CN108134526A - 一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法。在硬件架构上采用主从式控制模式，由一个主模块与若干个子模块组成，主模块与子模块之间通过485通信的方式连接，每个子模块包含一个H桥单元，各H桥单元级联后经LC滤波电路输出，该方法具体实现为：主模块参数初始化；主模块更新子模块状态并计算当前输出电压的总误差值；主模块遍历各子模块寻求最优输出单元；所选最优输出子模块计算延时时间并输出新电平；子模块故障保护。本发明有效地提高了备整体的控制能力与计算能力，主模块通过通信交互的方式控制子模块，子模块结构一致易于拓展与替换，且该方法在H桥单元发生故障后的输出性能与系统稳定性上都要高于传统调制方法。

Description

一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法
技术领域
本发明属于变流器控制领域，具体涉及一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法。
背景技术
级联H桥变流器拓扑可等效为由多个全桥逆变电路的输出端串联组成，该结构具备输出功率容量大、开关频率低、输出谐波小以及电磁兼容性好等一系列优点，受到了越来越多的关注。传统级联H桥变流器的调制方法是由主控制芯片统一控制H桥所有桥臂，这就要求单个控制芯片具备足够的IO引脚数量与相应的计算能力，特别是当级联数目较多时，主控制芯片的选择较为困难，不利于实际工程应用。因此，为减小控制芯片计算压力，研究基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法是十分必要的。文献1.1提出了分布式换流脉宽调制方法（DCPWM），然而该调制法在处理单个H桥单元在一个采样周期内无法满足伏秒平衡情况存在的缺陷，且该文献仅提供了分布式调制思路而未介绍该方法的硬件实现的具体架构。本设计方法不仅详细阐述了其硬件架构，且在现有DCPWM调制方法的基础上加入了轮询寻优过程，以尽可能减少伏秒平衡误差为原则对该调制方法进行优化。
现有的用于级联H桥变流器的脉宽调制技术广泛采用集中式控制模式，这种控制方式使得级联H桥变流器能有效控制的桥臂数目，受限于控制芯片的计算能力、I/O引脚数目与定时器数量等因素。基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法采用主从控制模式，其优点在于对主控制器并没有严格的要求，将H桥的调制过程的计算工作分摊到每个模块的子控制器上完成，在调制过程中由多个控制芯片协同工作，提高整体设备的计算能力。同时，每个子模块结构相同，可相互替代，使得多核分布式脉宽调制方法在调制控制方面具有很强的可拓展性，且对于变流器的容错控制上也会更加灵活。
参考文献：1.1 Bifaretti S, Tarisciotti L, Watson A, et al. Distributedcommutations pulse-width modulation technique for high-power AC/DC multi-level converters[J]. Power Electronics Iet, 2012, 5(6):909-919.。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，该方法有效地提高了整体的控制能力与计算能力，主模块通过通信交互的方式控制子模块，子模块结构一致易于拓展与替换，且该方法在H桥单元发生故障后的输出性能与系统稳定性上都要高于传统调制方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，在硬件架构上采用主从式控制模式，由一个主模块与若干个子模块组成，主模块与子模块之间通过485通信的方式连接，每个子模块包含一个H桥单元，各H桥单元级联后经LC滤波电路输出，该方法具体包括如下步骤，
步骤S1、主模块参数初始化；
步骤S2、主模块更新子模块状态并计算当前输出电压的总误差值；
步骤S3、主模块遍历各子模块寻求最优输出单元；
步骤S4、所选最优输出子模块计算延时时间并输出新电平；
步骤S5、子模块故障保护。
在本发明一实施例中，每次采样周期内，只能改变一个H桥单元的开关状态且H桥单元的输出电压v t只能在相邻水平切换。
在本发明一实施例中，所述步骤S1的具体为：主模块获取包括级联H桥单元的变流器级联数N以及直流侧电容电压U d的参数。
在本发明一实施例中，所述步骤S2的具体为：主模块通过通信的方式获取上个采样周期结束后子模块新状态，并且主模块累加子模块输出电压值与电压参考值求差后得出总误差电压Δv。
在本发明一实施例中，所述主模块累加子模块输出电压值与电压参考值求差后得出总误差电压Δv的过程中，电压参考值需以H桥单元直流侧电压U d为基准进行归一化。
在本发明一实施例中，所述步骤S3的具体实现如下：
S31、依次轮询所有子模块并计算不同子模块按照新的开关状态输出后与归一化的参考电压值之间误差的绝对值Δe；
S32、由Δe值最小为原则选择最优输出子模块。
在本发明一实施例中，所述步骤S31的具体为：获取当前采样时刻第k个H桥单元的输出电压v k 与总误差电压Δv；其次，根据输入变量与输出变量的对应关系计算当前H桥单元新的输出电压v t与Δe；若误差Δe为0，则说明第k个H桥单元若按照新状态v t输出，可使该采样周期内级联H桥单元总体输出电压与归一化的参考电压一致，即满足伏秒平衡，该子模块可作为最优输出子模块；若误差Δe不为0，则进入轮询判断过程，依次计算不同子模块按照新状态输出后的误差Δe。
在本发明一实施例中，所述步骤S32的具体为：若误差Δe为0，则将当前子模块作为最优输出子模块并停止轮询过程；若依次轮询级联H桥所有子模块后均无法满足误差Δe为0，则选择使Δe最小的子模块为最优输出子模块。
在本发明一实施例中，所述步骤S4的具体为：根据步骤S32所得最优输出子模块编号并对其下发控制指令，该子模块接收动作指令后计算延时时间t，根据输入变量与输出变量的对应关系可计算子模块新的开关状态v t与延时时间t；并且，对应子模块在延时时间到达后控制H桥单元输出新的开关状态。
在本发明一实施例中，所述步骤S5的具体为：由子模块故障保护电路判断其是否发生故障，若无故障则上传当前子模块新状态；若发生故障则上传故障子模块编号，并且在下个采样周期中排除故障子模块编号；同时，由旁路电路旁路故障子模块。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明用于级联H桥变流器的多核分布式脉宽调制方法由于其能实现多核协同工作从而缓解了主控芯片的计算压力并提高设备整体输出能力与计算能力；同时，该方法在传统DCPWM调制方法的基础上加入了轮询寻优过程，以尽可能减少伏秒平衡误差为原则对该调制方法进行优化；
2、该调制方法基于主从式硬件架构，H桥单元与从控芯片组合成一个子模块单元，这使得子模块结构一致可相互替换；同时，主模块与子模块间采用通信交互的方式连接，具有模块化强且利于扩展；
3、该调制方法考虑H桥单元发生故障后的处理方法和传统调制方法相比具备更强的容错能力。
附图说明
图1为本发明的硬件架构。
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，在硬件架构上采用主从式控制模式，由一个主模块与若干个子模块组成，主模块与子模块之间通过485通信的方式连接，每个子模块包含一个H桥单元，各H桥单元级联后经LC滤波电路输出，该方法具体包括如下步骤，
步骤S1、主模块参数初始化；
步骤S2、主模块更新子模块状态并计算当前输出电压的总误差值；
步骤S3、主模块遍历各子模块寻求最优输出单元；
步骤S4、所选最优输出子模块计算延时时间并输出新电平；
步骤S5、子模块故障保护。每次采样周期内，只能改变一个H桥单元的开关状态且H桥单元的输出电压v t只能在相邻水平切换。
所述步骤S1的具体为：主模块获取包括级联H桥单元的变流器级联数N以及直流侧电容电压U d的参数。
所述步骤S2的具体为：主模块通过通信的方式获取上个采样周期结束后子模块新状态，并且主模块累加子模块输出电压值与电压参考值求差后得出总误差电压Δv。所述主模块累加子模块输出电压值与电压参考值求差后得出总误差电压Δv的过程中，电压参考值需以H桥单元直流侧电压U d为基准进行归一化。
所述步骤S3的具体实现如下：
S31、依次轮询所有子模块并计算不同子模块按照新的开关状态输出后与归一化的参考电压值之间误差的绝对值Δe；具体为：获取当前采样时刻第k个H桥单元的输出电压v k 与总误差电压Δv；其次，根据输入变量与输出变量的对应关系计算当前H桥单元新的输出电压v t与Δe；若误差Δe为0，则说明第k个H桥单元若按照新状态v t输出，可使该采样周期内级联H桥单元总体输出电压与归一化的参考电压一致，即满足伏秒平衡，该子模块可作为最优输出子模块；若误差Δe不为0，则进入轮询判断过程，依次计算不同子模块按照新状态输出后的误差Δe。
S32、由Δe值最小为原则选择最优输出子模块，具体为：若误差Δe为0，则将当前子模块作为最优输出子模块并停止轮询过程；若依次轮询级联H桥所有子模块后均无法满足误差Δe为0，则选择使Δe最小的子模块为最优输出子模块。
所述步骤S4的具体为：根据步骤S32所得最优输出子模块编号并对其下发控制指令，该子模块接收动作指令后计算延时时间t，根据输入变量与输出变量的对应关系可计算子模块新的开关状态v t与延时时间t；并且，对应子模块在延时时间到达后控制H桥单元输出新的开关状态。
所述步骤S5的具体为：由子模块故障保护电路判断其是否发生故障，若无故障则上传当前子模块新状态；若发生故障则上传故障子模块编号，并且在下个采样周期中排除故障子模块编号；同时，由旁路电路旁路故障子模块。
以下为本发明的具体实施过程。
如附图1所示，多核分布式脉宽调制方法在硬件架构上采用主从式控制模式，由一个主模块与若干个子模块组成，每个子模块包含一个H桥单元。其中，主模块与子模块之间通过485通信的方式连接，各H桥单元级联后经LC滤波电路由a，b端口输出。
如附图2所示，本设计方法主要可分为以下5个步骤：S1、主模块参数初始化；S2、主模块更新子模块状态并计算当前输出电压的总误差值；S3、主模块遍历各子模块寻求最优输出单元；S4、所选最优输出子模块计算延时时间并输出新电平；S5、子模块故障保护。同时，本设计方法遵循一个重要原则：每次采样周期内，只能改变一个H桥单元的开关状态且H桥开关组合状态v t只能在相邻水平切换，例如0→1，0→﹣1，1→0；而不允许直接从1切换至﹣1。
步骤S1具体为：主模块获取级联H桥变流器级联数N以及直流侧电容电压U d等参数。
步骤S2具体为：主模块通过通信的方式获取上个采样周期结束后子模块新状态，并且主模块累加子模块输出电压值与电压参考值求差后得出总误差电压Δv。需要注意的是，本设计方法计算中均以H桥单元直流侧电压U d为基准进行归一化，则子模块上传值为﹣1,0，+1三种状态中的一种，同时电压参考值也进行相应归一化计算。
步骤S3具体可分为以下2个步骤：S31、依次轮询所有子模块并计算不同子模块按照新的开关状态输出后与归一化的参考电压值之间误差的绝对值Δe；S32、由Δe值最小为原则选择最优输出子模块。
由附表1可知，不同输入情况下，H桥单元按新状态输出后电压误差值Δe的对应关系。表中，Δv为步骤S2所得电压总误差结果，v k 为当前选取H桥单元的开关状态，v t 为该采样周期内当前H桥单元新的开关状态，T s为一个采样周期时间。步骤S31具体为：获取当前采样时刻第k个H桥单元的v k 与Δv。其次，根据附表1输入变量与输出变量的对应关系计算计算v t与Δe。若误差Δe为0，则说明第k个H桥单元若按照新状态v t输出，可使该采样周期内级联H桥单元总体输出电压与归一化的参考电压一致（即满足伏秒平衡），该子模块可作为最优输出子模块。若误差Δe不为0，则进入轮询判断过程，依次计算不同子模块按照新状态输出后的误差Δe。步骤S32具体为：若误差Δe为0，则将当前子模块作为最优输出子模块并停止轮询过程；若依次轮询级联H桥所有子模块后均无法满足误差Δe为0，则选择使Δe最小的子模块为最优输出子模块。
表1
所述步骤S4具体为：主模块根据步骤S32所得最优输出子模块编号并对其下发控制指令，该子模块接收动作指令后计算延时时间t，根据附表2输入变量与输出变量的对应关系可计算子模块新的开关状态v t与延时时间t。并且，对应子模块在延时时间到达后控制H桥单元输出新的开关状态。
表2
所述步骤S5具体为：由子模块故障保护电路判断其是否发生故障，若无故障则上传当前子模块新状态；若发生故障则上传故障子模块编号，并且在下个采样周期中排除故障子模块编号。同时，由旁路电路旁路故障子模块。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：在硬件架构上采用主从式控制模式，由一个主模块与若干个子模块组成，主模块与子模块之间通过485通信的方式连接，每个子模块包含一个H桥单元，各H桥单元级联后经LC滤波电路输出，该方法具体包括如下步骤，
步骤S1、主模块参数初始化；
步骤S2、主模块更新子模块状态并计算当前输出电压的总误差值；
步骤S3、主模块遍历各子模块寻求最优输出单元；
步骤S4、所选最优输出子模块计算延时时间并输出新电平；
步骤S5、子模块故障保护。
2.根据权利要求1所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：每次采样周期内，只能改变一个H桥单元的开关状态且H桥单元的输出电压v t只能在相邻水平切换。
3.根据权利要求2所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤S1的具体为：主模块获取包括级联H桥单元的变流器级联数N以及直流侧电容电压U d的参数。
4.根据权利要求3所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤S2的具体为：主模块通过通信的方式获取上个采样周期结束后子模块新状态，并且主模块累加子模块输出电压值与电压参考值求差后得出总误差电压Δv。
5.根据权利要求4所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述主模块累加子模块输出电压值与电压参考值求差后得出总误差电压Δv的过程中，电压参考值需以H桥单元直流侧电压U d为基准进行归一化。
6.根据权利要求5所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤S3的具体实现如下：
S31、依次轮询所有子模块并计算不同子模块按照新的开关状态输出后与归一化的参考电压值之间误差的绝对值Δe；
S32、由Δe值最小为原则选择最优输出子模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤S31的具体为：获取当前采样时刻第k个H桥单元的输出电压v k 与总误差电压Δv；其次，根据输入变量与输出变量的对应关系计算当前H桥单元新的输出电压v t与Δe；若误差Δe为0，则说明第k个H桥单元若按照新状态v t输出，可使该采样周期内级联H桥单元总体输出电压与归一化的参考电压一致，即满足伏秒平衡，该子模块可作为最优输出子模块；若误差Δe不为0，则进入轮询判断过程，依次计算不同子模块按照新状态输出后的误差Δe。
8.根据权利要求6所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤S32的具体为：若误差Δe为0，则将当前子模块作为最优输出子模块并停止轮询过程；若依次轮询级联H桥所有子模块后均无法满足误差Δe为0，则选择使Δe最小的子模块为最优输出子模块。
9.根据权利要求6所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤S4的具体为：根据步骤S32所得最优输出子模块编号并对其下发控制指令，该子模块接收动作指令后计算延时时间t，根据输入变量与输出变量的对应关系可计算子模块新的开关状态v t与延时时间t；并且，对应子模块在延时时间到达后控制H桥单元输出新的开关状态。
10.根据权利要求1所述的一种基于多核协同工作的分布式脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤S5的具体为：由子模块故障保护电路判断其是否发生故障，若无故障则上传当前子模块新状态；若发生故障则上传故障子模块编号，并且在下个采样周期中排除故障子模块编号；同时，由旁路电路旁路故障子模块。
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