電力電子集成系統(tǒng)控制及通訊系統(tǒng)研究

 隨著工業(yè)水平的不斷提高，電力能源的消耗已經(jīng)逐漸引起人們的重視。現(xiàn)如今各種類型的電力電子設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的方方面面，通過電力電子技術(shù)來控制電能的傳輸與使用，盡可能的減少電能浪費(fèi)是當(dāng)前一個非常重要的研究課題。PEBB實(shí)際上是一個集成電源處理部件或者模塊的電力電子組塊，通過其內(nèi)部的通訊模塊來測量接入模塊的具體單元，再通過其內(nèi)部的功率模塊輸出相應(yīng)的控制信號。所以本文既需要對集成系統(tǒng)進(jìn)行研究，同時對系統(tǒng)的通訊體系進(jìn)行相應(yīng)的分析。
1 電力電子集成系統(tǒng)基本概念
1.1 基于PEBB的分布式電源系統(tǒng) PEBB分布式電源系統(tǒng)為分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由發(fā)電機(jī)、EMI濾波器、各種交直流電源等部件構(gòu)成。系統(tǒng)的直流母線功率主要是由發(fā)電機(jī)、EMI濾波器、PWM整流器所提供，各種類型負(fù)載如交流電動機(jī)、電阻等均需要經(jīng)直流母線過濾后饋電。電力電子組塊PEBB內(nèi)部包含有集成功率半導(dǎo)體器件、傳感器、保護(hù)電路等，并具備兩種連接方式端口——功率/通訊端口，這就表示該模塊能夠接受兩種信息——數(shù)據(jù)/功率。通用性是PEBB模塊最重要的一個特性之一，這對于集成了PEBB模塊的電路而言，在拓?fù)浜拖到y(tǒng)結(jié)構(gòu)方面都有很大的優(yōu)勢，只需要非常小的電力電子組合配置或者拓?fù)?，就能夠?qū)崿F(xiàn)較大功率范圍應(yīng)用。在實(shí)際工作中，PEBB的性能主要是由體積、重量以及工作中產(chǎn)生的熱量等來決定的，對于不同的功率范圍，PEBB所表現(xiàn)出來的性能也不同。
1.2 電力電子集成系統(tǒng)通訊體系 中央集成控制是當(dāng)前中高功率變流器的主要控制體系，利用集成控制器能夠完成各種控制和監(jiān)控功能。但當(dāng)前這種控制方式還存在著一些不足之處，對于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行以及靈活多變性有著比較大的影響，而且過多的點(diǎn)點(diǎn)連接，使得結(jié)構(gòu)上過于復(fù)雜。但隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和工藝的不斷發(fā)展，模塊化、擴(kuò)展性已經(jīng)成為未來工業(yè)制造過程的方向，連貫控制以及分布式控制將是生產(chǎn)制造商應(yīng)用最為廣泛的生產(chǎn)模式。標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議是這一切實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，必須對由主板控制的不同PEBB模塊制定一個標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)可靠、靈活系統(tǒng)體系。由于通信線在結(jié)構(gòu)上設(shè)置在電磁噪聲源附近，所以對于分布系統(tǒng)噪聲的控制提出了更高的要求。系統(tǒng)要根據(jù)協(xié)議所支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)來設(shè)置其在應(yīng)用場合中的分布情況，以保證通訊容量與變化器開關(guān)頻率成正比例關(guān)系?，F(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，對于噪聲的控制主要采用的方法就是光纖連接的拓?fù)洹Ｖ挥懈鶕?jù)電力電子的特點(diǎn)，來設(shè)計(jì)體系中軟件、硬件內(nèi)容，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，才能夠?qū)Ξ?dāng)前的電力電子結(jié)構(gòu)體系有根本性的改革。
2 分布式控制設(shè)計(jì)
分布式數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致可以用圖1來表示。
硬件管理器在系統(tǒng)中所起的主要作用就是控制并實(shí)時監(jiān)控通信接口以及功率模塊的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)信息以及功率兩種信號的成功傳輸。為了能夠進(jìn)一步的提高硬件管理器的適用性及其性能，本文硬件管理器的設(shè)計(jì)是基于相臂原理進(jìn)行的。基于相臂的硬件管理器與應(yīng)用管理器之間實(shí)時通信所傳遞的控制變量信息是：占空比、同步信號、狀態(tài)信號、相臂電壓及電流，二者通訊時所需要的帶寬可以通過公式CB=Kd*fSW*NX*NHM，其中Kd是采樣周期與傳輸時間的比率，fSW是采樣頻率，Nx是傳輸數(shù)據(jù)的表示位數(shù)，NHM是系統(tǒng)中硬件管理器的個數(shù)。
3 基于相臂的硬件管理器設(shè)計(jì)
基于相臂設(shè)計(jì)硬件管理器的主要考慮因素就是既要保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中的靈活性，同時也要使得系統(tǒng)進(jìn)行控制與通信的過程更為簡化。本文所設(shè)計(jì)基于相臂的硬件管理器其結(jié)構(gòu)組成為：1個雙向的光線通信接口，主要是接受應(yīng)用管理器的驅(qū)動信息，同時向上層反饋運(yùn)行狀態(tài)；可以測量電壓以及電流的傳感器；4個被隔離開的IGBT門級驅(qū)動，主要對主功率管驅(qū)動，還可以輔助功率管；2個用于轉(zhuǎn)換傳感器模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換器，把這些信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識別的數(shù)字信號。
干擾是電路設(shè)計(jì)過程中非常重要的研究內(nèi)容，我們不僅僅要研究干擾是如何形成的，還要研究干擾的影響途徑是什么。對于PEBB模塊而言，最容易受到干擾的部分就是控制芯片，也就是DSP與PLD。實(shí)際設(shè)計(jì)印刷電路板時，一定要將最易受干擾的控制芯片盡可能的遠(yuǎn)離主要干擾源，如變壓器、開關(guān)管等。同時控制芯片的供電電路一定要配置去耦電容，保證所有與芯片直接聯(lián)系的控制信號均與去耦電容共用一個地，只有這樣設(shè)計(jì)才能夠盡可能的實(shí)現(xiàn)去耦目標(biāo)。
3.1 門級驅(qū)動設(shè)計(jì) 門級驅(qū)動電路對于控制系統(tǒng)干擾非常關(guān)鍵，因?yàn)樵摬糠质窍到y(tǒng)傳導(dǎo)和輻射電磁干擾的主要傳播源。把干擾的傳播途徑切斷是較為有效也較為簡便的一種措施，光電耦合器能夠在數(shù)字控制電路與門級驅(qū)動電路之間形成一道屏障，利用光耦的隔離作用以及輸入輸出電容來選取合適的光耦型號，最大限度的降低干擾信號的傳播。本設(shè)計(jì)門級驅(qū)動部分使用的是MC33153模塊，它實(shí)際上是一種高功率應(yīng)用的IGBT芯片。設(shè)計(jì)使用TAXI芯片作為接受與發(fā)送兩者之間的轉(zhuǎn)換芯片，構(gòu)成系統(tǒng)光電發(fā)送與接收接口，系統(tǒng)在接收到光脈沖時，既可以通過光電二極管的作用將其轉(zhuǎn)化為幾百納安的電流脈沖信號。最終利用AM7969將這些信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字序列，輸送至PLD進(jìn)行下一步操作。通常情況下，系統(tǒng)中的TAXI接收器等，開關(guān)電流只有幾百微安，這種小的干擾信號對于系統(tǒng)中的大多數(shù)傳輸信號而言，影響不大，但對于那些更加弱小的脈沖數(shù)據(jù)而言，損害就非常大。所以，在實(shí)際操作中，一定要保證光纖電源與其他電路電源直接的隔離措施，保證高頻噪聲不會對系統(tǒng)中信號造成過多的干擾，通常情況下是采用鐵氧體磁珠來做隔離。
3.2 硬件管理器邏輯器件設(shè)計(jì) 對于硬件管理器而言，管理邏輯功能主要是通過可編程邏輯器件PLD來實(shí)現(xiàn)的，串行通訊的控制與協(xié)調(diào)是硬件管理器在整個系統(tǒng)中所要承擔(dān)的主要任務(wù)。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)所使用邏輯器件是FLEX10K系列，所以在可配置I/O管角上有很大的選擇空間，而且能夠給系統(tǒng)提供更快的信號處理速度。IGBT所需要的PWM脈沖主要是由PLD脈沖控制器所提供的，在數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)值可以形成雙重緩沖的效果，只要有同步命令指令，而且CRC校驗(yàn)無錯誤，那么寄存器就可以直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的這種功能可以幫助實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的同步運(yùn)行。此外，系統(tǒng)利用外部同步信號來觸發(fā)A/D控制器，之所以這樣設(shè)計(jì)，是為了能夠保證系統(tǒng)中反饋信號的同步。經(jīng)過初始化數(shù)據(jù)之后，A/D控制器就可以通過控制信號來作用于系統(tǒng)，一旦數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化之后，模塊RD端口即跳為高電平，觸發(fā)控制器讀取反饋信號，并將這些信號直接儲存至輸出緩沖寄存器中。
4 應(yīng)用管理器設(shè)計(jì)
硬件管理器的操作對象是系統(tǒng)底層硬件，而應(yīng)用管理器在系統(tǒng)中主要承擔(dān)的是控制算法以及控制邏輯。本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用管理器結(jié)構(gòu)上主要由三部分組成：DSP芯片，PLD邏輯器件以及光線網(wǎng)絡(luò)通訊接口。其中使用的DSP芯片是ADSP21062，之所以使用這種芯片，是為了提高應(yīng)用管理器的計(jì)算量。在EPLD中使用MAXPLUSII來實(shí)現(xiàn)通訊管理器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際任務(wù)執(zhí)行中，應(yīng)用管理器的運(yùn)行流程是：
實(shí)現(xiàn)應(yīng)用管理器DSP對硬件管理器的控制是通過中斷服務(wù)程序來執(zhí)行的，一旦測量到SYNC中信號量變大，那么DSP就開始執(zhí)行中斷操作。當(dāng)中斷服務(wù)程序開始執(zhí)行時，DSP就會通過16位的數(shù)據(jù)總線DB[15..0]來讀取PLD的輸入寄存器，并使用相應(yīng)的控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后將得到的計(jì)算結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為控制程序，再輸入至PLD的輸出寄存器中。
5 分布式系統(tǒng)上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
對于分布式電力電子系統(tǒng)而言，DC/DC、DC/AC、AC/AC變流器普遍并行分布于大規(guī)模自動控制系統(tǒng)的直流母線中，這些變流器相互配合執(zhí)行一系列操作任務(wù)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)變流器之間的順暢通信，必須在系統(tǒng)最上層構(gòu)建完善的通訊網(wǎng)絡(luò)，以將系統(tǒng)中的變流器連接在系統(tǒng)級的分布式控制體系中，以太網(wǎng)技術(shù)為這種通訊網(wǎng)絡(luò)提供了解決方案。具體通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如下：
①數(shù)據(jù)包字節(jié)長度可變。不定長度的數(shù)據(jù)包與固定長度的數(shù)據(jù)包之間最大的區(qū)別就在于地址域的不同。長度可變數(shù)據(jù)包的地址域被分為兩部分，目標(biāo)地址與源地址，這種設(shè)計(jì)可以將已有系統(tǒng)擴(kuò)展成多系統(tǒng)。此外，長度可變數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)域也是可以調(diào)節(jié)的。②帶有令牌的多主結(jié)構(gòu)。在控制算法的約束下實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。主節(jié)點(diǎn)執(zhí)行傳輸數(shù)據(jù)操作，需要事先接收到數(shù)據(jù)時序傳輸?shù)牧钆疲?dāng)一段數(shù)據(jù)傳輸完成之后，這個令牌自動傳遞至下一節(jié)點(diǎn)。同時還要對主節(jié)點(diǎn)控制令牌時限進(jìn)行設(shè)置，以保證數(shù)據(jù)傳輸過程的有效性以及時序性。
上述對智能電力電子的硬件管理器以及應(yīng)用管理器設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單的論述，同時給出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)方案。該論文所設(shè)計(jì)的集成系統(tǒng)已經(jīng)通過實(shí)踐驗(yàn)證，接下來的主要工作方向就是進(jìn)一步的提高系統(tǒng)容錯能力，以提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。同時，系統(tǒng)的通用性以及系統(tǒng)運(yùn)算速度也是今后工作的主要研究內(nèi)容。智能電力電子集成系統(tǒng)所涉及的學(xué)科領(lǐng)域非常之廣，相關(guān)輔助學(xué)科也需要在今后的工作中不斷完善。