 压 利 用 率 最 高 ， 效 率 最 优 ，及 转 矩 脉 动 最 小 以 及 其 它 特 定 优 化 目 标 4。

17、2.2几 种 常 用 的 PWM 控 制 技 术采 样 控 制 理 论 中 有 一 个 重 要 结 论 :冲 量 相 等 而 形 状 不 同 的 窄 脉 冲 加 在 具 有 惯 性 的环 节 上 时 ,其 效 果 基 本 相 同 。 PWM 控 制 技 术 就 是 以 该 结 论 为 理 论 基 础 ,对 半 导 体 开 关器 件 的 导 通 和 关 断 进 行 控 制 ,使 输 出 端 得 到 一 系 列 幅 值 相 等 而 宽 度 不 相 等 的 脉 冲 ,用 这些 脉 冲 来 代 替 正 弦 波 或 其 他 所 需 要 的 波 形 。 按 一 定 的 规 则 对 各 脉 冲 的 宽 度

18、进 行 调 制 ,既可 改 变 逆 变 电 路 输 出 电 压 的 大 小 ,也 可 改 变 输 出 频 率 。PWM 控 制 的 基 本 原 理 很 早 就 已 经 提 出 ,但 是 受 电 力 电 子 器 件 发 展 水 平 的 制 约 ,在 上世 纪 80 年 代 以 前 一 直 未 能 实 现 。 直 到 进 入 上 世 纪 80 年 代 ,随 着 全 控 型 电 力 电 子 器 件 的出 现 和 迅 速 发 展 ,PWM 控 制 技 术 才 真 正 得 到 应 用 。 随 着 电 力 电 子 技 术 ,微 电 子 技 术 和自 动 控 制 技 术 的 发 展 以 及 各 种 新 的

19、理 论 方 法 ,如 现 代 控 制 理 论 ,非 线 性 系 统 控 制 思 想 的应 用 ,PWM 控 制 技 术 获 得 了 空 前 的 发 展 。 到 目 前 为 止 ,已 出 现 了 多 种 PWM 控 制 技 术 ,黄石理工学院 毕业设计（论文）5根 据 PWM 控 制 技 术 的 特 点 ,到 目 前 为 止 主 要 有 以 下 几 类 方 法 19：2.2.1 基 于 正 弦 波 对 三 角 波 脉 宽 调 制 的 SPWM 控 制SPWM(Sinusoidal PWM)法 是 一 种 比 较 成 熟 的 ,目 前 使 用 较 广 泛 的 PWM 法 。 前 面提 到 的 采

20、样 控 制 理 论 中 的 一 个 重 要 结 论 :冲 量 相 等 而 形 状 不 同 的 窄 脉 冲 加 在 具 有 惯 性 的环 节 上 时 ,其 效 果 基 本 相 同 。 SPWM 法 就 是 以 该 结 论 为 理 论 基 础 ,用 脉 冲 宽 度 按 正 弦 规律 变 化 而 和 正 弦 波 等 效 的 PWM 波 形 即 SPWM 波 形 控 制 逆 变 电 路 中 开 关 器 件 的 通 断 ,使其 输 出 的 脉 冲 电 压 的 面 积 与 所 希 望 输 出 的 正 弦 波 在 相 应 区 间 内 的 面 积 相 等,通 过 改 变 调制 波 的 频 率 和 幅 值 则

21、可 调 节 逆 变 电 路 输 出 电 压 的 频 率 和 幅 值。 该 方 法 的 实 现 有 以 下 几种 方 案 。 以 下 简 单 介 绍 几 种 SPWM 波 形 生 成 技 术 ：1.自 然 采 样 法以 正 弦 波 为 调 制 波 ,等 腰 三 角 波 为 载 波 进 行 比 较 ,在 两 个 波 形 的 自 然 交 点 时 刻 控 制开 关 器 件 的 通 断 ,这 就 是 自 然 采 样 法 。 其 优 点 是 所 得 SPWM 波 形 最 接 近 正 弦 波 ,但 由 于三 角 波 与 正 弦 波 交 点 有 任 意 性 ,脉 冲 中 心 在 一 个 周 期 内 不 等 距

22、 ,从 而 脉 宽 表 达 式 是 一 个超 越 方 程 ,计 算 繁 琐 ,难 以 实 时 控 制 。 自 然 采 样 法 生 成 的 SPWM 原 理 图 如 下 ：图 2-3 自 然 采 样 法 生 成 的 SPWM 原 理 图2 规 则 采 样 法规 则 采 样 法 是 一 种 应 用 较 广 的 工 程 实 用 方 法 ,一 般 采 用 三 角 波 作 为 载 波 。 其 原 理 就是 用 三 角 波 对 正 弦 波 进 行 采 样 得 到 阶 梯 波 ,再 以 阶 梯 波 与 三 角 波 的 交 点 时 刻 控 制 开 关 器件 的 通 断 ,从 而 实 现 SPWM法 。 当 三

23、 角 波 只 在 其 顶 点 (或 底 点 )位 置 对 正 弦 波 进 行 采 样 时 ,由 阶 梯 波 与 三 角 波 的 交 点 所 确 定 的 脉 宽 ,在 一 个 载 波 周 期 (即 采 样 周 期 )内 的 位 置 是 对 称的 ,这 种 方 法 称 为 对 称 规 则 采 样 。 当 三 角 波 既 在 其 顶 点 又 在 底 点 时 刻 对 正 弦 波 进 行 采样 时 ,由 阶 梯 波 与 三 角 波 的 交 点 所 确 定 的 脉 宽 ,在 一 个 载 波 周 期 (此 时 为 采 样 周 期 的 两 倍 )黄石理工学院 毕业设计（论文）6内 的 位 置 一 般 并 不

24、对 称 ,这 种 方 法 称 为 非 对 称 规 则 采 样 。 规 则 采 样 法 是 对 自 然 采 样 法 的改 进 ,其 主 要 优 点 就 是 是 计 算 简 单 ,便 于 在 线 实 时 运 算 ,其 中 非 对 称 规 则 采 样 法 因 阶 数 多而 更 接 近 正 弦 。 其 缺 点 是 直 流 电 压 利 用 率 较 低 ， 线 性 控 制 范 围 较 小 。图2-4 规则采样法生成的SPWM原理图3低 次 谐 波 消 去 法谐 波 消 去 法 ， 是 在 SPWM 波 电 压 波 形 上 设 置 一 些 槽 口 ， 通 过 合 理 安 排 槽 口 的 位置 和 宽 度 ，

25、 则 可 以 达 到 既 能 控 制 输 出 电 压 分 量 ， 又 能 有 选 择 地 消 除 某 些 较 低 次 谐 波 的目 的 。 这 种 槽 口 的 安 排 如 图 2-8所 示 。 图 中 决 定 槽 口 的 开 关 角 不 再 用 参 考 信 号 和 载 波 信号 相 互 比 较 的 方 法 来 确 定 ， 而 是 利 用 输 出 电 压 波 形 的 数 学 模 型 通 过 计 算 求 得 。通 过 分 析 可 知 ， 谐 波 消 去 法 是 一 种 根 据 输 出 电 压 的 数 学 模 型 直 接 确 定 开 关 角的 方法 ， 其 实 质 是 一 种 优 化 PWM 方 法

26、 。 这 种 方 法 的 优 点 就 是 利 用 有 限 个 开 关 角 就 能 有 效地 抑 制 某 些 低 次 谐 波 。 当 然 ， 它 的 缺 点 也 很 明 显 ， 计 算 复 杂 ， 要 求 消 除 的 谐 波 越 多 ， 计算 量 也 就 越 大 。 另 外 ， 通 过 这 种 方 法 只 能 使 特 定 次 数 的 谐 波 被 消 除 ， 而 其 余 次 数 的 谐波 却 不 能 被 消 除 ， 而 且 可 能 还 会 使 之 增 大 。 但 随 着 M的 增 大 ， 未 消 去 的 谐 波 的 次 数 也越 来 越 高 ， 这 时 谐 波 对 电 动 机 的 影 响 已 经

27、不 大 了 。 在 实 际 应 用 中 ， 常 常 是 先 离 线 计 算 出 值 ， 利 用 查 表 法 快 速 而 准 确 地 实 时 确 定 开 关 角 地 值 5。2.2.2 电 流 追 踪 型 PWM 技 术电 流 控 制 PWM的 基 本 思 想 是 把 希 望 输 出 的 电 流 波 形 作 为 指 令 信 号 ,把 实 际 的 电 流波 形 作 为 反 馈 信 号 ,通 过 两 者 瞬 时 值 的 比 较 来 决 定 各 开 关 器 件 的 通 断 ,使 实 际 输 出 随 指令 信 号 的 改 变 而 改 变 。其 原 理 图 如 下 ：黄石理工学院 毕业设计（论文）7图 2

28、-6 电 流 追 踪 型 PWM技 术 原 理 图2.2.3 电压空间矢量 SVPWM电 压 空 间 矢 量 SVPWM 控 制 是 一 种 与 SPWM 控 制 不 同 的 新 颖 的 脉 宽 调 制 方 法 。它 不 是 局 限 于 如 何 使 逆 变 器 输 出 按 正 弦 规 律 变 化 的 电 源 ， 而 是 将 逆 变 器 和 电 机 看 成一 个 整 体 ， 基 于 电 压 空 间 矢 量 概 念 ， 用 八 种 基 本 电 压 空 间 矢 量 合 成 期 望 的 电 压 空 间矢 量 ， 建 立 逆 变 器 功 率 器 件 的 开 关 状 态 和 空 间 矢 量 ， 并 根 据

29、 电 机 定 子 磁 链 矢 量 与 定子 电 压 之 间 的 关 系 ， 直 接 达 到 控 制 电 机 定 子 磁 链 矢 量 幅 值 近 似 恒 定 ， 顶 点 沿 圆 形 轨迹 运 动 ， 平 均 速 度 可 调 的 目 的 ， 从 而 实 现 对 异 步 电 机 近 似 恒 磁 通 变 压 变 频 调 速 。 电压 空 间 矢 量 脉 宽 调 制 （ SVPWM） 是 从 电 动 机 的 角 度 出 发 ， 着 眼 于 如 何 使 电 机 获 得 幅值 恒 定 的 圆 形 磁 场 ， 即 正 弦 磁 通 。 它 以 三 相 对 称 正 弦 波 电 压 供 电 时 的 交 流 电 动

30、机 的理 想 圆 形 磁 通 轨 迹 为 基 准 ， 用 逆 变 器 不 同 的 开 关 模 式 产 生 的 实 际 磁 通 去 逼 近 基 准 磁通 ， 从 而 达 到 较 高 的 控 制 性 能 。 实 践 和 理 论 都 可 以 证 明 ， 与 直 接 的 正 弦 波 脉 宽 调 制（ SPWM） 技 术 相 比 ， SVPWM 在 输 出 电 压 或 电 机 线 圈 的 电 流 中 都 将 产 生 更 少 的 谐 波 ，减 少 了 转 矩 脉 动 ， 提 高 了 直 流 供 电 电 压 源 的 利 用 率 20。黄石理工学院 毕业设计（论文）82.3 PWM 波形调制按极性分：2.3.

31、1 PWM 波单极性调制方法图 2-7 PWM 波单极性调制方法2.3.2 PWM 波双极性调制方法黄石理工学院 毕业设计（论文）9图 2-8 PWM 波双极性调制方法本系统作为通用控制系统，能够根据实际需要以更改软件的方式产生各种PWM波形并实行输出电压实时跟踪采样，本文暂且以控制生成SPWM为例。3 DSP 技术原理及其与 FPGA 结合3.1 DSP 技术的发展及其各个领域的应用数 字 信 号 处 理 （ DSP） 是 一 门 涉 及 许 多 学 科 而 又 广 泛 应 用 于 许 多 领 域 的 新 兴 学 科 。在 通 常 的 实 时 信 号 处 理 中 ， 它 具 有 可 程 控

32、、 可 预 见 性 、 精 度 高 、 稳 定 性 好 、 可 靠 性和 可 重 复 性 好 、 易 于 实 现 自 适 应 算 法 、 大 规 模 集 成 等 优 点 ， 这 都 是 模 拟 系 统 所 不 及。 20世 纪 60年 代 以 来 ， 随 着 计 算 机 和 信 息 技 术 的 飞 速 发 展 ， 数 字 信 号 处 理 技 术 应 运 而 生并 得 到 迅 速 的 发 展 。 在 过 去 的 二 十 多 年 时 间 里 ， 数 字 信 号 处 理 已 经 在 通 信 等 领 域 得到 极 为 广 泛 的 应 用 。 数 字 信 号 处 理 是 利 用 计 算 机 或 专 用

33、处 理 设 备 ， 以 数 字 形 式 对 信号 进 行 采 集 、 变 换 、 滤 波 、 估 值 、 增 强 、 压 缩 、 识 别 等 处 理 ， 以 得 到 符 合 人 们 需 要的 信 号 形 式 。 数 字 信 号 处 理 是 围 绕 着 数 字 信 号 处 理 的 理 论 、 实 现 和 应 用 等 几 个 方 面发 展 起 来 的 。 数 字 信 号 处 理 在 理 论 上 的 发 展 推 动 了 数 字 信 号 处 理 应 用 的 发 展 。 反 过来 ， 数 字 信 号 处 理 的 应 用 又 促 进 了 数 字 信 号 处 理 理 论 的 提 高 。 而 数 字 信 号

34、处 理 的 实现 则 是 理 论 和 应 用 之 间 的 桥 梁 。 数 字 信 号 处 理 是 以 众 多 学 科 为 理 论 基 础 的 ， 它 所 涉及 的 范 围 极 其 广 泛 。 例 如 ， 在 数 学 领 域 ， 微 积 分 、 概 率 统 计 、 随 机 过 程 、 数 值 分 析等 都 是 数 字 信 号 处 理 的 基 本 工 具 ， 与 网 络 理 论 、 信 号 与 系 统 、 控 制 论 、 通 信 理 论 、故 障 诊 断 等 也 密 切 相 关 。 近 来 新 兴 的 一 些 学 科 ， 如 人 工 智 能 、 模 式 识 别 、 神 经 网 络等 ， 都 与 数

35、 字 信 号 处 理 密 不 可 分 。 可 以 说 ， 数 字 信 号 处 理 是 把 许 多 经 典 的 理 论 体 系作 为 自 己 的 理 论 基 础 ， 同 时 又 使 自 己 成 为 一 系 列 新 兴 学 科 的 理 论 基 础 。同 时 又 使 自 己成 为 一 系 列 新 兴 学 科 的 理 论 基 础 。 数 字 信 号 处 理 的 实 现 方 法 一 般 有 以 下 几 种14：(1) 在 通 用 的 计 算 机 （ 如 PC机 ） 上 用 软 件 （ 如 Fortran、 C语 言 ） 实 现 ；(2) 在 通 用 计 算 机 系 统 中 加 上 专 用 的 加 速 处

36、 理 机 实 现 ；黄石理工学院 毕业设计（论文）10(3) 用 通 用 的 单 片 机 （ 如 MCS-51、 96系 列 等 ） 实 现 ， 这 种 方 法 可 用 于 一 些 不 太 复杂 的 数 字 信 号 处 理 ， 如 数 字 控 制 等 ；(4) 用 通 用 的 可 编 程 DSP芯 片 实 现 。 与 单 片 机 相 比 ， DSP芯 片 具 有 更 加 适 合 于 数字 信 号 处 理 的 软 件 和 硬 件 资 源 ， 可 用 于 复 杂 的 数 字 信 号 处 理 算 法 ；(5) 用 专 用 的 DSP芯 片 实 现 。 在 一 些 特 殊 的 场 合 ， 要 求 的

37、信 号 处 理 速 度 极 高 ， 用通 用 DSP芯 片 很 难 实 现 ， 例 如 专 用 于 FFT、 数 字 滤 波 、 卷 积 、 相 关 等 算 法 的 DSP芯 片 ，这 种 芯 片 将 相 应 的 信 号 处 理 算 法 在 芯 片 内 部 用 硬 件 实 现 ， 无 需 进 行 编 程 。 在 上 述 几种 方 法 中 ， 第 1种 方 法 的 缺 点 是 速 度 较 慢 ， 一 般 可 用 于 DSP算 法 的 模 拟 ； 第 2种 和 第 5种方 法 专 用 性 强 ， 应 用 受 到 很 大 的 限 制 ， 第 2种 方 法 也 不 便 于 系 统 的 独 立 运 行

38、； 第 3种 方 法只 适 用 于 实 现 简 单 的 DSP算 法 ； 只 有 第 4种 方 法 才 使 数 字 信 号 处 理 的 应 用 打 开 了 新 的 局面 。虽 然 数 字 信 号 处 理 的 理 论 发 展 迅 速 【 26】 ， 但 在 20世 纪 80年 代 以 前 ， 由 于 实 现 方 法的 限 制 ， 数 字 信 号 处 理 的 理 论 还 得 不 到 广 泛 的 应 用 。 直 到 20世 纪 70年 代 末 80年 代 初 世 界上 第 一 片 单 片 可 编 程 DSP芯 片 的 诞 生 ， 才 将 理 论 研 究 结 果 广 泛 应 用 到 低 成 本 的 实

39、 际 系统 中 ， 并 且 推 动 了 新 的 理 论 和 应 用 领 域 的 发 展 。 可 以 毫 不 夸 张 地 说 ，DSP芯 片 的 诞 生 及发 展 对 近 20年 来 通 信 、 计 算 机 、 控 制 等 领 域 的 技 术 发 展 起 到 十 分 重 要 的 作 用 。3.2 DSP 芯 片 的 特 点1.修 正 的 哈 佛 结 构DSP芯 片 采 用 修 正 的 哈 佛 结 构 【 2】 ， 其 特 点 是 程 序 和 数 据 具 有 独 立 的 存 储 空 间 、程 序 总 线 和 数 据 总 线 ， 非 常 适 合 实 时 的 数 字 信 号 处 理 口 。 同 时 ，

40、 这 种 结 构 使 指 令 存储 在 高 速 缓 存 器 中 (Cache)， 节 约 了 从 存 储 器 中 读 取 指 令 的 时 间 ， 提 高 了 运 行 速 度 。如 美 国 德 州 仪 器 公 司 TI(Texas Instruments)的 DSP芯 片 结 构 是 基 本 哈 佛 结 构 的 改 进类 型 。2.专 用 的 乘 法 器一 般 的 算 术 逻 辑 单 元 AIU(Arithmetic and Logic Unit)的 乘 法 (或 除 法 )运 算 由 加 法 和移 位 实 现 ， 运 算 速 度 较 慢 。 DSP设 置 了 专 用 的 硬 件 乘 法 器 、

41、 多 数 能 在 半 个 指 令 周 期 内完 成 乘 法 运 算 ， 速 度 已 达 每 秒 数 千 万 次 乃 至 数 十 亿 次 定 点 运 算 或 浮 点 运 算 ， 非 常 适用 于 高 度 密 集 、 重 复 运 算 及 大 数 据 流 量 的 信 号 处 理 。3.特 殊 的 指 令 设 置DSP在 指 令 系 统 中 设 置 了 “循 环 寻 址 ”及 “位 倒 序 ”等 特 殊 指 令 ， 使 寻 址 、 排 序黄石理工学院 毕业设计（论文）11及 运 算 速 度 大 大 提 高 引 。 另 外 ， DSP指 令 系 统 的 流 水 线 操 作 与 哈 佛 结 构 相 配 合

42、 ， 把 指 令周 期 减 小 到 最 小 值 ， 增 加 了 处 理 器 的 处 理 能 力 。 尽 管 如 此 ，DSP芯 片 的 单 机 处 理 能 力 还是 有 限 的 ， 多 个 DSP芯 片 的 并 行 处 理 已 成 为 研 究 的 热 点 。3.3 DSP 芯 片 的 选 择设 计D SP应 用 系 统 ， 选 择D SP芯 片 时 非 常 重 要 的 一 个 环 节 。 只 有 选 定 了 DSP芯 片 才能 进 一 步 设 计 外 围 电 路 集 系 统 的 其 它 电 路 。 总 的 来 说 ， DSP芯 片 的 选 择 应 根 据 实 际 的 应用 系 统 需 要 而

43、确 定 。 一 般 来 说 ， 选 择D SP芯 片 时 考 虑 如 下 诸 多 因 素 6。（ 1） DSP芯 片 的 运 算 速 度 。 运 算 速 度 是 DSP芯 片 的 一 个 最 重 要 的 性 能 指 标 ， 也 是 选择D SP芯 片 时 所 需 要 考 虑 的 一 个 主 要 因 素 。（ 2） DSP芯 片 的 价 格 。 根 据 价 格 实 际 的 应 用 情 况 ， 确 定 一 个 价 格 适 中 的 DSP芯 片 。（ 3） DSP芯 片 的 硬 件 资 源 。（ 4） DSP芯 片 的 运 算 速 度 。（ 5） DSP芯 片 的 开 发 工 具 。（ 6） DSP

44、芯 片 的 功 耗 。（ 7） 其 它 的 因 素 ， 如 封 装 的 形 式 、 质 量 标 准 、 生 命 周 期 等 。3.4 DSP 系 统 的 构 成数 字 信 号 处 理 器 是 利 用 计 算 机 或 专 用 处 理 设 备 ， 在 模 拟 信 号 变 换 成 数 字 信 号 以后 ， 以 数 字 形 式 对 信 号 进 行 采 集 、 变 换 、 滤 波 、 估 值 、 增 强 、 压 缩 、 识 别 等 高 速 实时 处 理 的 专 用 处 理 器 ， 其 处 理 速 度 比 最 快 的 CPU 还 快 10 50 倍 。 一 个 典 型 的 DSP 系统 ， 输 入 信 号

45、 首 先 进 行 带 限 滤 波 和 抽 样 ， 然 后 进 行 A/D 变 换 将 信 号 变 换 成 数 字 比 特 流 。DSP 芯 片 的 输 入 是 A/D 变 换 后 得 到 的 以 抽 样 形 式 表 示 的 数 字 信 号 ， DSP 芯 片 对 输 入 的数 字 信 号 进 行 某 种 形 式 的 处 理 ， 如 进 行 一 系 列 的 乘 累 加 操作 （ MAC） 。 最 后 ， 经 过 处理 后 的 数 字 样 值 再 经 D/A（ Digital to Analog） 变 换 转 换 为 模 拟 样 值 ， 之 后 再 进 行 内 插和 平 滑 滤 波 就 可 得 到

46、 连 续 的 模 拟 波 形 。 必 须 指 出 的 是 ， 上 面 给 出 的 DSP 系 统 模 型 是 一个 典 型 模 型 ， 但 并 不 是 所 有 的 DSP 系 统 都 必 须 具 有 模 型 中 的 所 有 部 件 7。3.5 DSP 系 统 的 特 点数 字 信 号 处 理 系 统 是 以 数 字 信 号 处 理 为 基 础 ， 因 此 具 有 数 字 处 理 的 全 部 优 点13：（ 1） 接 口 和 编 程 方 便 。 DSP 系 统 与 其 他 以 现 代 数 字 技 术 为 基 础 的 系 统 或 设 备 都是 相 互 兼 容 的 ， 与 这 样 的 系 统 接 口

47、 以 实 现 某 种 功 能 要 比 模 拟 系 统 与 这 些 系 统 接 口 容易 得 多 ； 另 外 ， DSP 系 统 中 的 可 编 程 DSP 芯 片 可 使 设 计 人 员 在 开 发 过 程 中 灵 活 方 便 地黄石理工学院 毕业设计（论文）12对 软 件 进 行 修 改 和 升 级 。（ 2） 稳 定 性 和 可 重 复 性 好 。 DSP 系 统 以 数 字 处 理 为 基 础 ， 受 环 境 温 度 、 湿 度 、噪 声 、 电 磁 场 的 干 扰 和 影 响 较 小 ， 可 靠 性 高 ； 数 字 系 统 的 性 能 基 本 不 受 元 器 件 参 数性 能 变 化

48、的 影 响 ， 因 此 数 字 系 统 便 于 测 试 、 调 试 和 大 规 模 生 产 。（ 3） 精 度 高 。 16 位 数 字 系 统 可 以 达 到 很 高 的 精 度 。（ 4） 特 殊 应 用 。 有 些 应 用 只 有 数 字 系 统 才 能 实 现 ， 例 如 信 息 无 失 真 压 缩 、V 型 滤波 器 、 线 性 相 位 滤 波 器 等 等 。（ 5） 集 成 方 便 。 DSP 系 统 中 的 数 字 部 件 有 高 度 的 规 范 性 ， 便 于 大 规 模 集 成 。 当然 ， 数 字 信 号 处 理 在 高 频 信 号 处 理 上 也 存 在 一 定 的 缺

49、点 。 DSP 系 统 中 的 高 速 时 钟 可 能带 来 高 频 干 扰 和 电 磁 泄 漏 等 问 题 ， 而 且 DSP 系 统 消 耗 的 功 率 也 较 大 。 此 外 ， DSP 技 术更 新 的 速 度 快 ， 数 学 知 识 要 求 多 ， 开 发 和 调 试 工 具 还 不 尽 完 善 。3.6 基 于 DSP 和 FPGA 结 合 的 电 力 电 子 控 制 系 统 的 特 点DSP系统具有运算速度快、能力强，精度高等优点。 FPGA具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短抗干扰能力强等优点。 本文结合两者特点，将D SP和F PGA有机结合使用，合理的将控制系统的各项工作分配如下：（本文主要介绍D SP模块） DSP完成以下五项工作：数据的采集和处理、管理F PGA和各种外部设备的接口、控制算法的完成、P WM脉冲值的计算和保护中断的处理。 FPGA完成以下两项工作：脉冲的输出和死区的产生；保护信号的处理。 基于D SP和F PGA结合的电力电子控制系统可以把二者优点结合一起，兼顾速度和灵活性，既满足底层信号处理要求，又满足高层信号处理要求。 DSP+FPGA系统最大优点是有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够