电力电子集成系统控制及通讯系统研究

 随着工业水平的不断提高，电力能源的消耗已经逐渐引起人们的重视。现如今各种类型的电力电子设备已经应用于电力系统的方方面面，通过电力电子技术来控制电能的传输与使用，尽可能的减少电能浪费是当前一个非常重要的研究课题。PEBB实际上是一个集成电源处理部件或者模块的电力电子组块，通过其内部的通讯模块来测量接入模块的具体单元，再通过其内部的功率模块输出相应的控制信号。所以本文既需要对集成系统进行研究，同时对系统的通讯体系进行相应的分析。
1 电力电子集成系统基本概念
1.1 基于PEBB的分布式电源系统 PEBB分布式电源系统为分布式结构设计，由发电机、EMI滤波器、各种交直流电源等部件构成。系统的直流母线功率主要是由发电机、EMI滤波器、PWM整流器所提供，各种类型负载如交流电动机、电阻等均需要经直流母线过滤后馈电。电力电子组块PEBB内部包含有集成功率半导体器件、传感器、保护电路等，并具备两种连接方式端口——功率/通讯端口，这就表示该模块能够接受两种信息——数据/功率。通用性是PEBB模块最重要的一个特性之一，这对于集成了PEBB模块的电路而言，在拓扑和系统结构方面都有很大的优势，只需要非常小的电力电子组合配置或者拓扑，就能够实现较大功率范围应用。在实际工作中，PEBB的性能主要是由体积、重量以及工作中产生的热量等来决定的，对于不同的功率范围，PEBB所表现出来的性能也不同。
1.2 电力电子集成系统通讯体系 中央集成控制是当前中高功率变流器的主要控制体系，利用集成控制器能够完成各种控制和监控功能。但当前这种控制方式还存在着一些不足之处，对于系统的可靠运行以及灵活多变性有着比较大的影响，而且过多的点点连接，使得结构上过于复杂。但随着工业生产规模和工艺的不断发展，模块化、扩展性已经成为未来工业制造过程的方向，连贯控制以及分布式控制将是生产制造商应用最为广泛的生产模式。标准通讯协议是这一切实现的基础，必须对由主板控制的不同PEBB模块制定一个标准通讯协议，以实现可靠、灵活系统体系。由于通信线在结构上设置在电磁噪声源附近，所以对于分布系统噪声的控制提出了更高的要求。系统要根据协议所支持的节点数来设置其在应用场合中的分布情况，以保证通讯容量与变化器开关频率成正比例关系。现在实际应用中，对于噪声的控制主要采用的方法就是光纤连接的拓扑。只有根据电力电子的特点，来设计体系中软件、硬件内容，设计系统总线结构，才能够对当前的电力电子结构体系有根本性的改革。
2 分布式控制设计
分布式数字控制系统的结构大致可以用图1来表示。
硬件管理器在系统中所起的主要作用就是控制并实时监控通信接口以及功率模块的运行情况，实现信息以及功率两种信号的成功传输。为了能够进一步的提高硬件管理器的适用性及其性能，本文硬件管理器的设计是基于相臂原理进行的。基于相臂的硬件管理器与应用管理器之间实时通信所传递的控制变量信息是：占空比、同步信号、状态信号、相臂电压及电流，二者通讯时所需要的带宽可以通过公式CB=Kd*fSW*NX*NHM，其中Kd是采样周期与传输时间的比率，fSW是采样频率，Nx是传输数据的表示位数，NHM是系统中硬件管理器的个数。
3 基于相臂的硬件管理器设计
基于相臂设计硬件管理器的主要考虑因素就是既要保证系统运行过程中的灵活性，同时也要使得系统进行控制与通信的过程更为简化。本文所设计基于相臂的硬件管理器其结构组成为：1个双向的光线通信接口，主要是接受应用管理器的驱动信息，同时向上层反馈运行状态；可以测量电压以及电流的传感器；4个被隔离开的IGBT门级驱动，主要对主功率管驱动，还可以辅助功率管；2个用于转换传感器模拟信号的A/D转换器，把这些信号转换成系统可以识别的数字信号。
干扰是电路设计过程中非常重要的研究内容，我们不仅仅要研究干扰是如何形成的，还要研究干扰的影响途径是什么。对于PEBB模块而言，最容易受到干扰的部分就是控制芯片，也就是DSP与PLD。实际设计印刷电路板时，一定要将最易受干扰的控制芯片尽可能的远离主要干扰源，如变压器、开关管等。同时控制芯片的供电电路一定要配置去耦电容，保证所有与芯片直接联系的控制信号均与去耦电容共用一个地，只有这样设计才能够尽可能的实现去耦目标。
3.1 门级驱动设计 门级驱动电路对于控制系统干扰非常关键，因为该部分是系统传导和辐射电磁干扰的主要传播源。把干扰的传播途径切断是较为有效也较为简便的一种措施，光电耦合器能够在数字控制电路与门级驱动电路之间形成一道屏障，利用光耦的隔离作用以及输入输出电容来选取合适的光耦型号，最大限度的降低干扰信号的传播。本设计门级驱动部分使用的是MC33153模块，它实际上是一种高功率应用的IGBT芯片。设计使用TAXI芯片作为接受与发送两者之间的转换芯片，构成系统光电发送与接收接口，系统在接收到光脉冲时，既可以通过光电二极管的作用将其转化为几百纳安的电流脉冲信号。最终利用AM7969将这些信号转化为数字序列，输送至PLD进行下一步操作。通常情况下，系统中的TAXI接收器等，开关电流只有几百微安，这种小的干扰信号对于系统中的大多数传输信号而言，影响不大，但对于那些更加弱小的脉冲数据而言，损害就非常大。所以，在实际操作中，一定要保证光纤电源与其他电路电源直接的隔离措施，保证高频噪声不会对系统中信号造成过多的干扰，通常情况下是采用铁氧体磁珠来做隔离。
3.2 硬件管理器逻辑器件设计 对于硬件管理器而言，管理逻辑功能主要是通过可编程逻辑器件PLD来实现的，串行通讯的控制与协调是硬件管理器在整个系统中所要承担的主要任务。本文设计系统所使用逻辑器件是FLEX10K系列，所以在可配置I/O管角上有很大的选择空间，而且能够给系统提供更快的信号处理速度。IGBT所需要的PWM脉冲主要是由PLD脉冲控制器所提供的，在数据寄存器中的数值可以形成双重缓冲的效果，只要有同步命令指令，而且CRC校验无错误，那么寄存器就可以直接导入数据，系统的这种功能可以帮助实现系统各模块的同步运行。此外，系统利用外部同步信号来触发A/D控制器，之所以这样设计，是为了能够保证系统中反馈信号的同步。经过初始化数据之后，A/D控制器就可以通过控制信号来作用于系统，一旦数据被转化之后，模块RD端口即跳为高电平，触发控制器读取反馈信号，并将这些信号直接储存至输出缓冲寄存器中。
4 应用管理器设计
硬件管理器的操作对象是系统底层硬件，而应用管理器在系统中主要承担的是控制算法以及控制逻辑。本文设计的应用管理器结构上主要由三部分组成：DSP芯片，PLD逻辑器件以及光线网络通讯接口。其中使用的DSP芯片是ADSP21062，之所以使用这种芯片，是为了提高应用管理器的计算量。在EPLD中使用MAXPLUSII来实现通讯管理器的设计。在实际任务执行中，应用管理器的运行流程是：
实现应用管理器DSP对硬件管理器的控制是通过中断服务程序来执行的，一旦测量到SYNC中信号量变大，那么DSP就开始执行中断操作。当中断服务程序开始执行时，DSP就会通过16位的数据总线DB[15..0]来读取PLD的输入寄存器，并使用相应的控制算法进行运算，最后将得到的计算结构转换为控制程序，再输入至PLD的输出寄存器中。
5 分布式系统上层网络设计
对于分布式电力电子系统而言，DC/DC、DC/AC、AC/AC变流器普遍并行分布于大规模自动控制系统的直流母线中，这些变流器相互配合执行一系列操作任务。为了进一步提高系统运行稳定性，实现变流器之间的顺畅通信，必须在系统最上层构建完善的通讯网络，以将系统中的变流器连接在系统级的分布式控制体系中，以太网技术为这种通讯网络提供了解决方案。具体通讯网络协议如下：
①数据包字节长度可变。不定长度的数据包与固定长度的数据包之间最大的区别就在于地址域的不同。长度可变数据包的地址域被分为两部分，目标地址与源地址，这种设计可以将已有系统扩展成多系统。此外，长度可变数据包中的数据域也是可以调节的。②带有令牌的多主结构。在控制算法的约束下实现不同节点之间的数据传输。主节点执行传输数据操作，需要事先接收到数据时序传输的令牌，当一段数据传输完成之后，这个令牌自动传递至下一节点。同时还要对主节点控制令牌时限进行设置，以保证数据传输过程的有效性以及时序性。
上述对智能电力电子的硬件管理器以及应用管理器设计进行了简单的论述，同时给出了系统网络通讯设计方案。该论文所设计的集成系统已经通过实践验证，接下来的主要工作方向就是进一步的提高系统容错能力，以提高系统运行稳定性。同时，系统的通用性以及系统运算速度也是今后工作的主要研究内容。智能电力电子集成系统所涉及的学科领域非常之广，相关辅助学科也需要在今后的工作中不断完善。