呂 飛，張松濤，吉 哲

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級聯(lián)多電平變換裝置分布式系統(tǒng)實現(xiàn)方案

呂 飛，張松濤，吉 哲

（海軍士官學(xué)校機(jī)電系，安徽 蚌埠 233012）

級聯(lián)多電平變換裝置因具有輸出波形失真少、元件電壓應(yīng)力低及電磁干擾小等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。文章提出了級聯(lián)多電平變換裝置的一種分布式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，變換裝置分布式系統(tǒng)由通用控制器、硬件管理器及功率單元等模塊通過改進(jìn)的運(yùn)動與控制環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)（MACRO）連接而成。分析了實現(xiàn)該方案的硬件結(jié)構(gòu)、功能和方案中采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其通訊協(xié)議，給出了解決同步問題的方法。

級聯(lián)多電平變換裝置 運(yùn)動與控制環(huán)形光纖網(wǎng) 通訊協(xié)議 同步

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子變換裝置的復(fù)雜性與可靠性及其應(yīng)用的廣泛性之間的矛盾越來越尖銳。這一矛盾對于大容量電力電子變換裝置尤為突出。模塊化設(shè)計是解決上述問題的有效手段之一。從提高電力電子裝置的可靠性和通用性出發(fā)，基于模塊化設(shè)計以及分層管理的思想，本文提出了級聯(lián)多電平變換裝置分布式控制的一種實現(xiàn)方案。

1 級聯(lián)多電平變換裝置分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力電子變換裝置的傳統(tǒng)設(shè)計和制造，存在非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動強(qiáng)度大、設(shè)計周期長、成本上升、可靠性低等問題。隨著海軍戰(zhàn)艦、潛艇等作戰(zhàn)平臺向電力推進(jìn)、區(qū)域配電、高能脈沖武器系統(tǒng)等電氣化程度更高的方向發(fā)展，對電力電子變換裝置的需求越來越多且可靠性要求越來越高。在大功率變換器的研究方面，電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES)）電力電子網(wǎng)絡(luò)、通用控制器、電能變換模塊、智能傳感模塊、電力電子系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)等方面都作了大量的研究工作，取得了一些成果[1-3]。

根據(jù)級聯(lián)多電平變換裝置的特點，從模塊化設(shè)計及分層管理的思想出發(fā)，本文提出了模塊化的分布式電力電子控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用這種結(jié)構(gòu)可以解決傳統(tǒng)集中式控制存在的點到點的連線過多、系統(tǒng)擴(kuò)展不方便等問題。在這種控制系統(tǒng)中，裝置由通用控制器、硬件管理器、功率單元模塊組成。各模塊通過運(yùn)動與控制光纖環(huán)網(wǎng)聯(lián)接連接成為一個整體，共同完成電能的變換。

2 級聯(lián)多電平變換裝置系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 通用控制器（UC）

通用控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示，通用控制器的結(jié)構(gòu)完全獨立于所控制的變換器。通用控制器的功能主要有[4]：

1）實現(xiàn)DeviceNet接口及其協(xié)議實時與人機(jī)接口連接，便于管理。

2）實現(xiàn)光纖通信接口及MACRO協(xié)議實時發(fā)送控制命令并接受硬件管理器的反饋信息。

3）實現(xiàn)反饋信息識別判斷處理，根據(jù)需要改變控制策略。

4）利用LED顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)。

圖1 級聯(lián)多電平變換器的模塊化分布式控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 通用控制器的組成框圖

通用控制器的核心是TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器DSP。通過對軟件的重構(gòu)即可完成系統(tǒng)的改進(jìn)和升級，從而大大減少費用。

2.2 硬件管理器（HM）

硬件管理器結(jié)構(gòu)組成框圖如圖3所示，硬件管理器是通用控制器與功率單元的橋梁。硬件管理器的功能主要有：

1）與通用控制器連接實現(xiàn)光纖通信及MACRO協(xié)議。

2）接受轉(zhuǎn)換電壓、電流、溫度等信息，并及時發(fā)出過壓、過流、過熱等保護(hù)的控制信號。

3）接收通用控制器的同步控制信號，實現(xiàn)同步功能。

4）接收來通用控制器的占空比等控制信號，實現(xiàn)PWM及死區(qū)插入功能。

5）實現(xiàn)驅(qū)動信號的隔離及放大。

圖3 硬件管理器的組成框圖

硬件管理器的主要功能由可編程邏輯器件PLD實現(xiàn)，PLD具有靈活、可重復(fù)使用、開發(fā)周期短等優(yōu)點。同時也增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了可靠性。硬件管理器根據(jù)所控制的硬件模塊的不同，可分為基于開關(guān)的硬件管理器、基于相臂的硬件管理器和基于H橋的硬件管理器等。基于相臂的硬件管理器如圖4所示。

如圖4所示，基于相臂的硬件管理器包括門級驅(qū)動；光纖通信接口，用來接收來自通用控制器的驅(qū)動信息及其向上反饋狀態(tài)信息；AD轉(zhuǎn)換器，把傳感器傳輸來的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量；一個隔離的直流電源作為板載驅(qū)動電源；可編程邏輯器件（PLD），用來編輯和存儲控制邏輯。

硬件管理器的管理邏輯是在可編程控制器PLD中設(shè)計和實現(xiàn)的，外圍電路包括光電收發(fā)轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、IGBT的門級驅(qū)動器等。硬件管理器中的PLD邏輯器件的設(shè)計是最重要和復(fù)雜的部分。

圖4 基于相臂的硬件管理器組成框圖

可編程邏輯器件PLD的主要功能是控制和協(xié)調(diào)串行通訊；處理接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)；給開關(guān)管發(fā)送PWM脈沖；獲取同步數(shù)據(jù)；實現(xiàn)電壓和電流的采樣；提供過壓和過流保護(hù)。

2.3 功率單元模塊

功率單元模塊主要包括功率器件、驅(qū)動單元與傳感器。主要功能有：

1）接受硬件控制器發(fā)出的控制信號并驅(qū)動相關(guān)器件實現(xiàn)電能變換。

2）檢測器件電壓、電流、溫度信息，并向硬件控制器傳送。

本文認(rèn)為現(xiàn)階段由于集成技術(shù)的限制以及干擾的存在，把硬件管理器與功率單元模塊分離更具有現(xiàn)實意義，同時也提高了設(shè)計的靈活性。

3 級聯(lián)多電平變換裝置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

如圖1所示，級聯(lián)多電平變換裝置分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用了設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）和運(yùn)動與控制環(huán)形光纖網(wǎng)（MACRO）。

3.1 設(shè)備網(wǎng)協(xié)議

DeviceNet是由Allen-Bradley公司開發(fā)的一種基于CAN的開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet是一個開放性的協(xié)議，DeviceNet協(xié)議設(shè)計簡單，實現(xiàn)成本較為低廉[5]。

該方案采用TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN控制器，因此采用該DSP實現(xiàn)DeviceNet的硬件電路比較簡單，圖5是具有隔離功能的CAN發(fā)送和接受電路原理圖。采用兩片高速光電隔離器6N137實現(xiàn)CAN總線信號和DSP電路間的電氣隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。發(fā)送與接收采用的是Philips的PCA82C250專用CAN總線驅(qū)動芯片。

3.2 運(yùn)動與控制環(huán)形光纖網(wǎng)(MACRO)協(xié)議

MACRO環(huán)是一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中可包含多個主節(jié)點和從節(jié)點，各節(jié)點串行數(shù)據(jù)發(fā)送、接收端口首尾相連，網(wǎng)絡(luò)從主節(jié)點中選取一個作為活動主節(jié)點，允許活動主節(jié)點和所有的從節(jié)點以及非活動主節(jié)點之間的通訊。通訊的時候由活動主節(jié)點沿著數(shù)據(jù)流方向發(fā)送一個含有地址的數(shù)據(jù)包。其他節(jié)點接收這個包后判斷是否地址匹配，如果不是就沿著數(shù)據(jù)流方向傳遞至下一個節(jié)點。活動主節(jié)點可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要而更替。

MACRO采用如圖6所示的12字節(jié)的數(shù)據(jù)包，其中數(shù)據(jù)字節(jié)被定義為一個24位和三個16位的寄存器組；地址字節(jié)由四位主節(jié)點編號和四位從節(jié)點編號構(gòu)成；命令字MACRO只定義了同步命令（CMD-0）和數(shù)據(jù)命令（CMD-1）兩種，并且規(guī)定連續(xù)兩個CMD-1表示主站之間指揮棒的移交。MACRO采用和效驗方式。

MACRO規(guī)范中，采用多模玻璃光纖或雙絞線作為傳輸媒質(zhì)，但并沒有排除采用其它媒質(zhì)的可能。因此，可采用更為方便和廉價的單模塑料光纖（POF）作為物理層的通信媒質(zhì)。

圖5 隔離型CAN總線接口電路

圖6 MACRO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包組成

在級聯(lián)多電平變換裝置分布式控制系統(tǒng)中，將通用控制器和各個硬件管理器采用光纖聯(lián)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，網(wǎng)絡(luò)中通用控制器和硬件管理器分別定義為主節(jié)點和從節(jié)點。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看成是只有單一主節(jié)點的MACRO。如圖7所示，在每個節(jié)點上均有一對串行數(shù)據(jù)收發(fā)口，每個節(jié)點的接收口與上一節(jié)點的發(fā)送口相連，發(fā)送口與下一節(jié)點的接收口相連，形成一個封閉的環(huán)形，數(shù)據(jù)信號沿著環(huán)單向傳輸，依次通過每個節(jié)點。

圖7 級聯(lián)多電平變換裝置通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

對于圖7所示的光纖環(huán)網(wǎng)拓?fù)洌圆捎肕ACRO協(xié)議的數(shù)據(jù)包。針對嚴(yán)格的同步和實時的要求，對MACRO的同步方式進(jìn)行修改，采用發(fā)送同步數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步。

在高速串行通訊環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，由于信息發(fā)送模式為點對點，數(shù)據(jù)信號依次通過每個節(jié)點，所以不同位置的從節(jié)點接收主節(jié)點發(fā)送的信息必定存在不同的傳輸延時。而各個從節(jié)點對電流、電壓采樣和對功率器件的驅(qū)動必需在同一時刻開始，如果不同步將引起輸出PWM脈沖的相移和數(shù)字控制的數(shù)據(jù)源不準(zhǔn)確，導(dǎo)致系統(tǒng)波形畸變。并且開關(guān)頻率越高、節(jié)點數(shù)越多、節(jié)點間距離越遠(yuǎn)，則延時時間越長，各從節(jié)點不同步的影響越明顯。要解決這種從節(jié)點之間的不同步問題，首先必需找到導(dǎo)致數(shù)據(jù)包到達(dá)各從節(jié)點的傳輸延時的原因，有以下幾點：

1）每個周期傳送的數(shù)據(jù)包數(shù)，根據(jù)通訊接口的速率，傳輸一個數(shù)據(jù)包消耗的時間。

2）節(jié)點個數(shù)，節(jié)點在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包過程中，需要將接收到的數(shù)據(jù)包串并轉(zhuǎn)換，分析比較后，如果不是本節(jié)點的數(shù)據(jù)則將數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換后發(fā)送出去。數(shù)據(jù)在這種串并、并串轉(zhuǎn)換中要消耗時間，一般在單個節(jié)點一次串并和并串轉(zhuǎn)換時間為ns級。

3）節(jié)點之間傳輸介質(zhì)（光纖）的長度。

設(shè)系統(tǒng)有個從節(jié)點，光纖環(huán)網(wǎng)的通訊速率為，每個節(jié)點間光纖長度為，光纖單位長度的延時為T，同步數(shù)據(jù)包在一個節(jié)點中串并、并串轉(zhuǎn)換消耗時間為T。則總的傳輸延時T為：

可見，數(shù)據(jù)到達(dá)每個節(jié)點的延時與數(shù)據(jù)通過的節(jié)點個數(shù)成正比。在一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，在數(shù)據(jù)傳播的途徑中每經(jīng)過一個節(jié)點就代表著有一個傳播延時T，因此，需要包含同步信息的同步命令使各節(jié)點保持同步，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中同步延時的累計效果如圖8所示。

圖8 節(jié)點的延時累計

解決同步問題的方法是在每個從節(jié)點接收到同步命令后根據(jù)同步信息增加若干個單位延遲時間來補(bǔ)償傳播過程中的延時。就是說先接收到同步命令的從節(jié)點根據(jù)同步信息主動延遲同步信號的產(chǎn)生。主節(jié)點負(fù)責(zé)配置每個從節(jié)點的單位延時個數(shù)并且傳遞給各個從節(jié)點，每個從節(jié)點延時表達(dá)式為：

式(2)中是節(jié)點的總數(shù)，是節(jié)點的相對地址，T是數(shù)據(jù)通過一個節(jié)點的單位延時。

4 結(jié)論

本文從提高電力電子裝置的可靠性和通用型出發(fā)，基于電力電子模塊的思想，提出了級聯(lián)多電平變換器的一種模塊化分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由通用控制器（UC）、硬件管理器（HM）及功率單元等模塊組成，這些模塊通過運(yùn)動與控制環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)（MACRO）連接為一個整體，并且通用控制器可以通過DeviceNet現(xiàn)場總線與上級控制器、人機(jī)接口等設(shè)備進(jìn)行通信。本文介紹了各單元模塊的硬件結(jié)構(gòu)和功能，詳細(xì)分析了HM的各部分的功能和HM的工作原理，并給出了MACRO的通訊協(xié)議中解決同步問題的方法。

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A modular Distributed Control Structure for the Implementation of a Cascaded Multilevel Inverter

Lye Fei, Zhang Songtao, Ji Zhe

(Electromechanical Department, Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China)

TM3

A

1003-4862(2018)10-0043-05

2018-05-14

呂飛（1982-），男，講師，碩士學(xué)位。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: lf19828050@163.com