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逐漸引起人們的重視。現(xiàn)如今各種類型的電力電子設備已經應用于電力系統(tǒng)的方方面面，通過電力電子技術來控制電能的傳輸與使用，盡可能的減少電能浪費是當前一個非常重要的研究課題。PEBB實際上是一個集成電源處理部件或者模塊的電力電子組塊，通過其內部的通訊模塊來測量接入模塊的具體單元，再通過其內部的功率模塊輸出相應的控制信號。所以本文既需要對集成系統(tǒng)進行研究，同時對系統(tǒng)的通訊體系進行相應的分析。
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)為分布式結構設計，由發(fā)電機、EMI濾波器、各種交直流電源等部件構成。系統(tǒng)的直流母線功率主要是由發(fā)電機、EMI濾波器、PWM整流器所提供，各種類型負載如交流電動機、電阻等均需要經直流母線過濾后饋電。電力電子組塊PEBB內部包含有集成功率半導體器件、傳感器、保護電路等，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——數據/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，在拓撲和系統(tǒng)結構方面都有很大的優(yōu)勢，只需要非常小的電力電子組合配置或者拓撲，就能夠實現(xiàn)較大功率范圍應用。在實際工作中，PEBB的性能主要是由體積、重量以及工作中產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)的可靠運行以及靈活多變性有著比較大的影響，而且過多的點點連接，使得結構上過于復雜。但隨著工業(yè)生產規(guī)模和工藝的不斷發(fā)展，模塊化、擴展性已經成為未來工業(yè)制造過程的方向，連貫控制以及分布式控制將是生產制造商應用最為廣泛的生產模式。標準通訊協(xié)議是這一切實現(xiàn)的基礎，必須對由主板控制的不同PEBB模塊制定一個標準通訊協(xié)議，以實現(xiàn)可靠、靈活系統(tǒng)體系。由于通信線在結構上設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)要根據協(xié)議所支持的節(jié)點數來設置其在應用場合中的分布情況，以保證通訊容量與變化器開關頻率成正比例關系?，F(xiàn)在實際應用中，對于噪聲的控制主要采用的方法就是光纖連接的拓撲。只有根據電力電子的特點，來設計體系中軟件、硬件內容，設計系統(tǒng)總線結構，才能夠對當前的電力電子結構體系有根本性的改革。
2 分布式控制設計
分布式數字控制系統(tǒng)的結構大致可以用圖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時監(jiān)控通信接口以及功率模塊的運行情況，實現(xiàn)信息以及功率兩種信號的成功傳輸。為了能夠進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計是基于相臂原理進行的?；谙啾鄣挠布芾砥髋c應用管理器之間實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是傳輸數據的表示位數，NHM是系統(tǒng)中硬件管理器的個數。
3 基于相臂的硬件管理器設計
基于相臂設計硬件管理器的主要考慮因素就是既要保證系統(tǒng)運行過程中的靈活性，同時也要使得系統(tǒng)進行控制與通信的過程更為簡化。本文所設計基于相臂的硬件管理器其結構組成為：1個雙向的光線通信接口，主要是接受應用管理器的驅動信息，同時向上層反饋運行狀態(tài)；可以測量電壓以及電流的傳感器；4個被隔離開的IGBT門級驅動，主要對主功率管驅動，還可以輔助功率管；2個用于轉換傳感器模擬信號的A/D轉換器，把這些信號轉換成系統(tǒng)可以識別的數字信號。
干擾是電路設計過程中非常重要的研究內容，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。實際設計印刷電路板時，一定要將最易受干擾的控制芯片盡可能的遠離主要干擾源，如變壓器、開關管等。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，只有這樣設計才能夠盡可能的實現(xiàn)去耦目標。
3.1 門級驅動設計 門級驅動電路對于控制系統(tǒng)干擾非常關鍵，因為該部分是系統(tǒng)傳導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字控制電路與門級驅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。本設計門級驅動部分使用的是MC33153模塊，它實際上是一種高功率應用的IGBT芯片。設計使用TAXI芯片作為接受與發(fā)送兩者之間的轉換芯片，構成系統(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化為幾百納安的電流脈沖信號。最終利用AM7969將這些信號轉化為數字序列，輸送至PLD進行下一步操作。通常情況下，系統(tǒng)中的TAXI接收器等，開關電流只有幾百微安，這種小的干擾信號對于系統(tǒng)中的大多數傳輸信號而言，影響不大，但對于那些更加弱小的脈沖數據而言，損害就非常大。所以，在實際操作中，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計 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來實現(xiàn)的，串行通訊的控制與協(xié)調是硬件管理器在整個系統(tǒng)中所要承擔的主要任務。本文設計系統(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，在數據寄存器中的數值可以形成雙重緩沖的效果，只要有同步命令指令，而且CRC校驗無錯誤，那么寄存器就可以直接導入數據，系統(tǒng)的這種功能可以幫助實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的同步運行。此外，系統(tǒng)利用外部同步信號來觸發(fā)A/D控制器，之所以這樣設計，是為了能夠保證系統(tǒng)中反饋信號的同步。經過初始化數據之后，A/D控制器就可以通過控制信號來作用于系統(tǒng)，一旦數據被轉化之后，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 應用管理器設計
硬件管理器的操作對象是系統(tǒng)底層硬件，而應用管理器在系統(tǒng)中主要承擔的是控制算法以及控制邏輯。本文設計的應用管理器結構上主要由三部分組成：DSP芯片，PLD邏輯器件以及光線網絡通訊接口。其中使用的DSP芯片是ADSP21062，之所以使用這種芯片，是為了提高應用管理器的計算量。在EPLD中使用MAXPLUSII來實現(xiàn)通訊管理器的設計。在實際任務執(zhí)行中，應用管理器的運行流程是：
實現(xiàn)應用管理器DSP對硬件管理器的控制是通過中斷服務程序來執(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。當中斷服務程序開始執(zhí)行時，DSP就會通過16位的數據總線DB[15..0]來讀取PLD的輸入寄存器，并使用相應的控制算法進行運算，最后將得到的計算結構轉換為控制程序，再輸入至PLD的輸出寄存器中。
5 分布式系統(tǒng)上層網絡設計
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。為了進一步提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)變流器之間的順暢通信，必須在系統(tǒng)最上層構建完善的通訊網絡，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，以太網技術為這種通訊網絡提供了解決方案。具體通訊網絡協(xié)議如下：
①數據包字節(jié)長度可變。不定長度的數據包與固定長度的數據包之間最大的區(qū)別就在于地址域的不同。長度可變數據包的地址域被分為兩部分，目標地址與源地址，這種設計可以將已有系統(tǒng)擴展成多系統(tǒng)。此外，長度可變數據包中的數據域也是可以調節(jié)的。②帶有令牌的多主結構。在控制算法的約束下實現(xiàn)不同節(jié)點之間的數據傳輸。主節(jié)點執(zhí)行傳輸數據操作，需要事先接收到數據時序傳輸的令牌，當一段數據傳輸完成之后，這個令牌自動傳遞至下一節(jié)點。同時還要對主節(jié)點控制令牌時限進行設置，以保證數據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用管理器設計進行了簡單的論述，同時給出了系統(tǒng)網絡通訊設計方案。該論文所設計的集成系統(tǒng)已經通過實踐驗證，接下來的主要工作方向就是進一步的提高系統(tǒng)容錯能力，以提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。同時，系統(tǒng)的通用性以及系統(tǒng)運算速度也是今后工作的主要研究內容。智能電力電子集成系統(tǒng)所涉及的學科領域非常之廣，相關輔助學科也需要在今后的工作中不斷完善。