CN108829002B - 一种基于can总线协议的mmc控制系统状态机的控制方法 - Google Patents

一种基于can总线协议的mmc控制系统状态机的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于CAN总线协议的MMC控制系统状态机，包括主控制系统中植入的主控状态机和每个子模块的控制系统中植入的子模块状态机，根据MMC主电路的运行状态，主控状态机包含多种工作状态，根据子模块的运行状态，子模块状态机也包含多种工作状态。此种技术方案可在减小MMC对控制系统软硬件资源需求的同时，帮助用户在复杂的应用场景下更加快捷地拓展系统的附加功能，从而进一步提升MMC的性能，具有低廉、高效和稳定等特点。本发明还公开一种基于CAN总线协议的MMC控制系统状态机的控制方法。

Description

一种基于CAN总线协议的MMC控制系统状态机的控制方法
技术领域
本发明涉及电源系统，特别涉及用于模块化多电平变换器之类的多模块电源系统。
背景技术
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)，用于在高压柔性直流输电、有源滤波器、无功补偿器、电机驱动等领域。MMC和传统单一拓扑结构的电源不同，是一个复杂的多模块电源系统，由大量子模块及其控制系统、主控制系统、断路器、电缆和电感等装置链接构成。其中，主控制系统和子模块控制系统间的交互技术，是MMC得以稳定运行的关键。目前，大部分MMC通常采用基于以太网的多级交互方式来实现主控制系统和子模块控制系统的交互。然而，这种交互技术结构复杂、成本高昂，在一些中低成本的应用场合中并不适用。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于CAN总线协议的MMC控制系统状态机及其控制方法，这一状态机利用CAN总线协议对MMC系统的多个子模块和主控制器进行统筹控制，使分散的子模块主电路、子模块控制板以及主控制板链接成完整并能稳定运行的电源系统；本发明可在减小MMC对控制系统软硬件资源需求的同时，帮助用户在复杂的应用场景下更加快捷地拓展系统的附加功能，从而进一步提升MMC的性能，具有低廉、高效和稳定等特点。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于CAN总线协议的MMC控制系统状态机，包括主控制系统中植入的主控状态机和每个子模块的控制系统中植入的子模块状态机，其中，主控状态机和子模块状态机均包含多种工作状态；
主控状态机的状态切换由以下因素决定：上位机的指令数据帧、子模块数据帧、外部开关产生的电平信号、MMC主电路中的物理量测量结果；
子模块状态机的状态切换由主控制系统决定，其过程为：主控制系统将子模块状态切换指令编码，置入主控数据帧中并向子模块状态机发送，子模块状态机接收到主控数据帧后解码以提取子模块状态切换指令、切换子模块运行状态。
一种基于CAN总线协议的MMC控制系统状态机的控制方法，包括如下步骤：
步骤1，主控状态机被触发后，对MMC的运行状态进行检测，符合预设条件后，切换运行状态，并向子模块状态机发送主控数据帧；
步骤2，子模块状态机根据数据帧中解析得到的状态指令，切换其工作状态；然后把子模块运行信息编入子模块数据帧中，并向主控状态机发送；
步骤3，主控状态机在接收到子模块数据帧后，根据需要解码并处理相关数据，以实时调节MMC的运行状态。
基于以上，本发明的一个方面，在于提供一种基于CAN总线协议的MMC 系统状态机。跟CAN总线协议中邮箱配置的不同，系统中存在2种状态机。在主控制系统植入主控制系统状态机(主控状态机)，在每个子模块的控制系统中植入子模块控制系统状态机(子模块状态机)。用户可以通过外部电路，直接向主控制系统发出状态切换指令，也可通过上位机向主控状态机发送指令数据帧。主控状态机在接收到状态切换指令或者指令数据帧后，首先对MMC的运行状态进行检测，符合预设条件后，再切换运行状态，并向子模块状态机发送主控数据帧。子模块状态机根据数据帧中解析得到的状态指令，切换其工作状态；然后把电容电压等子模块运行信息编入子模块数据帧中，并向主控状态机发送。主控状态机在接收到子模块数据帧后，根据需要解码并处理相关数据，以实时调节MMC 的运行状态。
本发明的另一个方面，在于在控制系统中提供了3种符合CAN总线协议规范的数据帧及其构成方法。该方法分别在主控制系统和子模块控制系统置入一套编码和解码算法。编码算法将MMC系统中主电路和子模块的工作状态、传感器检测的物理量、物理量对应的保护阈值以及充放电所需要的低频开关驱动信号，分别拼接为主控数据帧和子模块数据帧。解码算法则将数据帧反向编译为主控制系统和子模块系统需要的相关数据。上位机可由用户通过其可视化图形界面自由定义指令数据帧，并同步接收、解析主控数据帧和子模块数据帧，通过图形界面显示其中提取的数据，直观反应MMC的运行状态。
本发明的另一个方面，在于在CAN通讯中定义了三种功能节点：主控制系统节点、子模块控制系统节点以及上位机节点。其中主控制系统节点配置了主控发送邮箱，用于发送主控数据帧；和子模块接收邮箱，用于接收子模块数据帧；和指令接收邮箱，用于接收指令数据帧。子模块控制系统节点配置了主控接收邮箱，用于接收主控数据帧；和子模块发送邮箱，用于发送子模块数据帧。上位机节点配置了指令发送邮箱，用于向主控制系统发送指令数据帧；和主控接收邮箱，用于接收主控数据帧。
采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：
(1)在本发明中，主控制器和子模块间的交互基于CAN总线协议，成本相比一般方案更低，适用于子模块数较少的应用场合；
(2)在本发明中，主控状态机和子模块状态机间以特定的频率，通过发送- 接收-发送的行为，将MMC各个组成部分连为有机整体；
(3)在本发明中，在主控制系统中配置多个子模块接收邮箱，使系统精确地识别各个子模块的特征数据，为系统对子模块的电容电压检测及排序、故障定位以及故障恢复提供高效的数据支持。
附图说明
图1是本发明的结构框架及交互关系示意图；
图2是本发明所涉及的三种功能节点：主控制系统节点、子模块控制系统节点和上位机节点的邮箱配置方法；
图3是本发明所涉及的三种数据帧：主控数据帧、子模块数据帧以及指令数据帧及其编码方法。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种基于CAN总线协议的模块化多电平变换器(Modular MultilevelConverter,MMC)控制系统状态机，包括：
A.主控制系统中植入的主控制系统状态机(主控状态机)，每个子模块的控制系统中植入的子模块控制系统状态机(子模块状态机)；
B.根据MMC主电路的运行状态，主控状态机包含多种工作状态，根据子模块的运行状态，子模块状态机也包含多种工作状态；
C.主控状态机的状态切换由以下因素决定：上位机的指令数据帧、子模块数据帧、外部开关产生的电平信号、MMC主电路中的物理量测量结果；
D.子模块状态机的状态切换由主控制系统决定，其过程为：主控制系统将子模块状态切换指令编码，置入主控数据帧中并向子模块状态机发送，子模块状态机接收到主控数据帧后解码以提取子模块状态切换指令、切换子模块运行状态。
将MMC控制系统，根据CAN总线协议中邮箱配置的不同，划分为1个主控制系统，1个上位机系统以及多个子模块控制系统。
在控制系统中定义了3种符合CAN总线协议规范的数据帧：主控数据帧，由主控制系统向上位机系统和子模块控制系统发送；子模块控制数据帧，由子模块控制系统向上位机系统和主控制系统发送；指令数据帧，由上位机向主控制系统和子模块控制系统发送。
其中，主控制系统对MMC中主电路工作状态、子模块工作状态指令、传感器检测的物理量、各个子模块所需的低频开关驱动信号编码，按照主控状态机的多种工作状态，构成主控数据帧；子模块控制系统对子模块中子模块的工作状态、传感器检测的子模块电容电压幅值、子模块开关管故障状态编码，按照子模块状态机的多种工作状态，构成子模块数据帧；上位机对系统中各物理量的保护阈值、子模块电容电压充电阈值编码，构成指令数据帧。
图1是主控状态机和子模块状态机。MMC主控制系统处于待机0状态时，启动开关被触发(触发信号可来自硬件电路或指令数据帧)，系统进行自检，确认符合运行条件后进入待机1状态；同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块进入待机0状态。当运行条件符合电容电压充电要求时，充电开关被触发，系统进入充电状态；充电完成后系统进入待机2状态；同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块进入充电状态。当运行条件符合MMC投运条件时，系统进入待机3状态；同时向子模块控制系统发送数据帧，使子模块进入待机1状态。触发运行开关，系统进入正常运行状态；同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块进入运行状态；断开运行开关，系统重新回到待机3状态；同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块重新回到待机1状态。此时，若断开充电开关，则系统进入放电状态；同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块也进入放电状态。放电完成后系统进入待机4状态；同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块重新回到待机0状态。当MMC运行条件还原至起始状态时，系统重新进入待机0状态。此时可对主控制系统和子模块控制系统重复刚才的操作。
图2是三种功能节点的邮箱配置方法。主控制系统节点，使用(N+2)个邮箱用于发送和接收数据，其中N为子模块数目：地址为ID1的邮箱作为主控制数据帧发送邮箱，用于向子模块控制系统以及上位机发送主控数据帧；地址为ID2 的邮箱作为指令数据帧接收邮箱，用于接收上位机的指令数据帧；地址为ID3 至ID(N+2)的邮箱作为主控制系统子模块数据帧接收邮箱，用于接收子模块控制系统发出的数据帧。上位机节点，使用2个邮箱用于发送和接收数据：地址为ID1 的邮箱作为主控制数据帧接收邮箱，用于接收主控制系统发送的主控数据帧；地址为ID2的邮箱作为指令数据帧发送邮箱，用于向主控制系统发送指令数据帧。子模块控制节点，配置于子模块中，使用2个邮箱用于发送和接收数据：地址为 IDi(i取值为3到(N+1))的邮箱作为子模块数据帧发送邮箱，用于向主控制系统发送子模块数据帧；地址为ID1的邮箱作为子模块控制系统主控数据帧接收邮箱，用于接收主控制系统发出的主控数据帧。
图3是主控制系统、子模块控制系统以及上位机发送的3种数据帧结构。数据帧为典型的CAN总线帧，由7个位场组成，分别是帧起始，仲裁场，控制场，数据场，CRC场，应答场和帧结尾，其中仲裁场和数据场是最重要的两个位场。仲裁场中包含了11位ID，即邮箱地址，本发明共配置了(N+2)个不同的ID。数据场至多可以载入MDH和MDL总共8字节数据，其编码规律有3种。主控数据帧数据场编码规律：根据主控状态机运行状态不同有所调整。在待机0或待机 1的状态下，数据场包含了主控制系统和子模块控制系统状态、子模块预充电电容电压阈值、交流侧电流保护阈值、子模块电容电压保护阈值、上下桥臂电流保护阈值、交流侧电压保护阈值、直流侧电压保护阈值。在待机2、待机3以及升压的状态下，数据场包含了主控制系统和子模块控制系统状态、上下桥臂电流采样值、交流侧电压采样值和直流侧电压采样值。在充放电状态下，数据场包含了主控制系统和子模块控制系统状态、子模块充放电时的功率管驱动、上下桥臂电流采样值、交流侧电压采样值和直流侧电压采样值。在正常运行状态下，数据场包含了主控制系统和子模块控制系统状态、上下桥臂电流采样值、交流侧电压采样值和直流侧电压采样值。子模块数据帧数据场编码规律：和子模块状态机状态无关，包含子模块控制器状态以及子模块电容电压。指令数据帧数据场编码规律：包含子模块预充电电容电压阈值、交流侧电流保护阈值、子模块电容电压保护阈值、上下桥臂电流保护阈值、交流侧电压保护阈值、直流侧电压保护阈值、控制系统闭环参数等。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于CAN总线协议的MMC控制系统状态机的控制方法，所述MMC控制系统状态机包括主控制系统中植入的主控状态机和每个子模块的控制系统中植入的子模块状态机，其中，主控状态机和子模块状态机均包含多种工作状态；
主控状态机的状态切换由以下因素决定：上位机的指令数据帧、子模块数据帧、外部开关产生的电平信号、MMC主电路中的物理量测量结果；
子模块状态机的状态切换由主控制系统决定，其过程为：主控制系统将子模块状态切换指令编码，置入主控数据帧中并向子模块状态机发送，子模块状态机接收到主控数据帧后解码以提取子模块状态切换指令、切换子模块运行状态；
所述MMC控制系统根据CAN总线协议中邮箱配置的不同，划分为1个主控制系统，1个上位机系统以及多个子模块控制系统，
其特征在于包括如下步骤：
步骤1，主控状态机被触发后，对MMC的运行状态进行检测，符合预设条件后，切换运行状态，并向子模块状态机发送主控数据帧；
步骤2，子模块状态机根据数据帧中解析得到的状态指令，切换其工作状态；然后把子模块运行信息编入子模块数据帧中，并向主控状态机发送；
步骤3，主控状态机在接收到子模块数据帧后，根据需要解码并处理相关数据，以实时调节MMC的运行状态。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤1中，主控状态机的触发方法是：通过外部电路，直接向主控制系统发出状态切换指令；或者通过上位机向主控状态机发送指令数据帧。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤1中，初始，MMC主控制系统处于待机0状态，被触发后，符合预设条件后，进入待机1状态，同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块进入待机0状态；当运行条件符合电容电压充电要求时，系统进入充电状态；充电完成后系统进入待机2状态，同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块进入充电状态；当运行条件符合MMC投运条件时，系统进入待机3状态，同时向子模块控制系统发送数据帧，使子模块进入待机1状态；触发运行开关，系统进入正常运行状态，同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块进入运行状态；断开运行开关，系统重新回到待机3状态，同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块重新回到待机1状态；此时，若断开充电开关，则系统进入放电状态，同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块也进入放电状态；放电完成后系统进入待机4状态，同时向子模块控制系统发送子模块数据帧，使子模块重新回到待机0状态。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：定义3种符合CAN总线协议规范的数据帧：
主控数据帧，由主控制系统向上位机系统和子模块控制系统发送；主控制系统对MMC中主电路工作状态、子模块工作状态指令、传感器检测的物理量、各个子模块所需的低频开关驱动信号编码，按照主控状态机的多种工作状态，构成主控数据帧；
子模块数据帧，由子模块控制系统向上位机系统和主控制系统发送；子模块控制系统对子模块中子模块的工作状态、传感器检测的子模块电容电压幅值、子模块开关管故障状态编码，按照子模块状态机的多种工作状态，构成子模块数据帧；
指令数据帧，由上位机向主控制系统和子模块控制系统发送；上位机对系统中各物理量的保护阈值、子模块电容电压充电阈值编码，构成指令数据帧。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在CAN通讯中定义三种功能节点：主控制系统节点、子模块控制系统节点以及上位机节点，其中，主控制系统节点配置了用于发送主控数据帧的主控发送邮箱、用于接收子模块数据帧的子模块接收邮箱和用于接收指令数据帧的指令接收邮箱；子模块控制系统节点配置了用于接收主控数据帧的主控接收邮箱和用于发送子模块数据帧的子模块发送邮箱；上位机节点配置了用于向主控制系统发送指令数据帧的指令发送邮箱和用于接收主控数据帧的主控接收邮箱。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述主控制系统节点使用N+2个邮箱用于发送和接收数据，其中N为子模块数目：地址为ID1的邮箱作为主控制数据帧发送邮箱，用于向子模块控制系统以及上位机发送主控数据帧；地址为ID2的邮箱作为指令数据帧接收邮箱，用于接收上位机的指令数据帧；地址为ID3至ID(N+2)的邮箱作为主控制系统子模块数据帧接收邮箱，用于接收子模块控制系统发出的数据帧。
7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述上位机节点使用2个邮箱用于发送和接收数据：地址为ID1的邮箱作为主控制数据帧接收邮箱，用于接收主控制系统发送的主控数据帧；地址为ID2的邮箱作为指令数据帧发送邮箱，用于向主控制系统发送指令数据帧。
8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述子模块控制节点配置于子模块中，使用2个邮箱用于发送和接收数据：地址为IDi的邮箱作为子模块数据帧发送邮箱，用于向主控制系统发送子模块数据帧，i取值为3到N+1；地址为ID1的邮箱作为子模块控制系统主控数据帧接收邮箱，用于接收主控制系统发出的主控数据帧。
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