CN101388730A - 单光纤环形通讯的功率单元及其控制方法 - Google Patents

单光纤环形通讯的功率单元及其控制方法 Download PDF

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本发明公布了一种单光纤环形通讯的功率单元及其控制方法，属电力电子功率单元及其驱动控制方法。本发明功率单元包括一个输入端光纤和一个输出端光纤，还包括光电转换器，解码器，信号选择开关，电光转换器，功率电路，编码器；本发明所述驱动控制方法采用单光纤串行通讯和环状信号链路，从主控制器发出的信号绕环状链路中各功率单元一周后又回归到主控制器，形成闭环传输。本发明简化了驱动信号传输电路，并使得系统控制电路与功率电路的信号传输冗余设计变得简易可行，降低了成本，提高了系统的可靠性。

Description

单光纤环形通讯的功率单元及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子的功率单元及其控制方法，尤其涉及一种单光纤环形通讯的功率单元及其控制方法。
背景技术
分布式控制和模块化设计是当前电力电子技术发展的重要方向，但目前控制电路与功率模块驱动之间的连接采用的仍然是传统的光耦或变压器，控制电路的驱动信号到功率模块的传输以点对点方式，有多少功率模块就需要多少路驱动信号通路，系统电路复杂，成本高，实现冗余不易，缺乏通用性，系统难以模块化和标准化。
在中高压变频器中，虽然用光纤取代光耦隔离使电路得到了良好的耐高电压工作环境性能，但控制电路发出的驱动信号与功率模块通讯仍沿用点对点的集中方式。即所有的控制算法和监控功能由主控制器完成，而所有PWM驱动信号的发出和输出电流电压等各种信号的采集，都需要设置一个独立的光纤信号通道。不管是采用直接多电平技术还是采用单元级联多电平技术的高压变频系统，其功率单元数量随电平数的增加变得非常多。如一个三电平的三相直接多电平逆变器，功率管需要12个；一个三级H桥级联的三相逆变器，所需的H桥功率单元有9个。采用控制电路的驱动信号与功率模块之间点对点方式连接，不但电路变得复杂，所需光纤通讯电路数量非常多，引起成本增加，而且可靠性也比较差，只要一路光纤通讯发生故障，将可能导致这个系统的瘫痪，因为信号传输通路出问题并不能靠功率单元撤出系统运行的方法来处理，除非系统冗余设计备有第二套光纤传输系统，但这将使光纤通讯电路的数量变得异常庞大，难以实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足提出一种单光纤环形通讯的功率单元及其控制方法。
一种单光纤环形通讯的功率单元，所述功率单元包括一个输入端光纤和一个输出端光纤，还包括光电转换器，解码器，信号选择开关，电光转换器，功率电路，编码器；其中输入端光纤与光电转换器的输入端连接，光电转换器的输出端分别与解码器的输入端、信号选择开关的一个输入端连接，解码器的输出端与功率电路的数据输入端连接，功率电路的数据输出端与编码器的输入端连接，功率电路的控制信号输出端与信号选择开关的通道选择控制端连接，编码器的输出端与信号选择开关的另一个输入端连接，信号选择开关的输出端与电光转换器的输入端连接，电光转换器的输出端与输出端光纤连接。
所述的基于单光纤环形链路串行通讯的功率单元的驱动控制方法，包括如下步骤：
a)将主控制器和N个单光纤环形通讯的功率单元串联于单路光纤上构成环状信号链路，一个单光纤环形通讯的功率单元作为一个节点，其中N代表单光纤环形通讯的功率单元个数为一个自然数，下同；
b)采用主控制器发出指令信号依次经过N个单光纤环形通讯的功率单元并返回主控制器；
c)当本节点接收到上一个节点传递来的主控制器输出的指令信号，将指令信号依次经过光电转换器、信号选择开关和电光转换器转发给下一个节点，同时将指令信号依次通过光电转换器、解码器进行解码得到驱动指令信号；
d)采用功率电路接收所述解码器解码得到的驱动指令信号，当所述驱动指令信号是对本节点的指令，则功率电路执行相应动作指令，返回步骤b；当所述指令信号不是对本节点的指令，则功率电路不动作，返回步骤b；
e)当主控制器接收到返回的指令信号，返回步骤b，进入下一个指令信号发送周期；当主控制器未接收到返回的指令信号，返回步骤b，重发指令信号；
f)当主控制器重发指令信号后，仍未接收到返回的指令信号，系统故障，退出。
所述的基于单光纤环形通讯的功率单元的数据传输控制方法，包括如下步骤：
1.)初始化单光纤环形通讯的功率单元，在所述功率单元设置本节点数据传输的固定周期，或通过将主控制器发出的指令信号依次经过光电转换器、解码器得到要求本节点发送数据的指令；
2.)检测本节点是否到达设置的数据传输周期，或接收到所述的要求本节点发送数据的指令；
3.)当到达本节点设置的数据传输周期，或接收到所述要求本节点发送数据的指令，转至步骤5；
4.)当未到达本节点数据传输时间，或没有接收到所述要求本节点发送数据的指令，则返回步骤2；
5.)当通讯环路空闲即不在主控制器的通讯周期内，采用功率电路通过控制信号输出端输出控制信号至信号选择开关的通道选择控制端，信号选择开关选择接入本节点，即编码器的输出端与信号选择开关的另一个输入端连接导通，采用功率电路将本节点需要发送的数据通过数据输出端输出至编码器，编码器将本节点数据编码后依次通过信号选择开关、电光转换器后通过输出端光纤输出；
6.)当通讯环路不空闲即在主控制器的通讯周期内，则返回步骤3；
7.)当发送完本节点数据信号，则复位信号选择开关，返回步骤2。
本发明采用单光纤环形驱动，使驱动信号的传输和现场信息的采集只通过一根光纤进行，简化了信号传输电路，降低了系统成本；环路各节点对指令信息的提取与重新转为光信号向下一节点发送同时进行，通讯速度快；系统控制电路与功率电路的信号传输冗余设计变得简易可行，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1：本发明单光纤环形链路串行通讯功率单元结构图；
图2：控制电路驱动信号与功率模块单光纤环状串行通讯连接方式；
图3：本发明驱动控制方法流程图；
图4：本发明数据传输控制方法流程图。
具体实施方法
如图1所示，一种单光纤环形通讯的功率单元，所述功率单元包括一个输入端光纤101和一个输出端光纤108，还包括光电转换器102，解码器103，信号选择开关104，电光转换器105，功率电路106，编码器107；其中输入端光纤101与光电转换器102的输入端连接，光电转换器102的输出端分别与解码器103的输入端、信号选择开关104的一个输入端连接，解码器103的输出端与功率电路106的数据输入端连接，功率电路106的数据输出端与编码器107的输入端连接，功率电路106的控制信号输出端与信号选择开关104的通道选择控制端连接，编码器107的输出端与信号选择开关104的另一个输入端连接，信号选择开关104的输出端与电光转换器105的输入端连接，电光转换器105的输出端与输出端光纤108连接。
如图3所示，所述的基于单光纤环形通讯的功率单元的驱动控制方法，包括如下步骤：
a)将主控制器201和N个单光纤环形通讯的功率单元串联于单路光纤上构成环状信号链路，一个单光纤环形通讯的功率单元作为一个节点，其中N代表单光纤环形通讯的功率单元个数为一个自然数，下同；
b)采用主控制器201发出指令信号依次经过N个单光纤环形通讯的功率单元并返回主控制器201；
c)当本节点接收到上一个节点传递来的主控制器201输出的指令信号，将指令信号依次经过光电转换器102、信号选择开关104和电光转换器105转发给下一个节点，同时将指令信号依次通过光电转换器102、解码器103进行解码得到驱动指令信号；
d)采用功率电路106接收所述解码器103解码得到的驱动指令信号，当所述驱动指令信号是对本节点的指令，则功率电路106执行相应动作指令，返回步骤b；当所述指令信号不是对本节点的指令，则功率电路106不动作，返回步骤b；
e)当主控制器201接收到返回的指令信号，返回步骤b，进入下一个指令信号发送周期；当主控制器201未接收到返回的指令信号，返回步骤b，重发指令信号；
f)当主控制器201重发指令信号后，仍未接收到返回的指令信号，系统故障，退出。
如图4所示，所述的基于单光纤环形通讯的功率单元的数据传输控制方法，包括如下步骤：
1.)初始化单光纤环形通讯的功率单元，在所述功率单元设置本节点数据传输的固定周期，或通过将主控制器201发出的指令信号依次经过光电转换器102、解码器103得到要求本节点发送数据的指令；
2.)检测本节点是否到达设置的数据传输周期，或接收到所述的要求本节点发送数据的指令；
3.)当到达本节点设置的数据传输周期，或接收到所述要求本节点发送数据的指令，转至步骤5；
4.)当未到达本节点数据传输时间，或没有接收到所述要求本节点发送数据的指令，则返回步骤2；
5.)当通讯环路空闲即不在主控制器201的通讯周期内，采用功率电路106通过控制信号输出端输出控制信号至信号选择开关104的通道选择控制端CONTROL，信号选择开关104选择接入本节点，即编码器107的输出端与信号选择开关104的另一个输入端连接导通，采用功率电路106将本节点需要发送的数据通过数据输出端输出至编码器107，编码器107将本节点数据编码后依次通过信号选择开关104、电光转换器105后通过输出端光纤108输出；
6.)当通讯环路不空闲即在主控制器201的通讯周期内，则返回步骤3；
7.)当发送完本节点数据信号，则复位信号选择开关104，返回步骤2。
如图2所示，本发明中主控制器201和诸功率单元1～N在单路光纤组成的环状信号链路中，一个功率单元作为一个节点，从主控制器发出的驱动信号依次经由第一功率单元1～第N功率单元，最后回归到主控制器201完成一个通讯周期。各节点上的功率单元在往下一节点转发信号的同时，对信号数据进行解码，若是对本节点功率单元的驱动信号，则执行相应动作指令；若不是对本节点功率单元的驱动信号，则只往下一节点直接转发信号而不执行任何动作。主控制器201在一个通讯周期的最后重新读入刚才发出的信息，以此判断本通讯周期的数据通讯是否成功，或接收从任一节点发来的信息。
每个功率单元从输入端光纤101接收来自上一节点的光信号经光电转换接收器102转换为电信号，同时分两路传送，一路通过信号选择开关104接入电光转换器105，直接将来自上一节点的信息还原为光信号通过输出端108光纤往下一节点发送；另一路接入解码器103进行信号解码，如果是对本级节点的驱动指令，则由功率电路读入执行相应动作，如果不是对本级节点的驱动指令则不动作；如果本节点功率电路106需要将电流、电压或其他信息发送给主控制器201或者另外节点，则可通过对电信号选择开关104的CONTROL端控制，将电光转换发送器的信号输入转接到编码器107，本节点功率电路106经过编码器107编码的信号由电光转换器105转为光信号从输出端光纤108向下一节点发出，主控制器201或其他节点通过本节点的解码器103进行信号解码，可判断出此信息发往的节点地址，得到与自己相关的信息数据。本节点功率电路106将电流、电压或其他信息发送给主控制器201或者另外节点的时间，可控制在系统通讯周期的空隙间，即主控制器201发出的信号绕环状链路中各节点功率单元一周后又回归到主控制器所形成的闭环传输时间之外，不影响系统总的通讯控制节拍。整个环形串行通讯系统简单可靠，由廉价的塑料光纤和光纤通讯收发一体化模块即可组成。
输入端光纤101和输出端光纤108均采用塑料光纤。
光电转换器102与电光转换器105采用AVAGO公司的光收发一体化模块AFBR-5103Z，解码器103和编码器107采用2008年3月28日申请的公开号为CN101247128A发明带同步时钟的脉宽调制式光纤通信编码/解码方法及其电路中提出的解码器和编码器，信号选择开关104采用TI公司的模拟开关TS5A23157。

Claims (2)

1.一种单光纤环形通讯的功率单元，其特征在于所述功率单元包括一个输入端光纤(101)和一个输出端光纤(108)，还包括光电转换器(102)，解码器(103)，信号选择开关(104)，电光转换器(105)，功率电路(106)，编码器(107)；其中输入端光纤(101)与光电转换器(102)的输入端连接，光电转换器(102)的输出端分别与解码器(103)的输入端、信号选择开关(104)的一个输入端连接，解码器(103)的输出端与功率电路(106)的数据输入端连接，功率电路(106)的数据输出端与编码器(107)的输入端连接，功率电路(106)的控制信号输出端与信号选择开关(104)的通道选择控制端连接，编码器(107)的输出端与信号选择开关(104)的另一个输入端连接，信号选择开关(104)的输出端与电光转换器(105)的输入端连接，电光转换器(105)的输出端与输出端光纤(108)连接。
2.一种基于权利要求1所述的单光纤环形通讯的功率单元的控制方法，其特征在于所述控制方法包括驱动控制方法和数据传输控制方法，其中驱动控制方法包括如下步骤：
a)将主控制器(201)和N个单光纤环形通讯的功率单元串联于单路光纤上构成环状信号链路，一个单光纤环形通讯的功率单元作为一个节点，其中N代表单光纤环形通讯的功率单元个数为一个自然数，下同；
b)采用主控制器(201)发出指令信号依次经过N个单光纤环形通讯的功率单元并返回主控制器(201)；
c)当本节点接收到上一个节点传递来的主控制器(201)输出的指令信号，将指令信号依次经过光电转换器(102)、信号选择开关(104)和电光转换器(105)转发给下一个节点，同时将指令信号依次通过光电转换器(102)、解码器(103)进行解码得到驱动指令信号；
d)采用功率电路(106)接收所述解码器(103)解码得到的驱动指令信号，当所述驱动指令信号是对本节点的指令，则功率电路(106)执行相应动作指令，返回步骤b；当所述指令信号不是对本节点的指令，则功率电路(106)不动作，返回步骤b；
e)当主控制器(201)接收到返回的指令信号，返回步骤b，进入下一个指令信号发送周期；当主控制器(201)未接收到返回的指令信号，返回步骤b，重发指令信号；
f)当主控制器(201)重发指令信号后，仍未接收到返回的指令信号，系统故障，退出。
所述数据传输控制方法包括如下步骤：
1.)初始化单光纤环形通讯的功率单元，在所述功率单元设置本节点数据传输的固定周期，或通过将主控制器(201)发出的指令信号依次经过光电转换器(102)、解码器(103)得到要求本节点发送数据的指令；
2.)检测本节点是否到达设置的数据传输周期，或接收到所述的要求本节点发送数据的指令；
3.)当到达本节点设置的数据传输周期，或接收到所述要求本节点发送数据的指令，转至步骤5；
4.)当未到达本节点数据传输时间，或没有接收到所述要求本节点发送数据的指令，则返回步骤2；
5.)当通讯环路空闲即不在主控制器(201)的通讯周期内，采用功率电路(106)通过控制信号输出端输出控制信号至信号选择开关(104)的通道选择控制端(CONTROL)，信号选择开关(104)选择接入本节点，即编码器(107)的输出端与信号选择开关(104)的另一个输入端连接导通，采用功率电路(106)将本节点需要发送的数据通过数据输出端输出至编码器(107)，编码器(107)将本节点数据编码后依次通过信号选择开关(104)、电光转换器(105)后通过输出端光纤(108)输出；
6.)当通讯环路不空闲即在主控制器(201)的通讯周期内，则返回步骤3；
7.)当发送完本节点数据信号，则复位信号选择开关(104)，返回步骤2。
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Patentee after: Jiangsu Shilong Motor Co., Ltd.

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Patentee before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

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