探讨嵌入式系统设计方法在电力电子系统集成中应用

探讨嵌入式系统设计方法在电力电子系统集成中应用

杜江

广东赛能科技股份有限公司

摘要：嵌入式系统设计方法因具有自身的独特性，近年来被广泛应用于现代信息产业的各个领域，本文介绍了将嵌入式系统设计方法应用于单利电子系统集成中的意义与方法，以期在满足当前电力电子器件研发需要的基础上，为后续电力电子器件的可持续发展提供支持，希望能够给读者带来启发。

关键词：嵌入式系统；设计方法；电子电力系统

引言：近年来，为切实满足人们对电力资源的需要，我国的电网综合自动化系统得到了有效的发展，面对上述情况，可以将较为成熟的嵌入式系统设计方法应用于电力电子系统的集成工作当中，以便保证电力电子系统的时效性、可靠性等性能，并切实满足当前电力电子系统的发展需要。

一、将嵌入式系统设计方法应用于电力电子系统集成中的意义

在电力电子技术飞速发展的背景下，大量高新技术器件得到了研发与应用，但受传统器件安装使用方法在设计上存在滞后性，无法令控制系统与拓扑结构及时有效得到应用的影响，部分复杂精密的电力电子设备使用效果无法切实满足人们的实际需要。现阶段，对嵌入式系统与电力电子系统进行对比后可以发现，由于两者间存在着一定的相似性，因此，为切实解决上述问题，将嵌入式系统设计方式引入电力电子系统集成中，已经成为切实弥补传统设计方法缺陷，缩短器件研发周期、降低其研发成本的有效方式之一^[1]。

二、将嵌入式系统设计方法应用于电力电子系统集成中的方法

近年来，随着集成技术的不断发展，将众多系统集成到一个芯片上的难度不断降低，这种情况的出现不仅大大降低了系统所占的体积，还有效提升了系统应用的可靠性与节能性，在当前的电力电子系统集成的过程中，由于嵌入式系统的发展方向与电力电子系统的集成发展方向存在较高的一致性，为进一步降低电力电子系统的集成难度，将嵌入式系统的设计方法应用于电力电子集成系统中成为了一项极为重要的工作。

（一）嵌入式系统的相关技术

一个完整的嵌入式系统主要由嵌入式计算机、操作系统与应用软件所组成，近年来，随着科学技术的不断发展，嵌入式系统、计算机技术、大规模集成技术等高新技术得到了有效发展，上述技术产品的实用性不断提高，这种情况的出现不仅使嵌入式系统设计的应用范围不断扩大，还使其使用效果得到了有效的提升。

1.嵌入式系统的网络接入模式

在实际应用过程中，嵌入式系统的网络接入模式可分成直接接入与通过网关接入2种网络接入模式，其中，直接接入式网络模式要求远程测控终端具有以太网接口，并且支持TCP/IP协议，以便系统在应用过程中能够从中获取相应的互联网协议地址，并且在系统工作时，通过该互联网协议地址对远程测控终端进行访问。而网关接入模式是一种用网关将网络与远程测控终端连接到一起的网络接入模式，在实际使用过程中可以接受请求并以此为基础收集数据。

2.嵌入式操作系统的裁减与移植

近年来，在电网系统覆盖面积不断扩大，复杂程度不断提升的背景下，其运维管理难度不断加大，现阶段，为切实解决上述问题，进一步提升嵌入式系统在使用过程中的兼容性，在嵌入式系统中引入多任务操作系统、使用高级语言开发程序，成为提高系统一致性，降低系统开发难度的有效方式。但需要注意的是，多任务操作系统的引入对系统硬件的要求有所提高，这种情况的出现进一步提升了嵌入式系统的开发成本，面对上述情况，对操作系统进行预处理，选择合适的控制系统，并对系统进行适度的简化处理，成为有效控制系统开发成本的关键点之一。

（二）嵌入式系统相关技术在电力电子系统中的应用

本文主要以嵌入式系统相关技术在电力电子系统仿真平台搭建实物装置前的系统设计方案验证为例，对电力电子系统进行了分析。

1.电力电子系统的程序框架

在构建电力电子系统的过程中，初始化、数值积分算法、采样储存是构成系统的关键部分，在系统建模过程中，为降低模拟工作的难度，主要以理想开关模型为基础，采用梯形法对数值积分情况进行分析计算。

2.编程思路

在开展电力电子系统平台设计仿真时，为进一步提升系统平台的通用性，在进行平台仿真的过程中，不仅需要提升嵌入式系统与桌面计算机设计间的区别，还要尽可能降低仿真平台对一些嵌入式系统软/硬件的依赖，从而保障系统平台能够切实满足其预期使用要求。为切实实现上述目标，在进行平台仿真设计的过程中，首先，应对仿真结果进行隔点采样处理，避免一些嵌入式系统因随机存取存储器空间过小，而出现数据溢出问题；其次，采用其他方式代替定时器中断，保证程序运行刽收到芯片运算速度差异的影响；再次，在程序编写时，尽可能使用ANSI—C标准C，从而保证系统能够兼容不同的系统平台；最后，尽量避免引用绝对内存地址。

3.动态过程可视化

在推动嵌入式仿真平台朝着现代化、数字化方向发展的过程中，为保证嵌入式仿真平台的实用性，需对平台系统进行数据可视化处理。具体来说，区别于计算机仿真，嵌入式系统的仿真主要以数组的形式，存储于随机存取存储器当中，无法呈现在用户眼前，在用户调用信息的过程中，需要借助上位机将数字信息进行仿真处理，即在工作过程中，系统一方面可以通过传统通信的方式，将随机存取存储器中的数据转移至上位机中，实现数据的可视化处理，另一方面可以通过Code Composer Studio集成绘图模块，实现数组信息的可视化处理。本文在模拟过程中主要以STM32 ARM芯片为基础，开发环境则选用Keil MDK，借助开发环境中的UVSOCK（TCP/IP）接口连接上位机中的Keil Array Visua

ization软件，以便用波形图的形式，将数组绘制出来。

4.平台的仿真验证

为切实了解方案是否可行，可以分别用STM32与Simulink软件，对Buck、Boost电路进行仿真处理，在仿真过程中，第一，Buck电路中每个开关器件状态的改变，都会导致三种以上的空间状态变化，在仿真过程中，若Buck电路的输入电压为10v，参考占空因数是0.5，PWM频率是10kHz，仿真频率与其STM32仿真解与Simulink仿真解间的相对误差呈反比例关系，并且当仿真频率为状态空间切换频率的百分之一倍时，误差较为明显。第二，采用与Buck电路相同的分析方法，对Boost电路进行分析，可以了解到，在输入电压为10V，占空因数为0.5的基础上，设电路的开关频率分别为10kHz与1MHz，可以得到当电路仿真频率提高时，其平均相对误差随之下降。从总体上看，将嵌入式系统的数字化实现方法应用于电力电子模型当中，可以有效提升系统工作的有效性，为系统平台应用过程中人机交互工作的开展提供有力的支持。因此，在当前的电力电子系统集成过程中，合理应用嵌入式系统设计方法是一项极为必要的工作^[2]。

结论：总而言之，对最新的嵌入式软/硬件协同设计流程进行分析后可以了解到，将嵌入式系统设计理念应用于电力电子系统集成中存在较高的可行性，因此，在当前电力电子系统的集成过程中，为切实保证系统的集成效果能够切实满足系统设计使用需要，对嵌入式系统的设计方法进行研究借鉴，成为了一项极为必要的工作。

参考文献：

[1]洪建超,林国庆.一种耦合电感零纹波高增益DC/DC变换器[J].电器与能效管理技术,2021(02):88-93.

[2]樊潇,潘本仁,胡斯登,等.直流电力电子变换器的嵌入式仿真平台研究[J].电器与能效管理技术,2020(9):63-67.