級聯多電平變換裝置分布式系統實現方案

呂 飛，張松濤，吉 哲

?

級聯多電平變換裝置分布式系統實現方案

呂 飛，張松濤，吉 哲

（海軍士官學校機電系，安徽 蚌埠 233012）

級聯多電平變換裝置因具有輸出波形失真少、元件電壓應力低及電磁干擾小等優點得到廣泛應用。文章提出了級聯多電平變換裝置的一種分布式控制系統的實現方案，變換裝置分布式系統由通用控制器、硬件管理器及功率單元等模塊通過改進的運動與控制環形光纖網絡（MACRO）連接而成。分析了實現該方案的硬件結構、功能和方案中采用的網絡結構及其通訊協議，給出了解決同步問題的方法。

級聯多電平變換裝置 運動與控制環形光纖網 通訊協議 同步

0 引言

隨著電力電子技術的發展，電力電子變換裝置的復雜性與可靠性及其應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，基于模塊化設計以及分層管理的思想，本文提出了級聯多電平變換裝置分布式控制的一種實現方案。

1 級聯多電平變換裝置分布式系統結構

電力電子變換裝置的傳統設計和制造，存在非標準件多、勞動強度大、設計周期長、成本上升、可靠性低等問題。隨著海軍戰艦、潛艇等作戰平臺向電力推進、區域配電、高能脈沖武器系統等電氣化程度更高的方向發展，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，電力電子系統研究中心（CPES)）電力電子網絡、通用控制器、電能變換模塊、智能傳感模塊、電力電子系統的軟件結構等方面都作了大量的研究工作，取得了一些成果[1-3]。

根據級聯多電平變換裝置的特點，從模塊化設計及分層管理的思想出發，本文提出了模塊化的分布式電力電子控制系統拓撲結構，如圖1所示。采用這種結構可以解決傳統集中式控制存在的點到點的連線過多、系統擴展不方便等問題。在這種控制系統中，裝置由通用控制器、硬件管理器、功率單元模塊組成。各模塊通過運動與控制光纖環網聯接連接成為一個整體，共同完成電能的變換。

2 級聯多電平變換裝置系統硬件結構

2.1 通用控制器（UC）

通用控制器結構如圖2所示，通用控制器的結構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DeviceNet接口及其協議實時與人機接口連接，便于管理。

2）實現光纖通信接口及MACRO協議實時發送控制命令并接受硬件管理器的反饋信息。

3）實現反饋信息識別判斷處理，根據需要改變控制策略。

4）利用LED顯示系統的各種狀態。

圖1 級聯多電平變換器的模塊化分布式控制系統拓撲結構

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數字信號處理器DSP。通過對軟件的重構即可完成系統的改進和升級，從而大大減少費用。

2.2 硬件管理器（HM）

硬件管理器結構組成框圖如圖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光纖通信及MACRO協議。

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

3）接收通用控制器的同步控制信號，實現同步功能。

4）接收來通用控制器的占空比等控制信號，實現PWM及死區插入功能。

5）實現驅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，PLD具有靈活、可重復使用、開發周期短等優點。同時也增強了抗干擾能力，提高了可靠性。硬件管理器根據所控制的硬件模塊的不同，可分為基于開關的硬件管理器、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動；光纖通信接口，用來接收來自通用控制器的驅動信息及其向上反饋狀態信息；AD轉換器，把傳感器傳輸來的模擬量轉換成數據量；一個隔離的直流電源作為板載驅動電源；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中設計和實現的，外圍電路包括光電收發轉換器、AD轉換器、IGBT的門級驅動器等。硬件管理器中的PLD邏輯器件的設計是最重要和復雜的部分。

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調串行通訊；處理接收和發送的數據；給開關管發送PWM脈沖；獲取同步數據；實現電壓和電流的采樣；提供過壓和過流保護。

2.3 功率單元模塊

功率單元模塊主要包括功率器件、驅動單元與傳感器。主要功能有：

1）接受硬件控制器發出的控制信號并驅動相關器件實現電能變換。

2）檢測器件電壓、電流、溫度信息，并向硬件控制器傳送。

本文認為現階段由于集成技術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實意義，同時也提高了設計的靈活性。

3 級聯多電平變換裝置系統網絡協議

如圖1所示，級聯多電平變換裝置分布式控制系統應用了設備網（DeviceNet）和運動與控制環形光纖網（MACRO）。

3.1 設備網協議

DeviceNet是由Allen-Bradley公司開發的一種基于CAN的開放的現場總線標準。DeviceNet是一個開放性的協議，DeviceNet協議設計簡單，實現成本較為低廉[5]。

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

3.2 運動與控制環形光纖網(MACRO)協議

MACRO環是一個環形網絡，環形網絡中可包含多個主節點和從節點，各節點串行數據發送、接收端口首尾相連，網絡從主節點中選取一個作為活動主節點，允許活動主節點和所有的從節點以及非活動主節點之間的通訊。通訊的時候由活動主節點沿著數據流方向發送一個含有地址的數據包。其他節點接收這個包后判斷是否地址匹配，如果不是就沿著數據流方向傳遞至下一個節點。活動主節點可以根據網絡需要而更替。

MACRO采用如圖6所示的12字節的數據包，其中數據字節被定義為一個24位和三個16位的寄存器組；地址字節由四位主節點編號和四位從節點編號構成；命令字MACRO只定義了同步命令（CMD-0）和數據命令（CMD-1）兩種，并且規定連續兩個CMD-1表示主站之間指揮棒的移交。MACRO采用和效驗方式。

MACRO規范中，采用多模玻璃光纖或雙絞線作為傳輸媒質，但并沒有排除采用其它媒質的可能。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。

圖5 隔離型CAN總線接口電路

圖6 MACRO網絡協議數據包組成

在級聯多電平變換裝置分布式控制系統中，將通用控制器和各個硬件管理器采用光纖聯成環形網絡進行通訊，網絡中通用控制器和硬件管理器分別定義為主節點和從節點。這種網絡拓撲結構可以看成是只有單一主節點的MACRO。如圖7所示，在每個節點上均有一對串行數據收發口，每個節點的接收口與上一節點的發送口相連，發送口與下一節點的接收口相連，形成一個封閉的環形，數據信號沿著環單向傳輸，依次通過每個節點。

圖7 級聯多電平變換裝置通訊網絡拓撲

對于圖7所示的光纖環網拓撲，仍采用MACRO協議的數據包。針對嚴格的同步和實時的要求，對MACRO的同步方式進行修改，采用發送同步數據實現同步。

在高速串行通訊環形網絡中，由于信息發送模式為點對點，數據信號依次通過每個節點，所以不同位置的從節點接收主節點發送的信息必定存在不同的傳輸延時。而各個從節點對電流、電壓采樣和對功率器件的驅動必需在同一時刻開始，如果不同步將引起輸出PWM脈沖的相移和數字控制的數據源不準確，導致系統波形畸變。并且開關頻率越高、節點數越多、節點間距離越遠，則延時時間越長，各從節點不同步的影響越明顯。要解決這種從節點之間的不同步問題，首先必需找到導致數據包到達各從節點的傳輸延時的原因，有以下幾點：

1）每個周期傳送的數據包數，根據通訊接口的速率，傳輸一個數據包消耗的時間。

2）節點個數，節點在接收和發送數據包過程中，需要將接收到的數據包串并轉換，分析比較后，如果不是本節點的數據則將數據并串轉換后發送出去。數據在這種串并、并串轉換中要消耗時間，一般在單個節點一次串并和并串轉換時間為ns級。

3）節點之間傳輸介質（光纖）的長度。

設系統有個從節點，光纖環網的通訊速率為，每個節點間光纖長度為，光纖單位長度的延時為T，同步數據包在一個節點中串并、并串轉換消耗時間為T。則總的傳輸延時T為：

可見，數據到達每個節點的延時與數據通過的節點個數成正比。在一個環形網絡中，在數據傳播的途徑中每經過一個節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點保持同步，環形網絡中同步延時的累計效果如圖8所示。

圖8 節點的延時累計

解決同步問題的方法是在每個從節點接收到同步命令后根據同步信息增加若干個單位延遲時間來補償傳播過程中的延時。就是說先接收到同步命令的從節點根據同步信息主動延遲同步信號的產生。主節點負責配置每個從節點的單位延時個數并且傳遞給各個從節點，每個從節點延時表達式為：

式(2)中是節點的總數，是節點的相對地址，T是數據通過一個節點的單位延時。

4 結論

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

[1] Guo J H, Edwards S H, Borojevic D. Elementary control objects: toward a dataflow architecture for power electronics control software[C]. PESC’2002, Acaplco, 2002: 1705-1710.

[2] Lee F C, Vanwyk J D. An integrated approach to power electronics systems[C]. IEEE PCC’2002, Anaheim, 2002: 7-12.

[3] Boroyevich D, Edwards S. Power Electronics Building Blocks: “Plug and Play” Hardware and Software Architectures[R]. New York, Final Report Prepared for Office of Naval Research (ONR), 2003.

[4] Sirisukprasert S, Lai J S. Optimum harmonic reduction with a wide range of modulation index for multilevel cinvertr[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2002, 49(4): 875-881.

[5] 邵貝貝. 嵌入式實時操作系統MicroC/OS- II(第二版)[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2003.

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，碩士學位。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: lf19828050@163.com