一种实用的大容量电力电子系统高速光纤环网拓扑及其协议.pdf

第 32 卷 第 15 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.32 No.15 May 25,2012 2012 年 5 月 25 日 Proceedings of the CSEE 2012 Chin.Soc.for Elec.Eng.63 文章编号：0258-8013(2012)15-0063-11 中图分类号：TM 646；TM 76 文献标志码：A 学科分类号：47040 一种实用的大容量电力电子系统 高速光纤环网拓扑及其协议 孙驰1，张成2，艾胜1(1舰船综合电力技术国防科技重点实验室(海军工程大学)，湖北省 武汉市 430033；2华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省 武汉市 430074)Topology and Protocol of Practical High-speed Fiber Ring Net for Large-capacity Power Electronic Systems SUN Chi1,ZHANG Cheng2,AI Sheng1(1.National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology(Naval University of Engineering),Wuhan 430033,Hubei Province,China;2.College of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei Province,China)ABSTRACT:The distributed control based on the serial optical fiber communication technology is an important direction of development in the large-capacity power electronic converter system.As for the disadvantages of the existing distributed control systems,this paper proposed a high-speed fiber ring net topology of switching the data channel by software control and presented a simple and feasible communication protocol.Thus,the software programming and testing in communication control could be simplified and the synchronous accuracy could be improved,and the whole transmission delay of the high-speed fiber ring net could be reduced,which expands the application range of distributed control system based on the high-speed fiber ring net communication topology in the complex high-performance power electronic converter systems.Experimental results of corresponding data transmitting,data source switching and feedback data uploading tests verify the correctness,validity and feasibility of the net topology and protocol.KEY WORDS:power electronics;distributed control;high-speed fiber optic ring net;communication protocol;synchronization 摘要：基于串行光纤通信技术的分布式控制是大容量电力电子变流系统的一个发展方向。该文针对现有电力电子变流系统分布式控制方案存在的一些缺陷，提出一种软件控制可切换数据通道的高速光纤环形网络拓扑结构，并制定了简单可 基金项目：国家自然科学基金项目(51177170，50737004ZD)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51177170,50737004ZD).行的通信协议，简化了通信控制的软件编程和测试难度，提高了同步精度，同时也较大程度地减小了整个高速光纤环形控制网络的传输延时，扩展了基于高速光纤环网通信拓扑的分布式控制方案在复杂高性能电力电子变流系统中的应用范围。最后，该文给出了相应的数据传输、数据源切换以及反馈数据上传等方面的实验结果，验证了该种网络拓扑及协议的正确性、有效性和可行性。关键词：电力电子；分布式控制；高速光纤环网；通信协议；同步 0 引言 随着社会经济的不断发展和进步，基于多个标准模块单元组合或多相多电平拓扑的大容量电力电子变流装置的开发和应用越来越广泛。目前，对于电力电子变流装置的控制，一般都采用集中式控制。对于常规的中小容量电力电子变流装置而言，由于拓扑结构和硬件结构的紧凑和集中，集中式控制方法是一种简单、可靠和实用的方法；但是，对于大容量电力电子变流装置而言，复杂的多相多电平或串并联拓扑结构以及大尺度的空间分布特性等都会对传统的集中式控制方法提出挑战1。首先，在传统的中央集中型控制结构中，系统点对点的通信方式将会明显增加控制器的故障率和维护难度；其次，过多的信号及控制连线也对控制器的抗电磁干扰性能提出了更高的要求；另外，系统控制权限的集中将使整个系统的模块化和标准化程度减弱，64 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 模块的冗余性和系统的可靠性通常不能得到充分地提高。由于大容量电力电子装置在电路结构、空间布局及控制功能上往往都存在较明显的分布特征，因此采用分布式控制方法将使整个变流装置从模块到子系统都具有真正可插拔的标准化和模块化特征，从而极大提高了系统的冗余性和可靠性。高速串行光纤通信是实现这种复杂分布式控制的一项关键技术，它通过高速串行光纤通信来实现主控制器与各个子节点控制器之间的所有实时和非实时控制数据的交换(如控制占空比、实时反馈数据、功率器件故障状态、系统运行状态等)，从而完全解决集中式控制技术所存在的过多点对点控制连线及维护困难的问题。1995 年美国海军部首先提出电力电子集成模块(power electronics building block，PEBB)的概念，之后，电力电子变流系统的模块化思想就受到越来越多的关注，国外的许多知名学者和公司对基于这种模块化的集成技术展开了一系列的相关研究2-3。伴随 PEBB 研究的进展，电力电子变流器分布式控制技术的研究得到了应有的重视，美国 Virginia 州立大学等学术机构对大容量电力电子系统的分布式、模块化控制结构及通讯协议开展了大量的研究工作4-17，并提出了几种解决方案。文献4提出了将整个电气传动变流器的控制权限分为反馈调节器模块和桥臂 PWM 控制模块。反馈调节器算法模块主要包括电流、电压、速度等变量的闭环控制算法；桥臂 PWM 控制模块主要用来产生相应的门极驱动信号和进行相应的保护。反馈调节器控制模块和桥臂控制器之间通过并联总线来实现，对于功率模块数量比较多的大容量电力电子变流系统而言，由于需要采用较多和较长的电连接总线，因此可维护性和电磁兼容性能受到了一定限制。文献5以桥臂模块为基础提出了一种分布式控制器结构，每相桥臂对应一个单独的模块控制器，执行内环控制，对电流环和电压环进行调节。外环主控制器和模块控制器之间通过 2.5Mbps 的单光纤链状通信链路实现。由于该控制网络通信速率较低，因此使用场合受到了限制。文献6提出并研究了一种 125Mbps 高速光纤环网通信的硬件架构和通信协议，并首次提出了电力电子变流器系统的电力电子系统控制网络(power electronics system network，PES-Net)的概念，从而为大容量电力电子变流器分布式控制的实用奠定了基础。Ivan Celanovic 以文献6为基础，提出了一种开放式分布数字控制结构7，该控制结构分成 2 层：应用层和硬件管理层。该文对2个层面控制器的功能划分、硬件和软件实现进行了详细的设计和讨论，对电力电子变流器系统的分布式控制作出了有益的探讨。文献9提出了一种新的基于双光纤环网的容错控制网络，使变流器的分布式控制具有了一定冗余性，提升了系统的灵活性和可靠性。相对于国外来说，国内对电力电子变流器系统的分布式控制的研究还较少，如浙江大学部分学者对分布式控制进行了相关的研究18。文献18提出了一种基于硬件开关切换数据源的通讯网络拓扑，在传输同步命令时可以不通过各个从节点进行接收与转发，因此减小了网络传输延时，改善了同步精度。然而，由于不同数据源之间并不具有时钟同步关系，因此在数据源切换时会导致数据串/并恢复的紊乱，限制了其实际的应用，在开关频率比较高的实际工程应用时必须考虑这种时钟不同步的数据处理问题。总之，基于高速环形光纤网络通信的分布式控制架构是目前大容量、复杂电力电子变流系统的最主要也是最实用的技术方案。需要特别指出的是：目前的环形网络拓扑造成了所有的命令和数据都必须经过相应串行从节点的收发和传递，因此整个网络的传输延时在通信周期中的比例会较大，导致电力电子变流系统的多节点、高开关频率应用受到限制；另外，复杂的数据与命令接收、保存、传递和发送过程也使通信协议和软件编程都相对复杂。针对以上问题，本文提出一种实用的软件控制可切换数据通道的高速光纤环形网络拓扑结构，通过对数据通道切换控制信号、接收屏蔽标志信号以及同步字符插入时序的协调控制，可在只消耗少量同步字符的时间宽度下有效地保证通道数据的正确切换，大大减小了网络传输延时，扩展其在电力电子变流系统中的应用范围；另一方面，通过相应的通信协议制定，不但可以提高数据和命令的同步精度，而且同时实现了控制器的类似总线通信方式工作，极大地简化了通信协议和软件编程。文中最后根据定制的通讯协议进行了主从节点之间数据的传输、数据源切换以及数据反馈的实验，实验结果表明了该种网络拓扑及协议的正确性、有效性和可行性。第 15 期 孙驰等：一种实用的大容量电力电子系统高速光纤环网拓扑及其协议 65 1 基于高速光纤环网通信的电力电子变流系统分布式控制结构 大容量电力电子变流装置在电路结构、空间布局及控制功能上往往都存在较明显的分布特征，因此适合采用实时性高且复杂的分布式控制技术。图 1 所示的是可供船舶推进应用的 20MW/十五相推进变频器的主电路拓扑结构，其在电路结构功能上具有非常明显的标准化、模块化和分布式特征；另外，由于功率容量非常大，因此模块单元在空间布局上的分布性非常明显，实际上整个电路的占用空间大约为 21m319。针对图 1 所示的 20MW/十五相推进变频器，本文提出一种实用的基于软件可切换的高速光纤环形网络拓扑的分布式控制结构，如图 2 所示，该控制结构共由 1 个主控制器和 18 个从控制器组成。其中，系统中每个逆变相输出单元和制动单元都被划分为 1 个节点，从而总共有 18 个节点，每个节点都配有 1 个相应的从控制器。从控制器主要由单个高密度的 FPGA 和相应的外围元器件构成，主要执行高速光纤通信收发控制、该节点主电路功率器 件的 PWM 控制、电压、电流或温度传感器信号的采集与处理以及故障保护功能。主控制器由高性能浮点 DSP 和高密度 FPGA 为核心构成，其中，DSP主要执行电机闭环控制算法以及与上层控制器的通信功能，而 FPGA 主要执行高速光纤通信收发控制的功能。整个控制网络由 1 根单光纤组成 1 个环网，环网的通信速率设计为 125Mbps。所有控制器上的光纤收发模块均采用标准工业的 155Mbps 的PECL 光纤收发器，从而足够满足 125Mbps 的通信速率要求。整个控制网络分为 2 种工作模式：类总线通信工作模式和反馈应答工作模式。类总线通信工作模式主要指主控制器向从控制器发送控制数据或命令等广播信息，这也是该种控制网络最主要的工作模态。这时，每个从节点的数据源均选择光纤网络数据源 DATA2，经过 FPGA 的高速 LVDS 端口进行发送，从而使得整个传输数据在光纤网络上的传输延时大大减小；同时，每个从节点中的 FPGA 只接收并处理属于本节点的数据信息，非本节点的数据信息只接收而不进行处理。反馈应答工作模式是在每个开关周期内，从控制器根据主控制器的反馈数据请求命令将从控制器采集、处理的反馈电压、O1 Z Y 定子绕组 1标准逆变模块 1标准逆变模块 2定子绕组 2标准逆变模块 3定子绕组 3标准逆变模块 4 定子绕组 4 标准逆变模块 5 定子绕组 5制动 单元 1 12 脉波整流单元 1 3/6 相 整流变压器(移相 10)6600V交流 O2 Z Y 定子绕组 6标准逆变模块 6标准逆变模块 7定子绕组 7标准逆变模块 8定子绕组 8标准逆变模块 9 定子绕组 9 标准逆变模块 10 定子绕组 10制动 单元 2 12 脉波整流单元 2 3/6 相 整流变压器(移相 0)O3 Z Y 定子绕组 11标准逆变模块 11标准逆变模块 12定子绕组 12标准逆变模块 13定子绕组 13标准逆变模块 14 定子绕组 14 标准逆变模块 15 定子绕组 15制动 单元 3 12 脉波整流单元 3 3/6 相 整流变压器(移相10)图 1 20 MW/十五相推进变频器主电路框图 Fig.1 Topology of the 20 MW fifteen-phase PWM driver 66 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 高速 LVDS 端口 串/并双向 转换模块 逻辑与时序 控制 反馈数据 采集与处理 FPGA DATA2 S DATA1 高速 LVDS 端口 RX TX 从控制器2 高速 LVDS端口 高速 LVDS 端口 串/并双向 转换模块 逻辑与时序 控制 反馈数据 采集与处理 FPGA DATA2 S DATA1 高速 LVDS 端口 RX TX 从控制器1 高速 LVDS端口 高速 LVDS 端口串/并双向转换模块逻辑与时序控制 反馈数据采集与处理FPGADATA2SDATA1高速 LVDS 端口 RXTX从控制器3 高速 LVDS端口 高速 LVDS 端口 串/并双向转换模块逻辑与时序 控制 反馈数据采集与处理 FPGA DATA2S DATA1 高速 LVDS 端口 RXTX 从控制器17 高速 LVDS端口 高速 LVDS 端口 串/并双向 转换模块 逻辑与时序 控制 反馈数据 采集与处理 FPGADATA2 SDATA1 高速 LVDS 端口 RX TX从控制器18 高速 LVDS端口 主控制器串/并双向转换模块逻辑与时序控制 FPGARXTXDSP单光纤线 图 2 本文所提出的基于高速光纤环形网络的分布式控制结构 Fig.2 Proposed distributed control structure based on high-speed fiber ring net in the paper 电流和温度等数据上传至主控制器，从而使主控制器能执行整个闭环控制算法。这时，被请求发送反馈数据的从节点控制器将数据源切换到本地反馈数据源DATA1，从而将经由FPGA处理过的本节点反馈数据通过光纤环网上传给主控制器。由于光纤接口采用155Mb/s的PECL光纤收发器，数据收发的固有延时比较小；同时，由于开关S通过软件编程由FPGA内部的硬件电路实现，开关速度快、延时小，且具有简单、灵活、可靠的优点。整个系统的数据传输延时主要为光纤模块的硬延时，对于节点较少的电力电子变流系统而言，这种延时往往在系统控制性能允许范围之内，因此可以不需要采用特别的同步措施；对于节点较多且同步要求很严格的电力电子变流系统来说，由于延时主要为硬延时，因此只需要在控制系统初始化时测出控制网络的整个延时并发送至每个从控制器，就可以采用简单的定时器来实现高精度的同步。2 高速光纤环网通信控制器的基本结构与工作原理 本文所提出的高速光纤环网通信控制器的结构框图如图3所示，主要由串/并转换模块、高密度的FPGA和光纤接口模块构成，其中光纤接口模块采用标准工业的155Mb/s的PECL光纤收发器，传输速率高，传输延时小，并且具备与工业标准通信 串/并双向转换模块RX(n)TX(n)RRD-bus 逻辑与时序控制 反馈数据采集与处理FPGALVDS1DATA2 选择器 DATA1 PECL to LVDS T T LVDS2 T T Sel C LVDS3PECL to LVDST TD PECL to LVDSRRTX(n1)RX(n1)B A 图 3 从控制器中的高速光纤环网通信控制器功能框图 Fig.3 Function diagram of high-speed fiber ring net communication controller in slave controller 第 15 期 孙驰等：一种实用的大容量电力电子系统高速光纤环网拓扑及其协议 67 设备接口的能力。在所述的电力电子变流系统分布式控制器中，主控制器和从控制器之间需要执行2种类型的数据传输。一种是由主控制器发送给从控制器接收的控制数据或命令；另一种是由从控制器发送给主控制器的反馈数据和从节点状态信息。在主控制器向从控制器发送控制数据和命令时，数据或命令经过各个从节点的光纤收发模块接收后，再经串/并转换模块同步解码和恢复后被FPGA接收。若接收的数据信息被检测识别为是本节点的数据时，FPGA对接收到的数据进行处理，并产生本节点控制所需要的各种控制信号；若接收到的数据信息经判别不是本节点的数据时，则FPGA对接收到的数据不作任何处理，也不产生相应的各种控制信号。图3中粗实线表示出了这种数据传输过程的路径示意图，可以从图很清晰地看出：主控制器发送的数据信息被从控制器接收后分成了2路，一路是经过FPGA的LVDS收发端子后直接传送到光纤发送器，从而发送往下一个节点。该路径只是经过单纯的电平转换和LVDS端口硬件，并且没有经过数据的接收、恢复和转发过程，传输延时非常小。这种工作方式类似于总线通信中的总线广播通信方式，因此这里称之为类总线通信工作模式。当某个节点的从控制器接收到主控制器发送的反馈数据请求命令后，将在图3中FPGA逻辑与时序控制模块的控制下将数据选择器的有效输出选择为数据源DATA1。发送数据源DATA1为FPGA采集到的本节点反馈数据和状态信息，经过串/并双向转换模块后得到的串行的反馈数据信息序列信号(图中 B 点的信号)，然后再经PECL-LVDS电平转换、LVDS接收端口、数据选择器、LVDS发送端 口和LVDS-PECL电平转换送至高速光纤发送模块，经下游从节点控制器最终传送到主控制器，图3中的虚线给出了其信号传输路径示意。这种工作方式类似于许多通信工作中的应答机制，因此这里称之为反馈应答工作模式。由于FPGA属于高速并行执行芯片，在程序算法编译、下载完成后将全部由内部硬件并行完成，具备非常快的速度；另外，根据前文对2种工作模式的简单介绍可以得知，在整个控制网络中，只有在需要上传反馈数据信息的从控制器中才执行数据的串/并双向转换的操作，而目前常用的高速光纤环网通信在任何时候、每个节点都要经过数据串/并双向转换的操作，因此本文的通信方案具有更小的通信传输延时和更高的有效通信容量，可以应用在复杂大容量多节点高开关频率的电力电子变流系统中。由于同步命令以硬线广播的方式在控制环网中传送，不经过任何一个从控制器的串/并双向转换模块的操作，同步命令传输延时非常小，因此在节点数不是很多或者对同步精度要求不是很高的场合，可以不采用任何复杂的同步协议或措施，而只需要发送一个简单的时序同步命令即可。3 通信延时的分析与比较 3.1 常规环网结构延时分析 常规的环网结构通常由1个主节点和多个从节点通过单光纤线连接构成1个环形网络6。在工作时，该系统存在2种工作模式：控制数据和命令的发送模式以及每个从节点反馈数据的上传模式。在控制数据和命令的发送模式下，每个从节点在接收和存储与本节点控制相关的控制数据和命令信息的同时，还依次将光纤网络上的数据和命令转发至下一节点；在每个从节点反馈数据的上传模式下，反馈数据经过本节点上传至光纤网络后，需要经过后续每个从节点的转发，才能最终上传至主节点。图4(a)、(b)给出了这2种模式下数据传输及延时信息的基本模型；其中，图4(b)中的细线和粗线分别表示从节点1和2的反馈数据上传路径，其他节点依次类推。在图4中，tavg为节点与节点之间光纤连接线的传输延时，该延时为硬延时；tdi(i1,2,3,n)为 (a)控制发送模式 从节点 3 td3 tavg 从节点 2td2tavg从节点 n1td(n1)tavg主节点 tavg 从节点 1td1从节点 ntdntavgtavg (b)数据反馈模式 从节点 3 td3 tavg 从节点 2td2tavg从节点 n1td(n1)tavg主节点 tavg 从节点 1tp1从节点 ntdntavgtp2 图 4 常规环网的通信延时模型 Fig.4 Delay-time model of the traditional fiber ring net 68 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 从节点 i 从光纤接收模块接收到上一节点的数据命令信息再将其转发到后一节点的处理延时，该延时主要由串/并转换模块产生，经过实验实测其大约为670ns；tpi(i1,2,3,n)为从节点 i 将其本地的反馈数据上传至光纤网络的处理延时。根据图4，可以得出这2种数据传输过程的总延时分别为 total_ 1avgd1(1)ntxiiTntt(1)1total_feed1avgd1111(1)()nnnnipiiii iiTni ttt (2)式中：Ttotal_tx为控制信息发送的总延时；Ttotal_feed为n个从节点上传其反馈数据的总延时。3.2 本文所提环网结构延时分析 由电力电子控制的基本过程可知，对于本文所提出的环网拓扑结构，仍然存在2种同样的工作模式：控制数据和命令的发送模式与从节点反馈数据的上传模式。根据图3，可以得到所提环网拓扑结构在上述2种工作模式下的延时模型，分别如 图5(a)、(b)所示。(a)控制发送模式 tavg tavg tavgtavg 数据处理 n1 d(n1)数据切换从节点 n1数据处理 3 d3数据切换 从节点 3 数据处理 2 d2 数据切换 从节点 2 tavg 数据处理 n dn数据切换从节点 n数据处理 1 d1 数据切换 从节点 1 主节点 tavg (b)数据反馈模式 tavg tavg tavgtavg 数据处理 n1d(n1)数据切换从节点 n1数据处理 3 d3数据切换 从节点 3 数据处理 2 t2 数据切换 从节点 2 d2 tavg 数据处理 ndn数据切换从节点 n数据处理 2 t1 数据切换 从节点 2 主节点 图 5 所提环网的通信延时模型 Fig.5 Delay-time model of the proposed fiber ring net 在图5中，tavg为节点与节点之间光纤连接线的传输延时，该延时为硬延时；di(i1，2，3,n)为从节点i直接把光纤网络上的数据和命令信息经过高速光纤接收模块和FPGA的高速LVDS端口传送到下一节点的处理延时，由于控制信息没有经过通信模块的接收和转发处理，该路径上传输的始终都是高速的PECL或LVDS信号，故其延时非常小，经实验测试大约为10ns；ti(i1,2,3,n)为从节点i将其本地反馈数据上传至光纤网络的处理延时。根据图5，可以得出这2种数据传输过程的总延时分别为 total_2avgd1(1)ntxiiTnt(3)1total_feed2avgd1111(1)()nnnniiiii iiTni tt (4)式中：Ttotal_tx2为控制信息发送的总延时；Ttotal_feed2为n个从节点上传其反馈数据的总延时。3.3 两种环网结构的延时比较 常规环网结构在数据进行反馈时，处理数据由本节点发送给串/并转换模块后，直接送入光纤收发模块中传给下一节点；对于本文所提环网结构，反馈处理数据由本节点发送给串/并转换模块后，再由高速电平转换芯片和FPGA的高速LVDS端口送入光纤收发模块中传给下一节点。由于电平转换芯片和FPGA内部LVDS端口的延时非常小，只有ns级，因此可以近似认为titpi。因此，相对于常规的光纤环网结构，采用本文所提网络结构可以节省的总发送延时和总反馈延时分别为 total_ 1total_2dd1feedtotal_feed1total_feed2dd11()()ntxtxtxiiinniiii iTTTtTTTt (5)以本文研究所针对的十五相推进变频器为例，系统共有18个从节点，即n18，同时注意到上文已提到tdi和di分别为670 和10ns；因此，根据 式(5)可以计算得到可以节省的总发送延时和反馈延时分别为：Ttx11.88s和Tfeed100.98s。可见，采用本文所提的拓扑结构可以大大的减小系统的网络传输延时，从而可以提高系统的开关频率，同时也为控制算法的执行预留更多的时间，便于实现更为复杂和先进的系统控制算法。第 15 期 孙驰等：一种实用的大容量电力电子系统高速光纤环网拓扑及其协议 69 4 分布式控制通信协议制定 电力电子变流系统的分布式控制在控制功能和内容上与传统的集中式控制完全一致，都是在每个采样或开关周期内根据采集到的变流系统反馈数据信息执行闭环控制算法，在此基础上产生相应的PWM驱动信号，同时根据运行时的一些状态信息进行适当的保护。如图2、3所示，在本文所提出的分布式控制结构中，在上电复位后，所有从控制器中的数据选择器都默认选择数据通道DATA2，即选择直通传递由光纤接收模块提供的串行数据序列。在正常工作时，主控制器首先发送初始化命令，从而进行整个控制网络的初始化操作；在初始化完成后，主控制器将按照一定的开关时序发送控制数据和命令；同时，相应从控制器在接收到对应的反馈数据命令后，将切换数据源到DATA1通道，从而将该从控制器所在节点的反馈数据和状态上传到主控制器。为了保证数据收发的正确性，需要对数据进行校验，这里选择16bit的循环冗余码校验。根据上述工作过程，特制定如下的通信协议，其各种命令和数据帧格式如图6所示。反馈数据帧 反馈数据命令 标识符(4bit)节点地址(8bit)从节点反馈 数据(16bit*4)循环冗余校验(CRC)(16bit)控制数据帧 控制数据命令标识符(4bit)节点地址(8bit)循环冗余校验(CRC)(16bit)调制数据(16bit)延时数据命令标识符(4bit)延时数据(16bit)循环冗余校验(CRC)(16bit)延时数据帧 反馈数据请求命令标识符(4bit)节点地址(8bit)命令帧 命令标识符(4bit)初始化 同步 关机 图 6 数据格式 Fig.6 Data format 上述命令和数据帧所执行的主要功能如下：1）命令帧。初始化命令(master to slave)：通知从节点进行功能初始化；主控制器根据接收和发送初始化命令的时间差计算整个网络延时。由于系统的数据传输延时主要为光纤收发器的硬延时，因此对于节点数较少或对同步要求不是很高的电力电子变流系统来说，该网络延时计算步骤可在初始化操作中省略。同步命令(master to slave)：从控制器通信模块在该命令的传送过程中工作在类总线通信工作模态，传输延时非常小，对于节点数目比较少或者对同步精度要求不是很高的电力电子变流系统，从控制器在接收到该命令后将直接产生相应的同步标志。对于节点数目比较多的复杂电力电子变流系统，从控制器在接收到同步命令后，同时根据已接收到的延时数据和节点地址进行定时计数，定时时间到达到后输出用于PWM产生的同步标志。关机命令(master to slave)：主控制器在控制指令的要求下，发送给从控制器；从控制器在接收到该命令后，将立刻封锁所在节点的PWM驱动脉冲，从而关闭整个电力电子变流装置。反馈数据请求命令(master to slave)：主控制器在开关周期时序控制下，发送该命令帧，对应相应节点地址的从控制器在接收到该命令后将上传该节点的反馈数据和状态信息，从而保证主控制器完成必要的闭环算法计算和向顶层控制器传送整个变流装置的工作状态信息。2）数据帧。延时数据帧(master to slave)：系统初始化时，主控制器发送由其实测的整个网络延时数据至从节点(在节点数目较少的变流系统中，由于本方案的数据传输延时比较小，因此可以不采用该延时数据帧)，从控制器在接收到该数据帧后可以用来进行适当的定时同步，从而实现高精度的同步时序控制。控制数据帧(master to slave)：在开关时序的控制下，主控制器在该数据帧中发送控制调制波数据；从控制器在接收到其对应节点地址的控制数据后，将立刻将其进行存储，然后在同步命令的同步下产生所需的PWM驱动脉冲信号。反馈数据帧(slave to master)：从控制器在接收到相应节点地址的自主控制器发送的反馈数据请求命令后，将立刻把本节点的反馈数据和状态信息上传给主控制器。在该数据帧中，16bit4的数据内容在这里预先划分为：16bit的电压数据、16bit的电流数据、16bit的温度数据以及16bit的IGBT故障状态数据。对于以上的所有命令和数据帧，只有在从控制器上传反馈数据帧时，控制网络才工作在反馈应答工作模式，整个通信工程非常类似常规的总线通信方式，除了数据传输延时比较小外，由于通信控制的状态机没有传统环网通信中的大量转发状态，因70 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 此整个环网通信功能模块的编程和调试都得到了较大程度的简化，可以缩短整个分布式网络的开发周期并提高程序模块的健壮性。5 数据源的切换及其处理 在光纤网络的传输数据中，为了保证数据传输的正确性，保证在数据接收时时钟能正确恢复，需要在每个数据包发送完成后插入必要的同步字符。如图7所示，由于反馈节点从检测到来自主控制器的反馈数据请求命令到命令处理完毕大概需要2个时钟周期，因此为了保证开关的正确切换，至少需要在接收到反馈数据请求命令后2个同步字符后开始切换，同时，在从节点进行数据反馈期间，主控制器发送的都是同步字符；而从节点至少要在开关切换完成后的一个同步字符才能开始发送反馈应答命令和反馈数据。由于反馈请求命令的发送是以主控制器的发送时钟为基准，而本地节点的反馈数据是以从控制器的接收时钟为基准，因此，不同数据源之间并不一定具有时钟同步关系，在数据源切换时，当2个节点的同步字符时钟不一致时会导致一个新的错误数据的产生。为了保证环网中数据传输的准确性，必须对这种数据源切换所产生的错误数据进行处理。光纤网络数据源 DATA2 D1 D2 D3 syn syn syn syn syn synsyn本地节点数据源 DATA1 syn syn syn synsyn syn D4 D5D6切换标志 光纤网络 数据 D1 D2 D3 syn syn Dx syn D4 D5D6网络中传输的数据发生错误 图 7 数据源的切换 Fig.7 Switching the data source 由于所有的反馈数据都由主控制器来接收，因此可以在主控制器上利用verilog程序产生一个控制标志信号，将数据切换点处发生的错误数据处理掉：控制标志信号从主控制器接收到自己发出的反馈数据请求命令和反馈节点地址后开始有效，从接收到来自从节点的反馈数据命令应答信号开始无效，期间的所有数据和命令FPGA均不做任何处理，由于开关切换时产生的错误数据不被FPGA识别和处理，保证了数据在光纤网络中的正确传输。6 实验及分析 6.1 控制器实物图 为了验证本文所提分布式控制方案的正确性，设计、制作了相应的控制器实物并构成了一个实际的环形控制网络，并进行了相关的实验测试。图8给出了主控制器和从控制器的实物图片，其中左边为主控制器板，右边为从控制器板。图 8 控制器实物图 Fig.8 Entity of controller 6.2 数据通信测试 为了验证所提出的分布式控制方案数据通信的正确性，根据图6制定的通信协议进行了软件编程和实验验证。这里，主控制器发送的数据帧和从控制器反馈的数据帧具体形式如图9所示。其中，控制数据命令标识符定义为“5”，反馈数据请求命令标识符为“6”，反馈应答命令标识符为“7”，syn代表空闲同步字符。主控制器共发送4个从节点的控制数据，从节点的节点地址为14；同时，主控制器向从节点4发送反馈数据请求命令。(a)发送数据帧 syn512021222233242542627syn45556syn (b)反馈数据帧 syn743031323334353637 图 9 实验数据帧 Fig.9 Experiment data frame 图10、11分别给出了采用嵌入式逻辑分析仪SignalTap II Logic Analyzer捕捉到的从控制器(节点4)和主控制器的数据通信波形。在图10中，rxclk为从节点接收时钟信号，flag为数据源切换标志信号，rxcmd和rxdata为从节点接收到来自主节点的命令和数据信息，txcmd和txdata为从节点发送的反馈命令和数据信息。根据图10可以看出，在接收到来自主节点的反馈数据请求命令“6”和反馈节点地址“4”后的两个同步字符，数据源开始切换到节点本地数据源DATA1。反馈应答命令为“7”，反馈节点地址为“4”。在图11中，rxclk_reg为系统主节点的接收时钟信号，rxcmd为接收的命令信息，rxdata1为未经过屏蔽处理接收到的数据信息，第 15 期 孙驰等：一种实用的大容量电力电子系统高速光纤环网拓扑及其协议 71 图 10 SignalTap II Logic Analyzer 捕捉的从控制器数据波形 Fig.10 Slave controllers data waveform derived from SignalTap II Logic Analyzer 图 11 SignalTap II Logic Analyzer 捕捉的主控制器数据波形 Fig.11 Master controllers data waveform derived from SignalTap II Logic Analyzer rxdata为经过屏蔽处理后接收到的数据信息。从图中可以看到，数据源在进行切换时，由于两个数据源时钟的不同步，产生了一个新的错误数据“230”，通过屏蔽处理后，在rxdata中得到了正确的通信 数据。图12(a)、(b)分别给出了从控制器输出串行数据切换到本地反馈串行数据和光纤接收模块输出串行数据的实测PECL电压波形图。在实验中，当控制信号为低电平时，从控制器光纤发送模块输出来自光纤模块接收端口的串行数据，当控制信号为 t(200ns/格)(a)切换到反馈串行数据 U(5V/格)ch1 ch3 ch2 t(200ns/格)(b)切换到光纤接收模块输出串行数据 U(5V/格)ch1 ch2 ch3 图 12 从控制器数据通道切换实验波形图 Fig.12 Experiment waveform