CN107493119B - 一种基于vppm利用电源纹波的直流母线载波通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，主要包括数据发送端、直流母线载波和数据接收端三部分。数据发送端把数据通过VPPM调制方式经功率变换电路加载到直流母线，数据接收端对接收到的纹波信号进行调理和解调后得到相应数据。本发明相对于传统的电力线载波通信方式不需要专用的调制和解调线路，从而线路结构简单可靠，成本低。

Description

一种基于VPPM利用电源纹波的直流母线载波通信系统
技术领域
本发明涉及电力线载波通信领域，尤其涉及一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统。
背景技术
电力线载波通信是利用电力线路作为传输通道的载波通信，是电力系统一种特有的通信方式。随着电力电子技术的不断发展，直流电力线载波通信技术也不断进步。如申请号为201420109910.9的实用新型公开了一种直流电力线电流载波通信系统，包括经直流电力线连接的客户端负载和开关电源，所述客户端负载通信连接有信号发送模块，该信号发送模块包括调制器和第一磁性器件；所述开关电源通信连接有信号接收模块，该信号接收模块包括解调器和第二磁性器件。该实用新型提出的方式需要通过磁性器件将传输信号耦合到直流电力线上完成通信。
电力电子在工作过程中，不可避免地在电源输入端产生高频纹波，如果对该纹波进行数字调制，即可实现PLC（PowerLineCommunication，PLC）通信。如由吴建德等人编著的一篇基于开关纹波调制的电源线通信技术的小论文中便利用这种思想提出了基于开关纹波调制实现数据通信的基本原理，以及在不影响功率变换器工作情况下实现开关纹波调制的方法。论文分析利用了电力电子开关电路的开关纹波实现PLC通信，针对公共母线供电的Boost电路，以变流器输入端的电压纹波为通信载波，通过对开关电路的功率/信号复合调制，在保持原有功率变换功能的基础上，实现电源线载波通信功能。其应用开关纹波信号调制的基本思想是：在调节占空比控制输出功率的同时，通过对开关载波的调制实现数据通信。理论上，只要电力电子开关工作，在输入端产生的开关纹波都可以作为通信载波。但是，该论文提出的方法利用的是电源输入端产生的纹波信号，需要合适的主电路拓扑结构，尽量保证载波信号的幅度稳定，而电力电子电路的纹波信号幅度无法调节，且受到输入电压和输出负载变化的影响，因此，并非所有的电路拓扑都可以利用这种方式进行数据通信，比如Buck线路，由于其输入端电流断续，且纹波幅度受负载电流的影响很大，因此，在输入端产生的电压纹波幅值将随负载的改变而大范围变化，就不适合这种通信方式。
VPPM已广泛应用于可见光通信领域，具有数据传输和亮度调节的双重功能。通过调节脉冲宽度，可以实现任意的亮度水平，通过改变脉冲系列中每一个脉冲产生的位置，不改变其形状和幅值，可以实现数据传输的功能。
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，在有效调节输出电压或电流的情况下，同时进行数据传输。本发明应用VPPM信号驱动变换器电路的开关管从而控制电源输出端的纹波信号使其携带数据信息，纹波信号经过直流电力线载波传送到接收端，不需要传统电力线载波通信技术中独立的信号调制解调电路，而且对电源输入端的主电路拓扑结构没有限制。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中存在的问题，提出了一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，相对于传统的电力线载波通信技术，本发明通过VPPM信号驱动开关管从而控制电源变换器电路输出的纹波信号进行数据传输，省去了传统通信方式中还需要设置独立的信号调制电路的麻烦。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，主要包括数据发送端、直流母线载波和数据接收端三部分，其特征在于：所述的数据发送端包括数据输入、VPPM调制驱动和变换器电路；所述的数据接收端包括对接收到的直流母线上的载波信号进行解调的解调模块和数据接收两部分；所述的解调模块包括电压提取电路和纹波调节器两部分；所述的数据传输过程为：在电路没有进行数据传输时，数据接收端解调后的高低电平信号总是为高电平信号，当电路进行数据传输时，首先需要传输的数据信息经VPPM调制后驱动变换器电路的开关管，从而控制变换器电路输出端的纹波信号使其携带需要传输的数据，然后纹波信号经直流母线载波传输到数据接收端，最后数据接收端的解调模块对接收到的纹波信号进行解调后经过相应的转换即可完成通信；所述的数据传输过程中，解调信号出现的第一个低电平信号即为数据传输开始的标志信号。
所述的变换器电路除了图1中所示的Buck电路、图2中所示的Boost电路和图3中所示的Cuk电路之外，Sepic电路和Zeta电路等电路拓扑均可实现本发明中数据传输的目的。
所述的数据接收端的解调过程即通过解调模块把接收到的纹波信号转换为携带数据信息的高低电平信号。
所述的数据接收端的电压提取电路包括两种不同的工作方式，方式一为提取输出端纹波信号中的谐波分量，具体方式为直流母线上的载波信号首先经过隔直电容电路滤掉直流量后，通过电压比较器与接近零电平的低电平信号Vref相比较，将纹波信号转换为高低电平信号；方式二为提取输出端纹波信号中的直流分量，具体方式为直流母线上的载波信号首先经过滤波电路然后经过电阻分压后作为电压比较器的Vref输入端电压，与输出端的纹波信号电压相比较，将纹波信号转换为高低电平信号。
所述的纹波调节器由不同结构的电压比较器构成包括：图4所示的纹波调节器的工作过程为：当纹波信号高于信号Vref时，比较器输出为高电平，当纹波信号低于信号Vref时，比较器输出为低电平；滞回比较器的工作过程为：图7所示为滞回比较器的工作波形图，当电路没有进行数据传输期间，其输出为高电平，当电路进行数据传输时，第一个出现的低电平信号即为数据开始传输的标志信号，其后的波形段均为数据传输的工作时间段，其中，滞回比较器有两个阈值UTH1和UTH2，在电压增大的过程中一旦数值超过UTH1则输出由低电平变为高电平，在电压减小的过程中一旦数值低于UTH2则输出由高电平变为低电平。
图4-图5为不同方式的接收端示意图，图4为方式一的接收端示意图，其中方式一为提取输出端的纹波信号16中的谐波分量，具体方式为直流母线上的载波信号首先经过隔直电容电路211滤掉直流量后，通过电压比较器与接近零电平的低电平信号Vref相比较，将纹波信号转换为高低电平信号；图5为方式二的接收端示意图，其中方式二为提取输出端的纹波信号中的直流分量，具体方式为直流母线上的载波信号首先经过滤波电路221然后经过电阻分压后作为电压比较器的Vref输入端电压，与输出端的纹波信号电压比较，将纹波信号转换为高低电平信号。
附图说明
图1-图7为本发明提出的一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统示意图；
图1为基于Buck线路的系统示意图；
图2为基于Boost线路的系统示意图；
图3为基于Cuk线路的系统示意图；
图4为接收端方式一示意图；
图5为接收端方式二示意图；
图6为接收端比较器的波形图；
图7为接收端滞回比较器的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述：
图1为本发明提出的一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统的示意图，主要包括数据发送端11、直流母线载波12和数据接收端13三部分。所述的数据发送端11包括数据输入、VPPM调制驱动和变换器电路；所述的数据接收端13包括对接收到的直流母线上的载波信号进行解调的解调模块15和数据接收两部分；所述的解调模块15由电压提取电路和纹波调节器构成；所述的数据传输过程为：在电路没有数据输入时的工作期间内，数据接收端解调后的高低电平信号总是为高电平信号1，当电路进行数据传输2时，首先需要传输的数据信息经VPPM调制后驱动变换器电路的开关管，从而控制变换器电路输出端的纹波信号16使其携带需要传输的数据，然后纹波信号16经直流母线12载波传输到数据接收端13，最后数据接收端13的解调模块15对接收到的纹波信号16进行解调后并经过相应的转换即可接收数据完成通信；所述的数据传输过程中，解调信号出现的第一个低电平信号3即为数据传输开始的标志信号。
图4-图5为不同方式的接收端示意图，图4为方式一的接收端示意图，其中方式一为提取输出端的纹波信号16中的谐波分量，具体方式为直流母线上的载波信号首先经过隔直电容电路211滤掉直流量后，通过电压比较器与接近零电平的低电平信号Vref相比较，将纹波信号转换为高低电平信号；图5为方式二的接收端示意图，其中方式二为提取输出端的纹波信号中的直流分量，具体方式为直流母线上的载波信号首先经过滤波电路221然后经过电阻分压后作为电压比较器的Vref输入端电压，与输出端的纹波信号电压比较，将纹波信号转换为高低电平信号。
图6所示的纹波调节器212的工作原理为：当纹波信号高于信号Vref时，比较器输出为高电平，当纹波信号低于信号Vref时，比较器输出为低电平，如图6所示为该纹波调节器工作状态下各信号的波形图；滞回比较器213的工作原理为：图7所示为滞回比较器的工作波形图，当电路没有进行数据传输期间，其输出为高电平，当电路进行数据传输时，第一个出现的低电平信号即为数据开始传输的标志信号，其后的波形段均为进行数据传输的工作时间段，其中，滞回比较器有两个阈值UTH1和UTH2，在电压增大的过程中一旦数值超过UTH1则输出由低电平变为高电平，在电压减小的过程中一旦数据低于UTH2则输出由高电平变为低电平。
综上所述，本发明提出的一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，利用改变其脉冲位置可以传输数据的VPPM信号驱动变换器电路的开关管，从而控制电源输出端的纹波信号来进行电力线载波通信，该发明系统易于实现，对电源主电路拓扑结构没有要求限制，而且相对现有电力线载波通信技术省去了设置独立的信号调制线路的麻烦。

Claims (5)

1.一种基于VPPM(Variable Pulse Position Modulation,VPPM )利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，主要包括数据发送端（11）、直流母线（12）和数据接收端（13）三部分，其特征在于：
所述的数据发送端（11）包括数据输入模块、VPPM调制驱动模块和变换器电路；所述的数据接收端（13）包括对接收到的直流母线上的纹波信号进行解调的解调模块（15）和数据接收模块两部分；
所述的解调模块（15）包括电压提取电路和纹波调节器两部分；电压提取电路的输入端连接直流母线，输出端连接纹波调节器的第一输入端，纹波调节器的第二输入端连接直流母线；
电压提取电路用于提取数据接收端（13）接收的纹波信号的谐波分量或直流分量，纹波调节器将纹波信号的谐波分量或直流分量转换为高电平信号或低电平信号；
所述的数据传输的过程为：
当系统没有进行数据传输时，数据接收端（13）解调后的电平信号总是为高电平信号；
当系统进行数据传输时，
首先，需要传输的数据信息经VPPM调制后驱动变换器电路的开关管，从而控制变换器电路输出端输出的纹波信号（16）携带需要传输的数据信息；
然后，纹波信号（16）经直流母线（12）传输到数据接收端（13）；
最后，数据接收端（13）的解调模块（15）对接收到的纹波信号进行解调后经过相应的转换即可完成通信；
所述的数据传输过程中，解调信号出现的第一个低电平信号即为数据传输开始的标志信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，其特征在于：所述的变换器电路为Buck电路（14）、Boost电路（24）、Cuk电路（34）、Sepic电路或Zeta电路中的任一种电路拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，其特征在于：所述的数据接收端（13）的解调模块（15）把接收到的纹波信号（16）转换为携带数据信息的高电平信号或低电平信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，其特征在于：
所述的数据接收端（13）的电压提取电路包括两种不同的工作方式，
方式一采用隔直电容电路（211），提取数据接收端（13）接收的纹波信号（16）中的谐波分量；
方式二采用滤波电路（221）和电阻分压电路，提取数据接收端（13）接收的纹波信号中的直流分量。
5.根据权利要求4所述的一种基于VPPM利用电源纹波进行数据传输的直流母线载波通信系统，其特征在于：所述的数据接收端（13）的解调模块（15）中的纹波调节器为电压比较器（212）或滞回比较器（213）；
电压比较器（212）的工作过程为：
当纹波信号高于信号Vref时，电压比较器的输出为高电平信号，当纹波信号低于信号Vref时，电压比较器的输出为低电平信号；
滞回比较器（213）的工作过程为：
当系统没有进行数据传输期间，滞回比较器（213）的输出为高电平信号；
当系统进行数据传输时，滞回比较器（213）有两个阈值UTH1和UTH2，滞回比较器的第二输入端的输入电压增大的过程中一旦数值超过UTH1则输出由低电平信号变为高电平信号，滞回比较器的第二输入端的输入电压减小的过程中一旦数值低于UTH2则输出由高电平信号变为低电平信号。
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