CN106209541B - 一种并联驱动系统的通讯方法 - Google Patents

Abstract

一种并联驱动系统的通讯方法，用于伺服驱动器多机并联的光纤通讯网络，网络包含一个主节点和N个从节点，各节点对应一台伺服驱动器，主节点和从节点的通讯网络端口及同步信号端口逐级连接，通讯传输非实时性的报文和实时性的同步信号，主节点发出总线报文逐级传输给各从节点，各从节点在总线报文中提取主节点的开关信号并插入自身的反馈报文信息，直至最后一个从节点，即网络终端节点，网络终端节点将包含各从节点反馈报文信息的网络终端报文返回给主节点。本发明方法通讯协议简单，硬件成本低，实用性高，具有精确的同步动作，通讯网络结构更简化，开关延时补偿精确，能有效用于并联驱动系统的通讯。

Description

一种并联驱动系统的通讯方法

技术领域

本发明涉及工业总线通讯技术，适用于大功率交流电机调速领域，具体为一种驱动器多机并联系统下的通讯机制的实现方法。

背景技术

目前在驱动器多机并联系统中，模块在控制功能上具有主、从之分。为了实现在一个电流环控制周期内完成主/从模块的数据交互，需要使用高速的物理层收发器和以及不同于传统总线的CSMA/CD的通讯交互方法。

中国发明专利CN1745546A《以太网信息的网络耦合器、网络及数据处理方法》提供了一种适用于以太网网络及数据的处理方法，该方法比一般以太网通讯总线报文利用率要高，但对于驱动器多机并联通讯的应用存在以下问题：节点数越多，通讯网络延时越大，主节点没有办法通过总线通讯保证并联控制的同步性；通讯的总线报文格式协议较复杂，需要专用的ASIC芯片实现，开发成本高。

中国发明专利申请CN103916187A《大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑》提出电力电子系统光纤环网拓扑通讯机制，含有同步信号通讯网络，同步信号作为控制参与并联的各个模块PWM载波的关键信号。此申请的技术方案中同步信号只是通过简单的逻辑“非”处理，没有可靠的冗余控制机制，特别是主节点链接的第一个从节点的通讯信号断线或异常时，整个网络的同步性都受到影响，各个模块系统通讯和逆变器控制器不一定能保证可靠工作。申请CN103916187A虽然提出了在通讯系统中增加故障信号网络，但这仅仅是报警通知功能，系统中的主机并不知道系统中的哪台从机发生了报警，无法有效的诊断故障，实用性低。另外申请CN103916187A提出的主节点和从节点的数据交互方式还存在总线报文利用率低的问题：本发明研究发现可以省去开关机网络，将开关控制信号通过总线命令中通过一个位来标识。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有技术对驱动器多机并联系统的通讯处理方法存在开发成本高，复杂度高，效率低的问题。

本发明的技术方案为：一种并联驱动系统的通讯方法，用于伺服驱动器多机并联的光纤通讯网络，网络包含一个主节点和N个从节点，各节点对应一台伺服驱动器，主节点和从节点的通讯网络端口及同步信号端口逐级连接，通讯传输非实时性的报文和实时性的同步信号，主节点发出总线报文逐级传输给各从节点，各从节点在总线报文中提取主节点的控制信号并插入自身的反馈报文，所述反馈报文包括电流和报警信息，报文传输直至最后一个从节点，即网络终端节点，网络终端节点将包含各从节点反馈报文信息的网络终端报文返回给主节点。

进一步的，并联驱动系统上电时，主节点和从节点的状态和数据都进行复位，复位稳定后，每个从节点进行网络终端自识别，自识别完成后主节点对通讯中的各从节点进行通讯地址分配，实现通讯网络的初始化，当网络初始化完毕，并联驱动系统进入并联工作模式时，主节点通过网络终端报文提取从节点的控制参数和反馈数据，并检查通讯错误或断线异常，当有通讯错误或异常时，主节点试图清除相应节点的错误，若无法清除，则报警显示。

网络终端自识别的方法为：主节点通讯网络端口向外发送设定的编码，设定的编码在从节点中逐级传输，从节点1～从节点N的控制器根据从节点的通讯网络端口对编码的接收情况，判断出自身的通讯数据流向；识别数据流向后，从节点1～从节点N往各自的上游通讯节点发送设定的编码，如果某从节点发现与链接下游节点的通讯网络端口接收不到任何编码，则判定自己是网络终端节点。

各从节点进行通讯地址分配通过对一个总线报文的地址帧不断累加实现，主节点发出一个带有寻址命令的报文，报文中含有一个原始值等于“0”的地址帧，每经过一个从节点，从节点将接收的报文中的地址帧的值加1，并将加1后的值设为自身的通讯地址，直至网络终端节点，此时地址帧值为N，网络终端节点将报文返回给主节点。

进一步的，主节点由网络终端节点获得一个带有寻址命令的报文，报文中地址帧值等于N，即有N个从节点参与了系统并联，主节点将驱动并联系统预先设置的并联数目与获得从节点的节点数比较，确认数目是否一致，若不一致则进行报警。

本发明传输同步信号时，同步信号由主节点发出，由从节点1逐级传递直至从节点N，每个从节点接收上一节点的同步信号，并对上一节点的同步信号变化沿进行应答，每个从节点给下一节点发送同步信号时，亦检测下一节点的应答，在同步信号的传递过程中，每个节点都检测上一节点发出同步信号周期是否为PWM的开关频率T_sw，同时也检测下一节点在收到同步信号后是否有应答，通过这样的机制，检测同步信号与应答信号的断线情况。

进一步的，当从节点m检测到从节点m-1发送同步周期小于Tsw-Tjetter，或超过Tsw+Tjetter的时间没有同步信号时，Tjetter是同步信号的抖动范围，从节点m判断从节点m-1传递的同步信号异常，1≤m≤N，此时从节点m的控制器切换为自身产生周期为T_sw的同步信号发送给后续节点，切换点选择在异常发生前一刻的同步信号相位，从节点m将同步异常通过报文反馈给主节点，主节点控制整个并联系统停止，并显示报警。

作为优选方式，本发明传输同步信号的光纤使用百兆光纤模组或千兆光纤模组，光纤模组采用LVDS电平，每经过一级光纤的物理延时控制在5ns以下。

进一步的，主节点发送同步信号的上升沿到从节点n，1≤n≤N，从节点n接收到同步信号上升沿，同步信号延时计算如下：

T_delay＝2×nT_phy+nT_logic (1)

T_delay为同步信号延时，T_phy为光纤模组物理层的收发延时，T_logic为从节点控制器的逻辑处理延时，在从节点控制器逻辑模块产生PWM波时，将同步信号延时带入到PWM比较器载波计算中，设CMPA是各个从节点共同的PWM载波值，T_sw是PWM周期，t是PWM载波计时器，t∈[0,T_sw]，从节点n根据延时T_delay计算出新的载波值CMPA’，如公式(2)和公式(3)，进行延迟补偿：

CMPA’＝CMPA-T_delay当t≤T_sw/2 (2)

CMPA’＝T_sw/2-CMPA-T_delay当T_sw/2<t≤T_sw (3)。

相比专利CN1745546A，本发明提出的通讯机制有以下优点：

1)通讯协议简单：专利CN1745546A的通讯协议是基于标准以太网数据帧格式进行改造的，其协议内容涉及工业以太网的功能，协议内容较为复杂。本发明提出的通讯报文只包含驱动器并联控制需要的数据内容，简化了通讯协议。

2)硬件成本低：为了实现专利CN1745546A中的以太网数据耦合的报文帧处理，需要专用的ASIC芯片或大型FPGA以及具有一定运算处理能力的处理器才能完成报文的数据提取和插入，整体的开发成本高。而本发明提出的通讯机制，包括报文数据处理、网络终端自识别、网络地址自动分配等功能，只需要中等逻辑的FPGA就可以实现，硬件成本更为低廉。

3)具有精确的同步动作：专利CN1745546A提出的以太网数据处理方式，是一种非实时性的通讯机制，由于网络通讯延时，不能满足通讯节点同步动作精度在100ns以内。本发明针对驱动器多机并联的控制同步控制策略，增加了独立的同步信号通讯网络，使得通讯系统中的各个节点统一按照同步信号进行动作，同步精度较高。

相比专利申请CN103916187A，本发明提出的通讯机制有以下优点：

1)通讯网络结构更简化：专利CN103916187A的通讯网络中使用了独立的光纤用于传输故障信号和开机信号，本发明将此类信号直接通过报文帧的固定位传输，降低了硬件成本，简化了网络结构。

2)同步控制可靠性高：相对于专利CN103916187A使用一个逻辑门传输同步信号，本发明使用更严格方法检测同步信号和周期和应答，并做冗余控制。从而保证SYNC信号的异常波动或断线后的1～2个通讯周期内，并联系统的各个从节点使用的内部同步信号基本是同步的，整个并联系统的SVPMW载波和电流采样不会因为同步信号的中断而发生崩溃。

3)开关延时补偿精确：专利CN103916187A没有提到针对同步信号传输延时的补偿方法，本发明通过网络地址计算同步信号延时，并将延时带入PWM波形生成计算中，最大程度的减小了因为同步信号的传输延时给并联系统控制PWM带来的延时。

综上所述，本发明方法通讯协议简单，硬件成本低，实用性高，具有精确的同步动作，通讯网络结构更简化，开关延时补偿精确，能有效用于并联驱动系统的通讯。

附图说明

图1为本发明方法总体框图。

图2为本发明方法的控制流程图。

图3为本发明方法下通讯网络数据流向识别方法。

图4为本发明方法下通讯网络终端识别方法。

图5为本发明方法下自动寻址流程图。

图6为本发明方法下同步信号的发送和应答原理。

图7为本发明方法下同步信号的冗余控制方案。

图8为本发明方法下补偿同步延时减小PWM开关延时的方法。

具体实施方式

本发明公开了适用于伺服驱动器多机并联的光纤通讯网络机制，网络包含一个主节点、多个从节点。主节点和从节点之间传输非实时性的报文和实时性的同步信号，从节点在通讯中能够提取主节点的控制信号(包含支撑电路控制信号、逆变电路PWM载波比较值等)并插入反馈报文(三相相电流、报警信号和母线电压)，报文传输直至最后一个节点返回。本发明的网络机制，不仅能实现各个并联驱动器的开关信号与电流反馈采样完全同步，还具有智能分配地址、同步控制冗余和网络终端自识别功能，比一般的光纤环网更加可靠，智能。

本发明中，通讯系统具有主节点和各个从节点1～N，如图1中的MASTER和SLAVE1～SLAVE N，每个节点为一台驱动器。主节点1.1有1组同步信号网络端口PHY4 1.2和1组通讯网络端口PHY1 1.5。从节点具有2组同步网络端口PHY3、PHY4和2组通讯网络端口PHY0、PHY1。

当多个驱动器处于并联运行时，同步网络端口传输SYNC同步信号，用于触发PWM载波起始和三相电流采样。通讯网络端口用于传输主节点和从节点的交互信息，主节点给从节点的信息包含的SVPWM载波值和其他驱动指令，从节点1～从节点N给主节点的信息包含自身三相电流反馈的采集和报警状态。所有的信息交互包含在一次通讯中完成。总线报文从主节点通讯端口PHY1发出只包含用于控制各个从节点的SVPWM占空比和驱动指令；当报文在从节点1接收后，经过从节点控制器1.3处理，发送给从节点2，此时的报文包含了主节点的控制指令和从节点1的三相电流反馈值和报警状态；报文依次经过各个从节点，并包含了各个节点的电流反馈和报警信息。当从节点N接收到从节点N-1处理后的报文，由于自身为网络末端节点，后续没有节点可以接收报文，故从节点N将处理后的报文通过控制内部的逻辑开关闭合，将报文返回主节点。返回主节点的报文经过从节点N-1～从节点1，报文经过各个从节点不做数据处理，最终主节点将接收到带有校验结果的各个从节点的电流反馈与报警状态。

本发明适用于伺服驱动器多机并联的光纤通讯网络机制，其总体的通讯控制流程如图2。上电时，主节点和从节点的状态和数据都复位，复位稳定后，每个从节点进行网络终端自识别，自识别的结果有光纤接口的link灯指示。之后，主节点通过通讯网络地址分配功能对通讯中的各个节点进行通讯地址分配，实现通讯网络的初始化。当网络初始化完毕，并联系统进入并联模式时，主节点通过通讯方式提供从节点的控制参数和反馈数据，并检查通讯错误或断线异常。当有通讯错误或异常时，主节点试图清除相应节点的错误，若无法清除，则需要报警显示。

在通讯中，只有通讯网络终端节点才能实现报文返回，本发明提出了一种方法使得网络终端节点在上电初始化时，能够自识别，具体实现方法如下：

主节点和从节点上电时，主节点通讯端口PHY1(1.5)往外发送设定的编码，即用户自行设定的编码，设定的编码以脉冲形式持续发送一定时间。从节点1通讯端口PHY0(1.8)一边接收主节点发送的设定的编码，再将接收的设定的编码通过通讯端口PHY1(1.9)向从节点2发送。

在脉冲群传递的过程中，通讯网络的光纤链接是PHY0接收上游节点，PHY1链接下游节点，则经过一段时间后，PHY0将收到可靠的设定的编码，而PHY1收到的编码个数为零。若通讯网络的某个从节点的光纤链接是PHY1接收上游节点，PHY0链接下游节点，则经过一段时间后，该从节点的PHY1将收到足够多的设定的编码，而PHY0收到的设定的编码个数为零。从节点1～从节点N的控制器1.3根据以上的接收结果，判断通讯自身的通讯网络数据流向，如图3。

识别数据流向后，从节点1～从节点N往上游通讯节点发送设定的编码，持续一定时间。如果从节点某节点发现与链接下游节点通讯的端口接收不到任何脉冲，则判定自己是网络终端，如图4。

对于多机并联的通讯系统，每个从节点都需要通讯地址。本发明设计一种驱动器多机并联总线地址自动分配方法，该方法使得每个从站的地址号通过总线协议自动获取，结构上不需要增加拨码开关，亦无需使用人机界面进行地址参数设置。在自动分配地址的过程中，主节点可以通过总线协议自动获取参与并联的有效从站个数，完成了并联系统的通讯初始化功能。

如图5所示，地址自动分配的原理是通过对一个总线报文的地址帧不断累加实现。主节点发出一个带有寻址命令的报文，报文中含有一个原始值等于“0”的地址帧。第一个接收到主节点报文的节点，检查数据中的地址帧值为0，则将地址帧加1，往下一个从节点发送，并设定自身的通讯地址为“1”，即通讯网络的从节点1号。当下一个从节点收到有效报文时，检查数据中的地址帧值为1，则将地址帧加1，此时地址帧的值为2，往下一个从节点发送，并设定自身的通讯地址为“2”，即通讯网络的从节点2号。依次传递，当传递到第N个通讯节点时，由于自身为网络终端，故此时第N通讯节点将地址帧加1，此时地址帧的值为N，并将报文返回给主节点。主节点最终获得一个带有寻址命令的报文，报文中地址帧值等于N，这意味着有N个从节点参与了系统并联。主节点根据驱动器并联系统预先设置的并联数目与获得从节点的节点数比较，确实数目是否一致，若不一致则要报警并排查原因。

在驱动器多机并联通讯系统中，同步网络端口传输SYNC同步信号，用于触发PWM载波起始和三相电流采样。若同步信号错误，则可能导致参与并联的逆变器开关信号异常，引发模块过流或电机调速异常，严重会导致并联系统不能正常工作。所以同步信号必须要有检测和防错冗余控制机制。

本发明实施一种同步信号的通讯方案，如图1，同步信号SYNC由主节点发出，从节点1接收到同步信号后向下一节点从节点2传输；同步信号逐级传递，直至从节点N。每台从节点接收上一节点的同步信号，并对上一节的同步信号变化沿进行应答(ACK)；每台从节点发送给下一节点的同步信号时，亦检测下一节点的应答(ACK)。如图5所示，同步信号的周期为PWM的开关频率T_sw，正负脉宽为50％。对同步信号的应答(ACK)脉宽为支持绝大部分光纤收发器。

在同步信号的传递过程中，每个节点都检测上一节点发出SYNC周期是否为T_sw，同时也检测下游驱动器在收到SYNC后是否有应答(ACK)。通过这样的机制，能够检测SYNC信号与ACK信号的断线。

进一步的，本发明实施一种同步信号的冗余控制方案，如图7，当从节点m检测到从节点m-1发送SYNC同步周期小于Tsw-Tjetter，Tjetter是同步信号的抖动范围，或超过Tsw+Tjetter，从节点m判断从节点m-1传递的SYNC信号异常。为了保证从节点m自身的同步信号并不会跟随异常信号产生错误的同步，而且能够维持给从节点m至从节点N的同步信号输出。此时如图7所示，从节点m将切换到自身产生周期为T_sw的SYNC信号上，切换点选择在故障发生前一刻的同步信号相位。通过从节点m的冗余控制，SYNC信号的异常波动后的1～2个T_sw时间内，并联系统的各个从节点使用的内部同步信号基本是同步的，整个并联系统的SVPMW载波和电流采样不会因为同步信号的中断而发生崩溃。在这个时间内，从节点m将同步异常通过图1报文中alm帧反馈给主节点，主节点控制整个并联系统停止，并显示报警。

在驱动器多机并联系统中，为了减小同相同桥臂的IGBT不均流，参与并联的驱动器的每一个IGBT的PWM开关信号同步性要极高，并联系统要求的各个驱动器同相桥臂IGBT开关延时在100ns以内。在相同SVPMW载波的条件下，造成PWM开关信号差异的因素主要有：PWM载波的起始(同步)信号的延时，各个从节点控制器(FPGA)内部时钟偏差，IGBT模块驱动板卡产生的门极信号的延时/抖动，以及其他逻辑电路的参数差异。其中同步信号的传输延时影响因素最大。

同步信号从主节点传递到从节点n时，由于FPGA用于处理同步信号以及光纤模组收发器自身因素，其延时分为逻辑延时和物理延时。主节点发送同步信号的上升沿到从节点n接收到同步信号上升沿，延时计算如下：

T_delay＝2×nT_phy+nT_logic (1)

T_delay为同步信号延时，T_phy为光纤模组物理层的收发延时，T_logic为从节点控制器的逻辑处理延时。

若使用低速的光纤模组传输同步信号，发送和接收信号延时大约在30ns，则同步信号每经过一个节点两个物理层时，延时60ns。当有同步信号SYNC进过5台传递后，最后从节点6收到同步信号的相对于主节点已经延迟至少300ns以上，不能满足的要求。

本发明从物理层和逻辑控制层的实现两种解决方案，具体如下：

首先，为了减小同步信号的物理层延时，同步信号的光纤使用百兆光纤模组或更高的千兆模组，模组采用LVDS或LVPECL电平，每经过一级光纤的物理延时可控制在5ns以下。进一步的，由于光纤模组物理层的收发延时和FPGA的逻辑处理延时是可控并稳定的，参考公式(1)，那么每个从节点得知自身的网络地址后，同步信号相对于主节点的延时T_delay就可以计算。在从节点FPGA逻辑模块产生PWM波时，将同步信号延时带入到PWM比较器载波计算中。如图8。设CMPA是各个从节点共同的PWM载波值，从节点n根据延时T_delay计算出新的载波值CMPA’，处理如公式(2)和(3)，进行延时补偿。

CMPA’＝CMPA-T_delay当t≤T_sw/2 (2)

CMPA’＝T_sw/2-CMPA-T_delay当T_sw/2<t≤T_sw (3)

T_sw是PWM周期，t是PWM载波计时器，t∈[0,T_sw]，经过延迟补偿的主节点和从节点n所产生的PWM开关信号几乎一致。

Claims (7)

1.一种并联驱动系统的通讯方法，其特征是用于伺服驱动器多机并联的光纤通讯网络，网络包含一个主节点和N个从节点，各节点对应一台伺服驱动器，主节点和从节点的通讯网络端口及同步信号端口逐级连接，通讯传输非实时性的报文和实时性的同步信号，主节点发出总线报文逐级传输给各从节点，各从节点在总线报文中提取主节点的控制信号并插入自身的反馈报文，所述反馈报文包括电流和报警信息，报文传输直至最后一个从节点，即网络终端节点，网络终端节点将包含各从节点反馈报文信息的网络终端报文返回给主节点；

传输同步信号时，同步信号由主节点发出，由从节点1逐级传递直至从节点N，每个从节点接收上一节点的同步信号，并对上一节点的同步信号变化沿进行应答，每个从节点给下一节点发送同步信号时，亦检测下一节点的应答，在同步信号的传递过程中，每个节点都检测上一节点发出同步信号周期是否为PWM的开关频率T_sw，同时也检测下一节点在收到同步信号后是否有应答，通过这样的机制，检测同步信号与应答信号的断线情况；当从节点m检测到从节点m-1发送同步周期小于T_sw-Tjetter，或超过T_sw+Tjetter的时间没有同步信号时，Tjetter是同步信号的抖动范围，从节点m判断从节点m-1传递的同步信号异常，1≤m≤N，此时从节点m的控制器切换为自身产生周期为T_sw的同步信号发送给后续节点，切换点选择在异常发生前一刻的同步信号相位，从节点m将同步异常通过报文反馈给主节点，主节点控制整个并联系统停止，并显示报警。

2.根据权利要求1所述的一种并联驱动系统的通讯方法，其特征是并联驱动系统上电时，主节点和从节点的状态和数据都进行复位，复位稳定后，每个从节点进行网络终端自识别，自识别完成后主节点对通讯中的各从节点进行通讯地址分配，实现通讯网络的初始化，当网络初始化完毕，并联驱动系统进入并联工作模式时，主节点通过网络终端报文提取从节点的控制参数和反馈数据，并检查通讯错误或断线异常，当有通讯错误或异常时，主节点试图清除相应节点的错误，若无法清除，则报警显示。

3.根据权利要求2所述的一种并联驱动系统的通讯方法，其特征是网络终端自识别的方法为：主节点通讯网络端口向外发送设定的编码，设定的编码在从节点中逐级传输，从节点1～从节点N的控制器根据从节点的通讯网络端口对设定的编码的接收情况，判断出自身的通讯数据流向；识别数据流向后，从节点1～从节点N往各自的上游通讯节点发送设定的编码，如果某从节点发现与链接下游节点的通讯网络端口接收不到任何信号，则判定自己是网络终端节点。

4.根据权利要求2所述的一种并联驱动系统的通讯方法，其特征是各从节点进行通讯地址分配通过对一个总线报文的地址帧不断累加实现，主节点发出一个带有寻址命令的报文，报文中含有一个原始值等于“0”的地址帧，每经过一个从节点，从节点将接收的报文中的地址帧的值加1，并将加1后的值设为自身的通讯地址，直至网络终端节点，此时地址帧值为N，网络终端节点将报文返回给主节点。

5.根据权利要求4所述的一种并联驱动系统的通讯方法，其特征是主节点由网络终端节点获得一个带有寻址命令的报文，报文中地址帧值等于N，即有N个从节点参与了系统并联，主节点将驱动并联系统预先设置的并联数目与获得从节点的节点数比较，确认数目是否一致，若不一致则进行报警。

6.根据权利要求1所述的一种并联驱动系统的通讯方法，其特征是传输同步信号的光纤使用百兆光纤模组或千兆光纤模组，光纤模组采用LVDS或者LVPECL电平，每经过一级光纤的物理延时控制在5ns以下。

7.根据权利要求6所述的一种并联驱动系统的通讯方法，其特征是主节点发送同步信号的上升沿到从节点n，1≤n≤N，从节点n接收到同步信号上升沿，同步信号延时计算如下：

T_delay＝2×nT_phy+nT_logic (1)

T_delay为同步信号延时，T_phy为光纤模组物理层的收发延时，T_logic为从节点控制器的逻辑处理延时，在从节点控制器逻辑模块产生PWM波时，将同步信号延时带入到PWM比较器载波计算中，设CMPA是各个从节点共同的PWM载波值，T_sw是PWM周期，t是PWM载波计时器，t∈[0,T_sw]，从节点n根据延时T_delay计算出新的载波值CMPA’，如公式(2)和公式(3)，进行延迟补偿：

CMPA’＝CMPA-T_delay 当t≤T_sw/2 (2)

CMPA’＝T_sw/2-CMPA-T_delay 当T_sw/2<t≤T_sw (3)。