基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力電子變流系統(tǒng)通信控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架。本發(fā)明采用具有自同步通信特性的曼徹斯特碼作為通信平臺(tái)，包括大功率變流器集中式控制構(gòu)架及其并聯(lián)組網(wǎng)，三相分布式鏈狀和多相多電平模塊化結(jié)構(gòu)等分布式控制構(gòu)架，以及直接將所述通信方式應(yīng)用于諸如數(shù)字式IGBT驅(qū)動(dòng)器等電力電子模塊通信控制中。本發(fā)明具有自同步通信特性，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，通信速率高，可靠性好，通信協(xié)議制定方便，滿足大功率電力電子變流系統(tǒng)的通信控制及其他電力電子模塊的通信應(yīng)用要求。
【專利說明】基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子變流系統(tǒng)通信控制領(lǐng)域，具體涉及電力電子變流系統(tǒng)中的一 種基于曼徹斯特編解碼的串行同步通信控制構(gòu)架。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子變流系統(tǒng)功率等級(jí)的不斷提高，系統(tǒng)智能化、可靠性、和可維護(hù)性要 求越來越苛刻。電力電子變流系統(tǒng)通信控制構(gòu)架作為變流系統(tǒng)的控制中樞，對(duì)裝置的穩(wěn)定 可靠運(yùn)行至關(guān)重要。目前，對(duì)于電力電子變流系統(tǒng)的控制構(gòu)架而言，基本都采用以可編程控 制器為控制核心，基于串行光纖通信的集中式控制構(gòu)架或分布式控制構(gòu)架。其中，集中式控 制構(gòu)架簡(jiǎn)單、可靠，適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的中小功率的變流系統(tǒng)。但其大量 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信明顯增加了控制器的故障率和維護(hù)難度；所采用的常規(guī)串行通信方式，通信 速率低、誤碼率高，不利于功率器件的狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)上傳；復(fù)雜的通信控制及接口消耗了 控制器大量的時(shí)間和硬件資源，不利于發(fā)揮控制器的最優(yōu)計(jì)算性能。分布式控制方式適合 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)分布式特征的中大功率變流系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和 智能化程度高。目前采用分布式控制構(gòu)架的變流器主要有三相橋式變流器、Η橋級(jí)聯(lián)型變 流器以及多相多電平模塊化變流器。對(duì)于三相橋式變流器和Η橋級(jí)聯(lián)型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 采用以單相模塊作為基本控制單元的分布式控制構(gòu)架，每相控制器和主控制器通過單光纖 鏈狀串行通信鏈路實(shí)現(xiàn)。由于分布式通信鏈路采用現(xiàn)有串行總線通信方式，通信速率大多 在2. 5Mbps以下，難以滿足各相控制器和主控制器之間大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、命令的傳輸，控制系 統(tǒng)實(shí)時(shí)性不高，限制了此種控制構(gòu)架的功率器件高開關(guān)頻率的應(yīng)用。加之各相功率單元多， 信號(hào)連接和時(shí)序控制復(fù)雜。對(duì)于多相多電平模塊化變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有模塊節(jié)點(diǎn)通過單 光纖組成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間采用高速串行光纖通信方式。此種控制網(wǎng)絡(luò)大量節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù) 和命令的接收、發(fā)送、傳遞造成較大的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，控制系統(tǒng)同步處理復(fù)雜，通信協(xié)議和硬件 設(shè)計(jì)難度大，成本高，嚴(yán)重阻礙了分布式高速串行光纖環(huán)網(wǎng)控制方式在大功率變流系統(tǒng)中 的推廣應(yīng)用?？傊?，現(xiàn)有的電力電子變流系統(tǒng)所采用的基于常規(guī)串行光纖通信的通信控制 構(gòu)架，要么通信速率較低，誤碼率高，不能滿足數(shù)據(jù)傳輸要求及高開關(guān)頻域應(yīng)用；要么通信 控制復(fù)雜，難以得到推廣應(yīng)用。因此，考慮到電力電子變流系統(tǒng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，智能化、高 可靠性和高通信速率要求，研制一種基于簡(jiǎn)潔、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高的串行同 步通信模式的控制構(gòu)架，對(duì)于豐富電力電子變流系統(tǒng)通信控制，克服現(xiàn)有通信控制構(gòu)架中 存在的難題，滿足其他電力電子應(yīng)用場(chǎng)合的通信要求具有重要作用。
[0003] 曼徹斯特碼又稱雙相碼，是一種自同步的編碼方式。此編碼方式將時(shí)鐘信息編碼 在數(shù)據(jù)流中，在傳輸數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，也將編碼時(shí)鐘信息一起傳輸?shù)浇邮斩?，為接收端?shí)現(xiàn) 自同步解碼提供充足的位定時(shí)信息。目前，曼徹斯特碼被廣泛應(yīng)用在以太網(wǎng)局域網(wǎng)、石油勘 探測(cè)井等小功率場(chǎng)合，在電力電子系統(tǒng)領(lǐng)域還沒有得到應(yīng)用?；诼鼜厮固卮a的電力電子 變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架，利用曼徹斯特碼自同步編解碼的特性，能夠在實(shí)現(xiàn)高速可靠通 信的條件下，省去復(fù)雜的通信控制處理，降低通信控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，滿足現(xiàn)有 的集中式、分布式變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其他電力電子模塊通信應(yīng)用條件，是值得探索的一種 通信控制構(gòu)架。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通 信控制構(gòu)架，率先將曼徹斯特碼應(yīng)用于電力電子變流系統(tǒng)通信控制中，通信速率高，實(shí)現(xiàn)方 式簡(jiǎn)單，可靠性能好，滿足絕大部分的電力電子變流系統(tǒng)通信控制和其他電力電子模塊通 信應(yīng)用要求。
[0005] 本發(fā)明提供了一種基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架，包括上 位機(jī)控制器和功能控制器，功能控制器通過光纖與上位機(jī)控制器電連接，功能控制器通過 光纖與功率開關(guān)器件電連接，上位機(jī)控制器包括上位機(jī)和主控制器，上位機(jī)包括電連接的 應(yīng)用管理控制模塊和信號(hào)處理模塊，應(yīng)用管理控制模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；主控制器執(zhí)行信號(hào) 處理、通信編解碼以及執(zhí)行相應(yīng)的通信協(xié)議。上位機(jī)的光纖接口與主控制器的光纖接口電 連接。主控制器包括電連接的算法與信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊，算法與信號(hào)處理模 塊與光纖接口電連接，通信編解碼模塊與高速光纖收發(fā)模塊電連接；功能控制器包括高速 光纖收發(fā)模塊、光纖接口、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊、反饋信號(hào)模塊、電連接的通信編解碼模塊和信 號(hào)處理模塊組成控制功能為核心的高速高密度FPGA，所述高速光纖收發(fā)模塊與通信編解碼 模塊和主控制器高速光纖收發(fā)模塊電連接，信號(hào)處理模塊的輸出端與PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的 輸入端連接，反饋信號(hào)模塊的輸出端與信號(hào)處理模塊的輸入端連接，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的輸 出端、反饋信號(hào)模塊的輸入端與光纖接口電連接，所述光纖接口與對(duì)應(yīng)的功率開關(guān)器件電 連接。功能控制器通過光纖線與上位機(jī)連接，功能控制器通過光纖接口直接控制功率開關(guān) 器件。功能控制器和上位機(jī)控制器之間采用曼徹斯特碼的通信方式，而不是傳統(tǒng)的串行通 信方式。主控制器主要執(zhí)行和上位機(jī)通信、閉環(huán)控制算法、以及和相控制器之間的數(shù)據(jù)命令 通信。功能控制器主要執(zhí)行和主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)上位機(jī)的命令產(chǎn)生PWM控制脈 沖并對(duì)開關(guān)器件實(shí)施控制保護(hù)，接收功率開關(guān)器件上傳的狀態(tài)信息以及相應(yīng)的信號(hào)處理。 FPGA主要實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的編解碼以及大量的實(shí)時(shí)、邏輯信號(hào)處理，產(chǎn)生控制功率模塊的邏 輯信號(hào)；高速光纖收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)的高速發(fā)送和接收；PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊根據(jù)FPGA 的邏輯信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)控制脈沖信號(hào)；信號(hào)處理模塊向光纖接口發(fā)送PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 通過光纖使其傳送至功率開關(guān)器件。光纖接口直接和IGBT模塊通過光纖線連接，控制功率 模塊的開關(guān)動(dòng)作，光纖接口將接收到的功率開關(guān)器件的反饋信號(hào)經(jīng)反饋信號(hào)模塊處理后傳 送至信號(hào)處理模塊。
[0006] 所述功能控制器包括三相功能控制器，主控制器的高速光纖收發(fā)模塊通過光纖分 別與A相功能控制器、B相功能控制器和C相功能控制器的高速光纖收發(fā)模塊電連接，A相 功能控制器、B相功能控制器和C相功能控制器的光纖接口分別與對(duì)應(yīng)的功率單元器件電 連接。主控制器和各相功能控制器之間采用基于曼徹斯特碼的高速光纖串行通信。上位機(jī)， 主控制器，A、B、C三相從控制器形成主從式三相分布式鏈狀通信控制構(gòu)架。上位機(jī)包括光 纖接口、信號(hào)處理以及應(yīng)用管理控制模塊，主要執(zhí)行上層控制命令及通信。主控制器包括光 纖接口，F(xiàn)PGA和DSP處理核心，高速光纖收發(fā)模塊及其相應(yīng)的外圍電路。主控制器和上位 機(jī)之間通過光纖通信。主控制器主要執(zhí)行數(shù)據(jù)命令的發(fā)送與接收、系統(tǒng)閉環(huán)控制算法的執(zhí) 行。三相控制器均包括高速光纖收發(fā)模塊，控制核心FPGA，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊，反饋信號(hào)模 塊，光纖接口，以及相應(yīng)的外圍電路。A、B、C相控制器在功能上相同，負(fù)責(zé)各相功率模塊單 元的控制及其通信。各相功能控制器主要執(zhí)行接收主控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)命令、PWM控制信 號(hào)的產(chǎn)生及開關(guān)管的控制保護(hù)以及功率器件狀態(tài)信息的反饋上傳。主控制器和三相控制器 之間采用高速光纖連接，實(shí)現(xiàn)基于曼徹斯特碼的高速數(shù)據(jù)傳輸。
[0007] 所述功能控制器包括多相功能控制器，主控制器的高度光纖收發(fā)模塊和各相功能 控制器的高速光纖收發(fā)模塊通過光纖相互串聯(lián)，主控制器和多相功能控制器相互配合通過 單光纖連接形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，各相功能控制器的光纖接口與對(duì)應(yīng)功率模塊單元相連接。主控 制器為所述環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，各相功能控制器為所述環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)之 間的數(shù)據(jù)傳輸采用基于曼徹斯特碼的高速串行光纖傳輸方式。上位機(jī)、主控制器和多相從 節(jié)點(diǎn)功能控制器形成多相多模塊分布式環(huán)網(wǎng)通信控制構(gòu)架。上位機(jī)包含應(yīng)用管理控制模 塊、信號(hào)處理模塊及其光纖通信接口，主要實(shí)現(xiàn)頂層控制命令的執(zhí)行。主控制器包括和上 位機(jī)直接通信的光纖接口，由算法與信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊組成的控制核心FPGA 和DSP，高速光纖收發(fā)模塊，及其相應(yīng)的外圍電路。從節(jié)點(diǎn)的各相功能控制器包括高速光纖 收發(fā)模塊，控制核心FPGA，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊，反饋信號(hào)模塊，光纖接口，以及相應(yīng)的外圍電 路。各從節(jié)點(diǎn)的各功能控制器在功能上相同，負(fù)責(zé)各模塊功率單元的控制保護(hù)，以及完成環(huán) 網(wǎng)數(shù)據(jù)命令的傳輸。主節(jié)點(diǎn)通過光纖環(huán)網(wǎng)發(fā)送各從節(jié)點(diǎn)所需的控制數(shù)據(jù)和命令，并根據(jù)各 從節(jié)點(diǎn)反饋回來的節(jié)點(diǎn)功率模塊的電氣參數(shù)和狀態(tài)信息，執(zhí)行相應(yīng)的閉環(huán)控制算法。各從 節(jié)點(diǎn)接收主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)命令，執(zhí)行本節(jié)點(diǎn)功率模塊的控制保護(hù)，并上傳本節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息 至環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)主控制器發(fā)給下游從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)命令以及上游節(jié)點(diǎn)上傳的狀態(tài)信 肩、。
[0008] 本發(fā)明提供了一種曼徹斯特碼編解碼方法，所述方法包括以下步驟：
[0009] a.將待編碼數(shù)據(jù)輸入通信編碼模塊，當(dāng)待編碼數(shù)據(jù)為"1"時(shí)，將其編碼為"10";當(dāng) 待編碼數(shù)據(jù)為"〇"時(shí)，將其編碼為"01"，利用兩倍數(shù)據(jù)頻率的發(fā)送時(shí)鐘將編碼數(shù)據(jù)逐位發(fā) 送至解碼模塊，同時(shí)為編碼數(shù)據(jù)添加3bit "111"的同步幀頭和3bit "000"的幀尾作為一 幀數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束；
[0010] b.解碼模塊在接收到有效的串行編碼碼流時(shí)，利用5倍數(shù)據(jù)頻率的高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘 對(duì)編碼碼流中各電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，同步本地計(jì)數(shù)時(shí)鐘和編碼碼流合成同步數(shù) 據(jù)，當(dāng)同步數(shù)據(jù)的電平跳變時(shí)，復(fù)位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生時(shí)鐘復(fù)位脈沖；
[0011] c.當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到當(dāng)前同步數(shù)據(jù)中高電平持續(xù)時(shí)間為3bit位寬時(shí)，認(rèn)為識(shí)別 到同步幀頭，并開始合成同步解碼時(shí)鐘；
[0012] d.復(fù)位計(jì)數(shù)器根據(jù)編碼碼流中的同步數(shù)據(jù)，利用計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)同 步數(shù)據(jù)當(dāng)前電平持續(xù)時(shí)間為lbit位寬時(shí)保留同步數(shù)據(jù)當(dāng)前跳變沿為有效跳變沿；當(dāng)計(jì)數(shù) 同步數(shù)據(jù)當(dāng)前電平持續(xù)時(shí)間為2bit位寬時(shí)，保留同步數(shù)據(jù)當(dāng)前跳變沿為有效跳變沿；
[0013] e.當(dāng)同步數(shù)據(jù)的有效跳變沿對(duì)應(yīng)的復(fù)位脈沖產(chǎn)生下降沿的時(shí)刻，同步解碼時(shí)鐘產(chǎn) 生上升沿；
[0014] f.利用合成的同步解碼時(shí)鐘的上升沿采樣同步數(shù)據(jù)的反碼，當(dāng)同步解碼時(shí)鐘信號(hào) 產(chǎn)生上升沿時(shí)，解碼數(shù)據(jù)輸出該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的同步數(shù)據(jù)反碼信號(hào)，并最終將解碼數(shù)據(jù)輸出。
[0015] 上述編解碼過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈凰俾蕿镕PGA處理速率的五分之一。
[0016] 所述基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架中，由通信編解碼模塊 和信號(hào)處理模塊組成的FPGA采用曼徹斯特編解碼方法，所述主控制器和底層各相功能控 制器的FPGA之間采用基于曼徹斯特編解碼方法的高速光纖串行通信。
[0017] 本發(fā)明具有自同步通信特性。該通信構(gòu)架利用曼徹斯特碼的自同步編解碼特性， 數(shù)據(jù)接收端充分利用串行數(shù)據(jù)流中的位同步信息，實(shí)現(xiàn)每位數(shù)據(jù)的同步接收，有效的消除 了單光纖串行數(shù)據(jù)傳輸中因數(shù)據(jù)收發(fā)雙方頻差、傳輸延時(shí)或傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)的"1"或 "0"時(shí)帶來的傳輸錯(cuò)誤。本發(fā)明通信速率高。高密度高速FPGA的使用為構(gòu)架實(shí)現(xiàn)高速通信 奠定了基礎(chǔ)。目前，F(xiàn)PGA的處理速度高達(dá)幾百兆赫茲，基于FPGA編程實(shí)現(xiàn)的曼徹斯特編解 碼，數(shù)據(jù)的通信位速率為FPGA處理速率的五分之一，可以達(dá)到幾十兆位每秒，且通信速率 可以靈活調(diào)整。如當(dāng)FPGA的最高處理速度為100MHz時(shí)，數(shù)據(jù)通信位速率可以達(dá)到20Mbps， 能夠滿足大部分變流系統(tǒng)的通信控制以及其他電力電子模塊通信應(yīng)用要求。本發(fā)明簡(jiǎn)單， 可實(shí)現(xiàn)性好?；诼鼜厮固卮a的串行數(shù)據(jù)傳輸通信控制構(gòu)架，只需要通過FPGA編程即可實(shí) 現(xiàn)單光纖自同步數(shù)據(jù)通信，省去了傳統(tǒng)的通信控制芯片和高速光纖通信網(wǎng)絡(luò)中使用的專用 同步芯片，降低了時(shí)鐘同步處理的編程復(fù)雜度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。本發(fā)明的應(yīng)用范 圍廣。該通信控制構(gòu)架旨在提供一種簡(jiǎn)潔、可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)?；诖似脚_(tái)，針對(duì) 不同的控制對(duì)象和通信要求通過制定不同的通信協(xié)議，滿足多樣性的應(yīng)用要求。此通信控 制構(gòu)架可以方便的應(yīng)用在集中式控制方式、分布式控制方式以及兩種方式的組合控制中， 也可以應(yīng)用在硬件空間資源要求嚴(yán)格的數(shù)字式IGBT驅(qū)動(dòng)器等電力電子模塊中。本發(fā)明的 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。該通信控制構(gòu)架充分利用了曼徹斯特碼的自同步通信特性，編碼 數(shù)據(jù)以雙向碼的形式在信道中傳輸，碼流功率譜中不包含直流分量，具有較好的抗干擾性 能。加上光纖通信的優(yōu)點(diǎn)，保證了在電力電子系統(tǒng)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽?性。本發(fā)明的通信協(xié)議制定方便。該通信控制構(gòu)架利用曼徹斯特碼的不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)超過3 位碼流位寬的電平特性，可以方便的設(shè)定以3位碼流位寬的高、低電平作為數(shù)據(jù)幀的幀頭 和幀尾，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?br>
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為基于曼徹斯特碼的大功率變流器集中式通信控制構(gòu)架示意圖；
[0019] 圖2為基于曼徹斯特碼的三相變流器分布式通信控制構(gòu)架示意圖；
[0020] 圖3為基于曼徹斯特碼的模塊化變流器分布式環(huán)網(wǎng)通信控制構(gòu)架示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明構(gòu)架中所使用的曼徹斯特編解碼的FPGA實(shí)現(xiàn)流程圖；

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023] 本發(fā)明提供一種基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架，包括上位 機(jī)控制器和功能控制器，功能控制器通過光纖與上位機(jī)控制器電連接，功能控制器通過光 纖與功率開關(guān)器件電連接，上位機(jī)控制器包括上位機(jī)和主控制器，上位機(jī)包括電連接的應(yīng) 用管理控制模塊和信號(hào)處理模塊，上位機(jī)的光纖接口與主控制器的光纖接口電連接，主控 制器包括電連接的算法與信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊，算法與信號(hào)處理模塊與光纖接 口電連接，通信編解碼模塊與高速光纖收發(fā)模塊電連接；功能控制器包括高速光纖收發(fā)模 塊、光纖接口、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊、反饋信號(hào)模塊、電連接的通信編解碼模塊和信號(hào)處理模 塊組成控制功能為核心的高速高密度FPGA，所述高速光纖收發(fā)模塊與通信編解碼模塊和主 控制器高速光纖收發(fā)模塊電連接，信號(hào)處理模塊的輸出端與PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的輸入端連 接，反饋信號(hào)模塊的輸出端與信號(hào)處理模塊的輸入端連接，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的輸出端、反 饋信號(hào)模塊的輸入端與光纖接口電連接，所述光纖接口與對(duì)應(yīng)的功率開關(guān)器件電連接。功 能控制器通過光纖線與上位機(jī)連接，功能控制器通過光纖接口直接控制功率開關(guān)器件。功 能控制器和上位機(jī)控制器之間采用曼徹斯特碼的通信方式，而不是傳統(tǒng)的串行通信方式。 主控制器主要執(zhí)行和上位機(jī)通信、閉環(huán)控制算法、以及和相控制器之間的數(shù)據(jù)命令通信。功 能控制器主要執(zhí)行和主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)上位機(jī)的命令產(chǎn)生PWM控制脈沖并對(duì)開 關(guān)器件實(shí)施控制保護(hù)，接收功率開關(guān)器件上傳的狀態(tài)信息以及相應(yīng)的信號(hào)處理。FPGA主要 實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的編解碼以及大量的實(shí)時(shí)、邏輯信號(hào)處理，產(chǎn)生控制功率模塊的邏輯信號(hào)；高 速光纖收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)的高速發(fā)送和接收；PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊根據(jù)FPGA的邏輯信號(hào) 產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)控制脈沖信號(hào)；信號(hào)處理模塊向光纖接口發(fā)送PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過光纖使 其傳送至功率開關(guān)器件。光纖接口直接和IGBT模塊通過光纖線連接，控制功率模塊的開關(guān) 動(dòng)作，光纖接口將接收到的功率開關(guān)器件的反饋信號(hào)經(jīng)反饋信號(hào)模塊處理后傳送至信號(hào)處 理模塊。
[0024] 上述技術(shù)方案中，功能控制器包括三相功能控制器，主控制器的高速光纖收發(fā)模 塊通過光纖分別與A相功能控制器、B相功能控制器和C相功能控制器的高速光纖收發(fā)模 塊電連接，A相功能控制器、B相功能控制器和C相功能控制器的光纖接口分別與對(duì)應(yīng)的功 率單兀器件電連接。
[0025] 上述技術(shù)方案中，功能控制器包括多相功能控制器，主控制器的高度光纖收發(fā)模 塊和各相功能控制器的高速光纖收發(fā)模塊通過光纖相互串聯(lián)，住控制器和多相功能控制器 相互配合形成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，各相功能控制器的光纖接口與對(duì)應(yīng)功率模塊單元相連接。功率模 塊單元由對(duì)應(yīng)的功率單元器件組成。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明底層功能控制器中的FPGA和上位機(jī)控制器之間采用曼徹斯特 碼的通信方式，而不是傳統(tǒng)的串行通信方式。主控制器接收上位機(jī)發(fā)出的命令并向其傳送 反饋信息。主控制器接收到上位機(jī)發(fā)出的命令后，利用信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊將 命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為曼徹斯特碼并通過高速光纖收發(fā)模塊傳送至底層功能控制器的FPGA。功 能控制器的信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊將所述曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換上機(jī)位發(fā)出的命令信 息。功能控制器主要執(zhí)行和上位機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。功能控制器根據(jù)上位機(jī)的命令產(chǎn) 生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過光纖接口傳送至功率開關(guān)器件，對(duì)開關(guān)器件實(shí)施控制保護(hù)；同時(shí)接收 功率開關(guān)器件上傳的狀態(tài)信息通過反饋數(shù)據(jù)模塊處理后傳送至信號(hào)處理模塊。功能控制器 的信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊將所述狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為曼徹斯特碼后通過高速光纖收 發(fā)模塊傳送至主控制器。主控制器利用信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊將接收到的曼徹斯 特碼碼流轉(zhuǎn)換為反饋數(shù)據(jù)并傳送至上位機(jī)。集中式控制構(gòu)架還包括采用集中式控制的變頻 器并聯(lián)構(gòu)架，并聯(lián)變頻器之間的通信也采用曼徹斯特碼的通信方式，保證并聯(lián)構(gòu)架之間簡(jiǎn) 單高效的通信控制。
[0027] 基于曼徹斯特碼的三相分布式鏈狀通信控制構(gòu)架如圖2所示，主要針對(duì)三相橋式 和Η橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的大功率變流器應(yīng)用，包括上位機(jī)、主控制器和三個(gè)相功能控制器。主控制 器主要執(zhí)行和上位機(jī)通信、閉環(huán)控制算法、以及和相控制器之間的數(shù)據(jù)命令通信。相功能控 制器主要執(zhí)行接收主控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)命令、PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生及開關(guān)管的控制保護(hù)以 及功率器件狀態(tài)信息的反饋上傳。上位機(jī)，主控制器，A、B、C三相從控制器形成主從式三相 分布式鏈狀通信控制構(gòu)架。上位機(jī)包括光纖接口、信號(hào)處理以及應(yīng)用管理控制模塊，主要執(zhí) 行上層控制命令及通信。主控制器包括光纖接口，由算法與信號(hào)處理模塊和通信編解碼模 塊組成的控制核心FPGA和DSP，高速光纖收發(fā)模塊及其相應(yīng)的外圍電路。主控制器和上位 機(jī)之間通過光纖通信。主控制器主要執(zhí)行數(shù)據(jù)命令的發(fā)送與接收、系統(tǒng)閉環(huán)控制算法的執(zhí) 行。三相控制器均包括高速光纖收發(fā)模塊，控制核心FPGA，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊，反饋信號(hào)模 塊，光纖接口，以及相應(yīng)的外圍電路。A、B、C相控制器在功能上相同，負(fù)責(zé)各相功率模塊單 元的控制及其通信。各相功能控制器主要執(zhí)行接收主控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)命令、PWM控制信 號(hào)的產(chǎn)生及開關(guān)管的控制保護(hù)以及功率器件狀態(tài)信息的反饋上傳。主控制器和三相控制器 之間采用高速光纖連接，實(shí)現(xiàn)基于曼徹斯特碼的高速數(shù)據(jù)傳輸。
[0028] 基于曼徹斯特碼的多相多電平模塊化分布式環(huán)網(wǎng)通信控制構(gòu)架如圖3所示，主控 制器為所述環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，各相功能控制器為所述環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)之 間的數(shù)據(jù)傳輸采用基于曼徹斯特碼的高速串行光纖傳輸方式。上位機(jī)執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用 管理控制。上位機(jī)、主控制器和多相從節(jié)點(diǎn)的功能控制器通過單光纖連接形成多相多模塊 分布式環(huán)網(wǎng)通信控制構(gòu)架，所有節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用基于曼徹斯特碼的高速串行光纖 傳輸方式。主節(jié)點(diǎn)通過光纖環(huán)網(wǎng)發(fā)送各從節(jié)點(diǎn)所需的控制數(shù)據(jù)和命令，并根據(jù)各從節(jié)點(diǎn)反 饋回來的節(jié)點(diǎn)功率模塊的電氣參數(shù)和狀態(tài)信息，執(zhí)行相應(yīng)的閉環(huán)控制算法。各從節(jié)點(diǎn)接收 主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)命令，執(zhí)行本節(jié)點(diǎn)功率模塊的控制保護(hù)，并上傳本節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息至環(huán)型網(wǎng) 絡(luò)中，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)主控制器發(fā)給下游從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)命令以及上游節(jié)點(diǎn)上傳的狀態(tài)信息。上位 機(jī)包含應(yīng)用管理控制模塊、信號(hào)處理模塊及其光纖通信接口，主要實(shí)現(xiàn)頂層控制命令的執(zhí) 行。主控制器包括和上位機(jī)直接通信的光纖接口，由算法與信號(hào)處理模塊和通信編解碼模 塊組成的控制核心FPGA和DSP，高速光纖收發(fā)模塊，及其相應(yīng)的外圍電路。從節(jié)點(diǎn)的各相功 能控制器包括高速光纖收發(fā)模塊，控制核心FPGA，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊，反饋信號(hào)模塊，光纖 接口，以及相應(yīng)的外圍電路。各從節(jié)點(diǎn)的各功能控制器在功能上相同，負(fù)責(zé)各模塊功率單元 的控制保護(hù)，以及完成環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)命令的傳輸。
[0029] 本發(fā)明提供了一種曼徹斯特碼編解碼方法，包括以下步驟：
[0030] a.將待編碼數(shù)據(jù)輸入通信編碼模塊，當(dāng)待編碼數(shù)據(jù)為"1"時(shí)，將其編碼為"10";當(dāng) 待編碼數(shù)據(jù)為"〇"時(shí)，將其編碼為"01"，利用兩倍數(shù)據(jù)頻率的發(fā)送時(shí)鐘將編碼數(shù)據(jù)逐位發(fā) 送至解碼模塊，同時(shí)為編碼數(shù)據(jù)添加3bit "111"的同步幀頭和3bit "000"的幀尾作為一 幀數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束；
[0031] b.解碼模塊在接收到有效的串行編碼碼流時(shí)，利用5倍數(shù)據(jù)頻率的高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘 對(duì)編碼碼流中各電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，同步本地計(jì)數(shù)時(shí)鐘和編碼碼流合成同步數(shù) 據(jù)，當(dāng)同步數(shù)據(jù)的電平跳變時(shí)，復(fù)位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生時(shí)鐘復(fù)位脈沖；
[0032] c.當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到當(dāng)前同步數(shù)據(jù)中高電平持續(xù)時(shí)間為3bit位寬時(shí)，認(rèn)為識(shí)別 到同步幀頭，并開始合成同步解碼時(shí)鐘；
[0033] d.復(fù)位計(jì)數(shù)器根據(jù)編碼碼流中的同步數(shù)據(jù)，利用計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)同 步數(shù)據(jù)當(dāng)前電平持續(xù)時(shí)間為lbit位寬時(shí)，保留同步數(shù)據(jù)當(dāng)前跳變沿為有效跳變沿；當(dāng)計(jì)數(shù) 同步數(shù)據(jù)當(dāng)前電平持續(xù)時(shí)間為2bit位寬時(shí)，保留同步數(shù)據(jù)當(dāng)前跳變沿為有效跳變沿； [0034] e.當(dāng)同步數(shù)據(jù)的有效跳變沿對(duì)應(yīng)的復(fù)位脈沖產(chǎn)生下降沿的時(shí)刻，同步解碼時(shí)鐘產(chǎn) 生上升沿；
[0035] f.利用合成的同步解碼時(shí)鐘的上升沿采樣同步數(shù)據(jù)的反碼，當(dāng)同步解碼時(shí)鐘信號(hào) 產(chǎn)生上升沿時(shí)，解碼數(shù)據(jù)輸出該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的同步數(shù)據(jù)反碼信號(hào)，并最終將解碼數(shù)據(jù)輸出。
[0036] 上述編解碼過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈凰俾蕿镕PGA處理速率的五分之一。
[0037] 本發(fā)明中由通信編解碼模塊和信號(hào)處理模塊組成的FPGA采用曼徹斯特編解碼方 法，所述主控制器和底層各相功能控制器的FPGA之間采用基于曼徹斯特編解碼方法的高 速光纖串行通信。
[0038] 所述的控制構(gòu)架中，基于曼徹斯特碼的通信方式都采用FPGA編程實(shí)現(xiàn)的以曼徹 斯特碼為傳輸媒質(zhì)的單光纖高速串行同步通信。利用FPGA軟件編程實(shí)現(xiàn)曼徹斯特碼的通 信編解碼模塊。數(shù)據(jù)發(fā)送端將待發(fā)送數(shù)據(jù)通過編解碼模塊進(jìn)行曼徹斯特編碼發(fā)送，接收端 在接收到串行編碼數(shù)據(jù)流后，通過通信編解碼模塊自同步解碼得到通信數(shù)據(jù)命令，保證數(shù) 據(jù)傳輸?shù)暮?jiǎn)潔性、可靠性和較好的容錯(cuò)性。所述的高速曼徹斯特編解碼的FPGA實(shí)現(xiàn)包括曼 徹斯特編碼和解碼兩部分，如圖4所示。發(fā)送端將待發(fā)送的原始數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換成曼徹斯特 碼，并利用兩倍數(shù)據(jù)頻率的發(fā)送時(shí)鐘將編碼數(shù)據(jù)逐位進(jìn)行發(fā)送。編碼碼流通過光纖在高速 光纖收發(fā)模塊之間進(jìn)行傳送。接收端在接收到有效串行碼流時(shí)，利用5倍數(shù)據(jù)頻率的高頻 計(jì)數(shù)時(shí)鐘對(duì)碼流中各電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，同步本地計(jì)數(shù)時(shí)鐘和串行碼流，識(shí)別出 同步幀頭，并利用碼流中的位同步信息合成同步解碼時(shí)鐘，最終采樣輸出解碼數(shù)據(jù)。
[0039] 除上述實(shí)例外，本發(fā)明還可以有其它通信控制構(gòu)架及相應(yīng)的曼徹斯特編解碼的 FPGA實(shí)現(xiàn)形式，凡采用等同替換或等效變換形成的方案，均落在本專利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范 圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則 本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè) 技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架，包括上位機(jī)控制器和功 能控制器，功能控制器通過光纖與上位機(jī)控制器電連接，功能控制器通過光纖與功率開關(guān) 器件電連接，其特征在于上位機(jī)控制器包括上位機(jī)和主控制器，上位機(jī)包括電連接的應(yīng)用 管理控制模塊和信號(hào)處理模塊，上位機(jī)的光纖接口與主控制器的光纖接口電連接，主控制 器包括電連接的算法與信號(hào)處理模塊和通信編解碼模塊，算法與信號(hào)處理模塊與光纖接口 電連接，通信編解碼模塊與高速光纖收發(fā)模塊電連接；功能控制器包括高速光纖收發(fā)模塊、 光纖接口、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊、反饋信號(hào)模塊、電連接的通信編解碼模塊和信號(hào)處理模塊組 成控制功能為核心的高速高密度FPGA，所述高速光纖收發(fā)模塊與通信編解碼模塊和主控制 器高速光纖收發(fā)模塊電連接，信號(hào)處理模塊的輸出端與PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的輸入端連接， 反饋信號(hào)模塊的輸出端與信號(hào)處理模塊的輸入端連接，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的輸出端、反饋信 號(hào)模塊的輸入端與光纖接口電連接，所述光纖接口與對(duì)應(yīng)的功率開關(guān)器件電連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架，其特 征在于功能控制器包括三相功能控制器，主控制器的高速光纖收發(fā)模塊通過光纖分別與A 相功能控制器、B相功能控制器和C相功能控制器的高速光纖收發(fā)模塊電連接，A相功能控 制器、B相功能控制器和C相功能控制器的光纖接口分別與對(duì)應(yīng)的功率單元器件電連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架，其特 征在于功能控制器包括多相功能控制器，主控制器的高度光纖收發(fā)模塊和各相功能控制器 的高速光纖收發(fā)模塊通過光纖相互串聯(lián)，主控制器和多相功能控制器相互配合形成環(huán)型網(wǎng) 絡(luò)，各相功能控制器的光纖接口與對(duì)應(yīng)功率模塊單元相連接。
4. 一種曼徹斯特碼編解碼方法，其特征在于所述方法包括以下步驟： a. 將待編碼數(shù)據(jù)輸入通信編碼模塊，當(dāng)待編碼數(shù)據(jù)為"1"時(shí)，將其編碼為"10"；當(dāng)待 編碼數(shù)據(jù)為"〇"時(shí)，將其編碼為"01"，利用兩倍數(shù)據(jù)頻率的發(fā)送時(shí)鐘將編碼數(shù)據(jù)逐位發(fā)送 至解碼模塊，同時(shí)為編碼數(shù)據(jù)添加3bit "111"的同步幀頭和3bit "000"的幀尾作為一幀 數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束； b. 解碼模塊在接收到有效的串行編碼碼流時(shí)，利用5倍數(shù)據(jù)頻率的高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘對(duì)編 碼碼流中各電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，同步本地計(jì)數(shù)時(shí)鐘和編碼碼流合成同步數(shù)據(jù)，當(dāng) 同步數(shù)據(jù)的電平跳變時(shí)，復(fù)位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生時(shí)鐘復(fù)位脈沖； c. 當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到當(dāng)前同步數(shù)據(jù)中高電平持續(xù)時(shí)間為3bit位寬時(shí)，認(rèn)為識(shí)別到同 步幀頭，并開始合成同步解碼時(shí)鐘； d. 復(fù)位計(jì)數(shù)器根據(jù)編碼碼流中的同步數(shù)據(jù)，利用計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)同步數(shù) 據(jù)當(dāng)前電平持續(xù)時(shí)間為lbit位寬時(shí)，保留同步數(shù)據(jù)當(dāng)前跳變沿為有效跳變沿；當(dāng)計(jì)數(shù)同步 數(shù)據(jù)當(dāng)前電平持續(xù)時(shí)間為2bit位寬時(shí)，保留同步數(shù)據(jù)當(dāng)前跳變沿為有效跳變沿； e. 當(dāng)同步數(shù)據(jù)的有效跳變沿對(duì)應(yīng)的復(fù)位脈沖產(chǎn)生下降沿的時(shí)刻，同步解碼時(shí)鐘產(chǎn)生上 升沿； f. 利用合成的同步解碼時(shí)鐘的上升沿采樣同步數(shù)據(jù)的反碼，當(dāng)同步解碼時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生 上升沿時(shí)，解碼數(shù)據(jù)輸出該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的同步數(shù)據(jù)反碼信號(hào)，并最終將解碼數(shù)據(jù)輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的曼徹斯特碼編解碼方法，其特征在于編解碼過程中數(shù)據(jù)傳輸 的位速率為FPGA處理速率的五分之一。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的基于曼徹斯特碼的電力電子變流系統(tǒng)的通信控制構(gòu)架，其 特征在于由通信編解碼模塊和信號(hào)處理模塊組成的FPGA采用曼徹斯特編解碼方法，所述 主控制器和底層各相功能控制器的FPGA之間采用基于曼徹斯特編解碼方法的高速光纖串 行通信。
【文檔編號(hào)】H04L29/08GK104158853SQ201410352927
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】孫馳, 任強(qiáng), 陳玉林, 艾勝, 胡亮燈, 陳德鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)