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Copyright ?2011-, All Rights Reserved. 鄂ICP备第31卷第2期2011年2月；电力自动化设备；ElectricPowerAutomationE；Vol．31No.2Feb.2011；基于DSP和FPGA的光伏并网控制器设计与实现；飞，费树岷，周杏鹏；（东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室；摘要：提出一种DSP和现场可编程门阵列（FPGA；关键词：单相光伏并网；现场可编程门阵列；压频转换；文献标识
第31卷第2期2011年2月电力自动化设备ElectricPowerAutomationEquipmentVol．31No.2Feb.2011基于DSP和FPGA的光伏并网控制器设计与实现郑飞，费树岷，周杏鹏（东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室，江苏南京210096）摘要：提出一种DSP和现场可编程门阵列（FPGA）双CPU结构的新型单相光伏并网控制方案。DSP负责基于压频转换器的高精度数据采集、最大功率点跟踪算法和电压控制环,并将计算出的最大功率点跟踪电流通过串行外围设备接口（SPI）通信方式传送给FPGA；FPGA负责新型电网电压数字锁相环算法、电流环无差拍控制和正弦脉宽调制（SPWM）驱动算法，并通过光耦HCPL-316J驱动电路控制逆变器各桥臂开关的通断。该方案被应用于一台5kW单相光伏并网逆变器中。实验表明：该控制器集DSP快速运算性能和FPGA的高可靠性于一体，并网运行性能好。关键词：单相光伏并网；现场可编程门阵列；压频转换；数字锁相环；驱动电路中图分类号：TM761文献标识码：A文章编号：（84－06IpvUpvC1光伏阵列单相逆变器0引言RLi0T1:2固态继电器光伏并网控制器作为光伏并网系统的控制核心，负责将光伏阵列的直流电逆变为与电网电压同频同相的交流电并入电网，其实时性和稳定性对于复杂天气条件下的稳定并网运行具有重要作用。目前光伏并网控制器一般采用DSP进行设计［1-7］，DSP虽然在快速运算方面具有优越性，但是在要求高可靠性的电路驱动方面，却不如将驱动算法以电路逻辑方式固化的现场可编程门阵列（FPGA），故基于DSP和FPGA双CPU结构的控制器在有源电力滤波器、逆变器电源等中得到了很好的应用［8-10］。现提出一种DSP和FPGA双CPU结构的新型单相光伏并网控制方案。首先DSP通过基于压频转换器的高精度数据采集、最大功率点跟踪算法［11-13］和电压控制环计算出最大功率点跟踪电流，然后通过串行外围设备接口（SPI）通信方式将此电流传送给FPGA，FPGA通过新型电网电压数字锁相环算法、电流环无差拍控制［14-15］和正弦脉宽调制（SPWM）驱动算法发出SPWM波形，并通过光耦HCPL-316J驱动电路控制逆变器各桥臂开关的通断，最后将该方案应用于5kW单相光伏并网系统中，并给出并网实验效果。AC基于HCPL-316J的驱动电路基于压频转换器的采样电路1基于压频转换器的采样电路2基于压频转换器的采样电路3基于压频转换器的采样电路4UpvIpvi0u0PWM3PWM4最大功率点跟踪直流母线电压控制PWM1PWM2并网驱动电路SPWMSPI通信驱动算法无差拍控制DSP控制器过零检测电路数字锁相环算法PWM5FPGA控制器图1单相光伏并网系统框图Fig.1Blockdiagramofsingle-phasePVgrid-connectedsystem1系统总体设计如图1所示，光伏并网系统功率电路主要包括光伏阵列、防反冲二极管、稳压电容、单相逆变器、滤波电抗器、工频隔离变压器和并网固态继电器，控制系统主要由DSP和FPGA2个部分构成。系统工作原理为：基于DSP和FPGA双CPU结构的光伏并网控收稿日期：；修回日期：制器控制发出SPWM信号驱动单相逆变器工作，将光伏阵列输出的直流电压逆变为交流电压，并通过滤波器滤波后并入电网。具体工作流程为：FPGA根据过零检测电路产生的与电网电压同步的方波信号和数字锁相环算法，产生一个与电网电压同频同相的基准正弦信号，并以基准正弦数组的形式存放在其内部；DSP通过4个基于压频转换器的采样电路分别采集光伏阵列输出电压Upv和电流Ipv、逆变器输出电流i0、电网电压u0，根据最大功率点跟踪算法［11-13］和直流母线电压调节器计算最大功率点跟踪电流Iref，并通过SPI通信接口将Iref传输给FPGA；FPGA将Iref与基准正弦数组指针所对应数据相乘，形成幅值可调的正弦电流指令。由于基准正弦数组指针是与电网电压同步的，因此得到的正弦电流指令也与电网电压同步，在无差拍控制［14-15］作用下，形成一个新的数组，将此数组第2期郑飞，等：基于DSP和FPGA的光伏并网控制器设计与实现送入SPWM发生器的比较器中，一旦三角载波的计数值与该数组中的值相匹配，则PWM脉冲电平翻转，并且经死区控制器后，控制单相逆变器的4个IGBT功率管的通断，实现逆变器输出电流跟踪给定的正弦电流指令，保证逆变器输出电流与电网电压同频同相；一旦不满足并网条件，则FPGA通过并网指令PWM5经并网驱动电路控制固态继电器断开，使逆变器与电网解列。22.1关键技术研究的5脚输出。该采样保持电路使得DSP捕获频率信号时，相应的压频转换电路输入电压保持不变。由于采样芯片LF398的工作使能信号PWM_05高电平时有效，而如果PWM_05高电平时间较长，则输出的采样电压信号将是渐变的阶梯状；如果PWM_05高电平时间较短，则可能无法有效使能采样保持电路，因此需折中考虑PWM_05高电平的持续时间，选取PWM_05的高、低电平持续时间均为0.1ms。由图3可知，压频转换电路的输出频率为（1）fout=-UinRs12.09RinRtCt选取Rin=100kΩ，RtCt=6.8×10-6μs，微调电位器使得Rs=14.2kΩ，则式（1）简化为（2）fout=-10000Uin（Hz）选取信号调理电路输出电压Uin在-7.5~-2.5V之间，则由式（2）可知压频转换器输出到DSP捕获口的信号频率范围为25~75kHz，设置定时器T3的周期0.1ms为采样保持周期，则在一个采样周期内，输入到压频转换电路中的电压值不变，压频转换电路的输出频率也不变且能维持多个周期，DSP捕获口至少能捕获到2次有效沿，通过使能捕获口中断可以读取每2次有效沿之间的计数值差，每个采样周期结束时，计算在此周期中多次DSP捕获口中断获得计数值的平均值c，设置时钟分频系数NTPS=3，最后由式（3）计算得到相应的采样电压。6U=150×N10×10-32×2cTPS基于压频转换器的采样电路基于压频转换器的采样电路包括电流互感器、信号调理电路、采样保持器、压频转换器、光电耦合器和DSP28335芯片,见图2。工作原理为：信号调理电路将电流互感器的输出电压变换到压频转换器所能接收的电压范围-10~0V内；采样保持器实现连续电压模拟量的离散化，保证在DSP中定时器控制的采样周期内，输入到压频转换器的电压为一定值，便于压频转换器的电压-频率转换；压频转换器将电压信号转换成相应的频率数值，使DSP通过频率测量来实现对电压的间接测量；光电耦合器使压频转换器与DSP芯片隔离，保护DSP安全。并网电流i0定时器控制信号输出电流互感器信号调理电路采样保持器压频转换器光电捕获DSP耦合器口图2数据采集电路框图（3）Fig.2Blockdiagramofdataacquisitioncircuit图3所示为基于LF398的采样保持电路和由LM331和LF411构成的压频转换电路。信号调理电路的输出与LF398的3脚相连，DSP的GPIO口PWM_05与LF398的8脚相连，采样电压信号从LF398R59+15VR58Rt0.01μFCtR57CAP_1510kΩ+5V_2R552.2kΩ为检查压频转换电路的精度，特在压频转换电路输入端直接加上不同幅值的直流电压，通过DSP捕获口读取频率，并计算出相应的采样电压值，列成表1。可见：在采样频率为10kHz、输入电压为-7.5~-2.5V时，该基于压频转换电路的采样电路的采样精度达到0.1%，且线性度好。表1数据采集表10kΩ10kΩ6.8kΩ865R5623LM33175kΩ12.1kΩ1PWM_05C6448760.01μFRin3Cf5LF398100kΩ0.0047μF14+15V+15V-15V726-+3LF41184R54-15V10kΩR54C651μF1MΩ-15V+15VR531MΩ1kΩTab.1Dataacquisitiontable压频转换器输入电压／VDSP捕获口计数值计算的电压值／VVD24-2.50-3.00-3.50-4.00-4.50-5.01-5.51-6.00-6.50-7.00-7.-2.502-3.003-3.500-3.998-4.500-5.010-5.508-6.002-6.501-7.001-7.512图3采样保持和压频转换器电路Fig.3Sampling，holdingandVFCcircuit2.2SPI通信由于TMS320F28335内部有SPI通信模块，因此将DSP设为主设备，为通信提供时钟信号，FPGA作为从设备，利用VerilogHDL语言编程实现SPI通电力自动化设备信模块，检测发送使能引脚信号来接收数据。设置SPI通信时钟频率为6fSYS（4）=150×10=5×106（Hz）NSPI+129+1其中，fSYS为DSP系统时钟；NSPI为SPI通信时钟的分第31卷fSPI=频系数。通过写控制寄存器，设置DSP在通信时钟的上升沿发送数据，下降沿接收数据。由于DSP发送的数据为左对齐，首先接收到的信号为最高位，因此FPGA只需将接收到的DSP数据逐位左移即可实现数据接收。当检测到SPISTE引脚为低电平时，说明DSP正在发送数据；若检测到SPICLK为高电平，则FPGA逐位读取数据，并且左移一位后等待下一次SPICLK为高电平；当检测到SPISTE为高电平时，说明FPGA已接收完DSP所发数据，FPGA将接收到的数据存储到已定义好的数组中，数组长度为8，然后等待下一次DSP数据的发送，具体流程详见图4。初始化使能SPI中断设置控制寄存器等待发送寄存器中有数据？初始化等待将接收的数据存入数组SPISTE为低电平？NY等待NNY开始发送数据（a）DSP通信流程SPICLK为高电平？Y读取数据，且数据左移1位（b）FPGA通信流程图4DSP与FPGA间SPI通信流程Fig.4FlowchartofSPIcommunicationbetweenDSPandFPGA2.3基于FPGA的数字锁相环2.3.1过零检测电路为检测电网电压的过零点，需将电网电压的交流信号转换成方波信号，输入到FPGA引脚。由于市电频率是50Hz，电网电压经变压器降压为9V后可直接采用慢速光耦TLP521隔离后接入FPGA，电路原理如图5所示。由于光耦TLP521的输入端内部是一个发光二极管，具有正向导通、反向截止的特点，因此当输入为交流正半周时，发光二极管导通，产生光电流，从而三极管导通，光耦TLP521输出低电平；反之，则光耦TLP521输出高电平3.3V。此处光耦不仅将交流信号转换成方波信号，而且使输入、输出间相互隔离，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，另外由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。3.3VccR168变压器副边9V数字锁相算法过零检测电路输出的信号为与电网电压同步的方波信号，一旦在FPGA软件中检测到此方波的上升沿时刻，则意味着到了电网电压的过零点时刻，所设置的基准同步正弦数组的首地址必须刷新，开始一个新的周期，在FPGA中利用always@（posedgenet）（net为与电网电压同步的方波信号）语句很容易检测其上升沿，但是由于在上升沿这一时刻，需要处理多个任务，FPGA时序容易出错。因此，将检测此方波信号的上升沿时刻转换为首先在FPGA内部将此上升沿时刻扩展为一段比较窄的高电平脉冲信号，然后通过检测此高电平来执行多个任务。这里根据上升沿时刻所触发的高电平脉冲的持续时间非常关键，因为若持续时间太短，则会影响FPGA程序的正确运行；若太长，则会影响锁相环对电网周期的计算准确度，经反复调试，折中选取高电平的持续时间为37.5μs。由于采用的三角波载波频率为10kHz，而调制正弦波频率为50Hz，因此，一个调制波0°~360°范围内每隔1.8°选取一个点，共有200个点，将此正弦波数组记为a［i］（i=0，1，…，199），该数组的首地址和间隔分别决定锁相环的初始相位和频率，当电网电压的过零点脉冲到来时，数组地址指针i刷新为0，则数组a的计算式为（5）a［i］=99sin（2πi／200）+100第1次过零点脉冲到来时，默认第1个周期为20ms，数组间隔b=20／200=0.1ms；不是第1次过零点脉冲到时，计数器对前后2次过零点脉冲的间隔时间进行计数；下一个周期的数组间隔b=上一周期计数值／200，即b=c1／200；一旦计数值c2与数组间隔b相等，则数组a地址指针即锁相环相位指针i=i+1，c2刷新为0，重新开始计数，具体流程见图6。2.3.2开始第1个过零点脉冲到？YN初始化相位指针i=1计数器c1=0c1=c1+1计数器c1从0开始计时到下一个过零点脉冲？初始化相位指针i=1初始化间隔Nb=0.1msY刷新间隔b=c1／200c2=0c2=c2+1c2=b？Yi=i+1NNR16910kΩIO14312CON21kΩOPTOISO1i=200或过零点脉冲到？Y图5过零检测电路图6数字锁相算法流程Fig.5Zero-detectioncircuitFig.6Flowchartofdigitalphase-lockedloopalgorithm第2期郑飞，等：基于DSP和FPGA的光伏并网控制器设计与实现其特点在于：每个工频周期内基准正弦信号的频率和相位均动态刷新一次，没有累积误差,简单、实用。另外，考虑过零检测电路对电网电压初相位的滞后影响，经过大量实验调试，最终选取当检测到电网电压的过零点脉冲时，数组a地址指针i刷新为1，实现并网电流与电网电压的精确同步。2.4基于HCPL-316J的驱动电路采用光耦驱动器HCPL-316J来控制单相逆变器中IGBT的通断。该驱动器内部不仅集成了高速光耦，而且实现了IGBT软关断、欠电压保护、过电压保护等功能，只需使用少量外围器件。HCPL-316J的关键信号逻辑关系为：当且仅当FAULT端为高电平时，控制信号Vin+和Vin－才有效；当故障信号FAULT为低电平时，控制信号Vin+和Vin－均不起作用；复位端RESET的作用并不是使芯片复位，而是使FAULT端复位，从而使输入Vin+和Vin－失效。由于1片HCPL-316J只能驱动1个IGBT，所以一对上、下桥臂IGBT需用2片HCPL-316J，而在逆变器工作时，上、下2个桥臂不能同时开通，否则主电路短路，对于这种高电压大电流的功率电路而言，将是灾难性的事故，必须在硬件电路上进行设计，防止上、下桥臂直通。采用的设计为：若上桥臂HCPL-316J的Vin+接驱动信号PWM1，Vin-接驱动信号PWM2，则下桥臂HCPL-316J与此相反，下桥臂HCPL-316J的Vin+接PWM2，Vin-接PWM1。同时，上桥臂HCPL-316J的RESET端接PWM2取反后的信号PWM2，下桥臂HCPL-316J的RESET端接PWM1取反后的信号PWM1，则当PWM1和PWM2同时为高时，上、下2个桥臂只能同时关断，不会同时导通。驱动电路原理详见图7，驱动信号PWM1和PWM2由FPGA发出，中间经过排线到达驱动板，再经7414芯片后输入驱动芯片HCPL-316J，7414不仅能为PWM1和PWM2取反，方便控制2片驱动器HCPL-316J的RESET端，而且能有效对PWM1和PWM2进行信号整形，防止因驱动信号畸变而导致IGBT开关误动作。161Vin+Ve215Vin-VLED2+PWM2514RESETDESAT+5VC15133Vcc2Vcc112VcR136FAULT111VoutFAULT7Vled1+104C16GND1Vee8Vled1-Vee9PWM1PWM2HCPL-316JC12+15V_1C14C11于载波频率为10kHz，工作周期为100μs，而功率开关器件IGBT以及与IGBT相并联的反向二极管均存在反向恢复时间，因此为防止上、下桥臂同时导通而损坏电路，必须从软件上保证驱动单相逆变器上、下桥臂的2路SPWM脉冲具有一定的死区时间，即保证同一桥臂上的一只IGBT可靠关断后，另一只开关管才能开通。采取延时导通和按时关断的单边不对称死区设置方式，死区时间设为2μs，算法流程见图8。将SPWM波形和死区标志flag逻辑相与后输出，即可得到具有死区的SPWM波形。设置死区时间t0死区标志flag=0计数器c1=0N正弦数组存储值等于三角载波计数值？Y死区标志flag=1c1=c1+1c1==t0？YN图8死区算法流程Fig.8Flowchartofdead-zonealgorithm3实验验证R12VD1为验证所提控制方案在实际应用中的效果，特开发一台5kW光伏并网实验平台。直流母线稳压电容为2200μF，IGBT为FGA25N120ANTD（耐压为1200V），滤波电抗器为1mH，工频隔离变压器变比为1:2，最大功率点跟踪电压范围为200～400V。图9（a）为电网电压经信号调理电路后的输出波形u01，可见已将交流220V电压信号调理到压频转换器的最佳线性工作区间-7.5~-2.5V内；图9（b）为输入DSP捕获口的信号波形u02，可见输入到DSP捕获口的波形频率是随压频转换器输入电压的变化而变化的；图9（c）为与电网电压同步的方波信号u03和数字锁相环波形u04，可见第1个电网电压过零点时刻，即第1个方波信号上升沿时刻，就实现了锁相；图9（d）为FPGA输出的载波频率为10kHz的SPWM波形；图9（e）为电网电压u0与逆变器输出电流i0波u01：2V／divRg1R11C13IGBT1-5V_1GND_1t：5ms／div（a）电网电压u0经信号调理电路的输出波形u01图7基于HCPL-316J的驱动电路2.5带有死区的SPWM算法SPWM波形通过在同一个时钟基准下比较调制波正弦数组和三角载波的大小而产生，当正弦数组大于三角载波时，输出高电平；否则，输出低电平。由u02：1V／divFig.7DrivecircuitbasedonHCPL-316Jt：2ms／div（b）电网电压u0经压频转换器的输出波形u02电力自动化设备u03，u04：1V／divu04第31卷［3］张海波，孙邦伍，原慧军，等.基于DSP太阳能光伏并网系统的应用研究［J］.农业工程学报，2006，22（增刊1）：171-174.u03t：5ms／div（c）与网压同步方波信号u03和数字锁相环波形u04uSPWM：1V／divt：2ms／div（d）SPWM波形u0：5V／div，i0：10A／divi0u0t：2ms／div（e）电网电压u0和逆变器输出电流i0波形图9实验结果Fig.9Experimentalresults形，可见实现了单位功率因数并网运行。4结论提出了一种基于DSP和FPGA双CPU结构的单相光伏并网控制器新型设计方案，并成功应用于一台5kW单相并网逆变器中，实现了单位功率因数并网运行。该方案集DSP快速运算的实时性和FPGA的高可靠性于一体，有以下优点：a.基于压频转换器和DSP捕获口的数据采集电路不仅成本较低，实现了外围电路与DSP间的隔离，而且有效兼顾了采样的快速性和高精度，使DSP能根据当前天气情况快速计算出当前时刻的最大功率点跟踪电流；b.FPGA集SPI通信、数字锁相环算法、电流内环无差拍控制和SPWM驱动算法于一体，能有效实现逆变器输出电流对电网电压快速稳定地跟踪；c.FPGA中SPWM驱动算法的死区设计和基于光耦HCPL-316J的驱动电路设计从软、硬件两方面有效避免了逆变器上、下桥臂的直通现象，保障系统安全。参考文献：［1］张承慧，叶颖，陈阿莲，等.基于输出电流控制的光伏并网逆变电源［J］.电工技术学报，）：41-45.ZHANGChenghui，YEYing，CHENAlian，etal.Researchongrid-connectedphotovoltaicinverterbasedonoutputcurrentcontrol［J］.TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，）：41-45.［2］马茜，戴瑜兴，易龙强.基于DSP的光伏并网发电系统软件锁相技术［J］.电力自动化设备，）：99-102.MAQian，DAIYuxing，YILongqiang.SoftwarePLLofgrid-con-nectedPVpowergenerationsystembasedonDSP［J］.ElectricPowerAutomationEquipment，）：99-102.ZHANGHaibo，SUNBangwu，YUANHuijun，etal.Applicationandstudyofsolarphotovoltaicgrid-connectedsystembasedonDSP［J］.TransactionsoftheCSAE，2006，22（Supplement1）：171-174.［4］陈愚，潘俊民，禹华军，等.光伏并网发电系统的DSP控制与实现［J］.微计算机应用，）：449-452.CHENYu，PANJunmin，YUHuajun.DSPcontrolandrealiza-tioninPVgrid-connectedsystem［J］.MicrocomputerApplica-tions，）：449-452.［5］YUWenlong，LEETingpeng，WUGuanhong，etal.ADSP-basedsingle-stagemaximumpowerpointtrackingPVinverter［C］∥Ap-pliedPowerElectronicsConferenceandExposition.PalmSprings，CA，USA：IEEE，2.［6］LIANGZhigang，ALESIL，ZHOUXiaohu，etal.Digitalcontrollerdevelopmentforgrid-tiedphotovoltaicinverterwithmodelbasedtechnique［C］∥AppliedPowerElectronicsConferenceandExpo-sition.PalmSprings，CA，USA：IEEE，3.［7］CHIANGWenjung，JOUHurngliahng，WUJinnchang.Maximumpowerpointtrackingmethodforthevoltage-modegrid-con-nectedinverterofphotovoltaicgenerationsystem［C］∥IEEEInternationalConferenceonSustainableEnergyTechnologies.Singapore：IEEE，.［8］郭伟峰，杨世彦，杨威，等.基于DSP-FPGA全数字控制的并联有源电力滤波器［J］.电工技术学报，）：123-127.GUOWeifeng，YANGShiyan，YANGWei，etal.ShuntactivepowerfilterbasedonDSP-FPGAfullydigitalcontrol［J］.Transac-tionsofChinaElectrotechnicalSociety，）：123-127.［9］左小琼，孙建军，查晓明.基于DSP和FPGA实现的逆变电源重复学习控制［J］.电工技术学报，）：42-46.ZUOXiaoqiong，SUNJianjun，ZHAXiaoming.RepetitivelearningcontrolofinvertersystemanditsDSP-FPGAimplementation［J］.TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，）：42-46.［10］孙大南，李哲峰，王少林，等.基于DSP-FPGA全数字控制的矢量控制系统［J］.电力电子技术，）：26-27.SUNDanan，L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　基于DSP和FPGA的激光数控加工系统的设计_电脑基础知识...通过对以 DSP 和 FPGA 为核心 的加工控制部分的软...采用了存储器作为加工数据的缓存,但仅仅依靠这种方式... 　郑小梅 来源:《现代电子技术》2009 年第 06 期 摘要:针对印染设备多单元同步控制中动态性和稳定性的问题,提出一种基于 DSP 和 FPGA 的嵌入式同步控制器设计方案... 　的图像处理系统设计本科毕业设计 摘要 本文研究了以 TI 高性能 DSP 为核心处理器的视频实时图像处理系统的设计原理与组 成,并基于 DSP + FPGA 架构实现了视频... 　年月 答辩日期 年月 摘要本文研究了以 TI 高性能 DSP 为核心处理器的视频实时图像处理系统的设计原理与组 成,并基于 DSP + FPGA 架构实现了视频图像处理系统。... 　毕业设计(论文)-基于DSP+FPGA的网络化测控系统的设计与开发-_工学_高等教育_教育...本课题结合网络化虚拟仪器和嵌入式控制系统的特点与优势,设计实现了 具有网络通... 　(不少于 1000 字) 姓名 伊鹏飞 指导教师 邵树渊 基于 DSP 和 FPGA 的工业机器人运动控制器设计 科研□ 工程设计类□ 生产□ 实验室□ 专题研究□ 企业联合□... 　基于DSP和FPGA的通用图像处理平台设计_电子/电路_工程科技_专业资料。基于DSP和...而 FPGA 子系统完 成 CCD 传感器图像数据的预处理以及微控制器通用接口功能。 ... 　DSP 应用技术――基于 DSP 与 FPGA 的四 轴运动控制器设计与研究 姓名:王丽娟 班级:电信 0901 学号:A 学院: 电气与信息学院 基于 DSP 与 FPGA 的...}