CN110417240B - 一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,包括通信模块、采样模块、FPGA芯片和控制输出模块,通信模块的下端采用16位异步并行的PDI接口与FPGA芯片实现数据交互;通信模块的上端通过工业网线与PLC上位机实现数据交互;FPGA芯片上配置有RISC软核和低通数字滤波器;FPGA芯片外接有存储芯片和串口芯片,存储芯片中存储的通信中的过程数据和RISC软核运行的缓存数据;采样模块采用多个AD芯片实现;控制输出模块通过FPGA算法实现PWM的控制计算,用光电转换芯片实现电信号到光信号的转换。本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,解决了风机变流器的控制PLC端与下位装置的通信、采样和控制问题。

Description

一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置
技术领域
本发明涉及一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置。
背景技术
目前,传统的变流器的控制系统一般是基于印刷电路板的DSP加FPGA的架构,这样的架构在海上这种盐雾腐蚀高、海浪载荷大、海冰冲撞频繁的恶劣工况下,出现各种硬件和电气故障的概率大大增加,海上风机的维修成本非常高,所以可靠性在研发中要求是非常高的。
采用稳定性和可靠性更高的PLC控制系统(Programmable Logic Controller)作为主控制器的方案更为合理可靠,所以研发能实现与PLC可靠通信,并且同时实现采样和控制的装置的需求就迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷,提供一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,可实现与PLC上位机的通信,电压电流信号的采样驱动和滤波算法,实现PWM信号的计算和执行功能,解决了风机变流器的控制PLC上位机端与下位装置的通信、采样和控制问题,使变流器更适合在海上这种盐雾腐蚀高、海浪载荷大、海冰冲撞频繁的恶劣工况下使用。
实现上述目的的技术方案是:一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,所述通信采样控制装置与PLC上位机连接,其特征在于,所述通信采样控制装置包括通信模块、采样模块、FPGA芯片和控制输出模块,其中:
所述通信模块在所述FPGA芯片驱动下实现所述PLC上位机与所述FPGA芯片之间的通信;
所述采样模块在所述FPGA芯片驱动下采集风力发电变流器的运行数据,并通过所述通信模块将所述运行数据发送至所述PLC上位机;
所述控制输出模块在所述FPGA芯片驱动下控制所述风力发电变流器的运行。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述通信模块的下端采用16位异步并行的PDI(Process Data Interface)接口与所述FPGA芯片实现数据交互;所述通信模块通过有线方式与所述PLC上位机相连并实现数据交互。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述FPGA芯片上搭建RISC软核和低通数字滤波器,所述RISC软核用于实现所述通信模块与所述PLC上位机之间的通信流程控制功能,完成通信过程中的状态转换以实现通信模块的驱动。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述RISC软核以及所述通信模块和所述PLC上位机之间分别设置看门狗校验,保证通信内容数据可靠准确。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述FPGA芯片外接有存储芯片(DDR3)和串口芯片(RS232串口芯片),所述存储芯片用于存储通信中的过程数据和RISC软核运行的缓存数据。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述采样模块采用多个AD芯片实现风力发电变流器的运行数据采集,所述采样模块将采集的运行数据发送至所述低通数字滤波器进行处理。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述控制输出模块通过FPGA算法实现PWM的控制计算;所述控制输出模块采用光纤通信端口,并通过光电转换芯片实现电信号与光信号的转换;所述FPGA芯片与所述控制输出模块相连,所述FPGA芯片用于PWM计算输出、死区补偿和窄脉冲滤波。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,当存在多个所述通信采样控制装置时,多个所述通信采样控制装置的通信模块分别与所述PLC上位机之间连接,拓扑为环网冗余,各通信采样控制装置的通信模块之间相互通信。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述运行数据包括风力发电变流器的各功率模块的电压和电流,所述采样模块通过电流传感器对所述各功率模块的电压和电流进行采样;所述控制输出模块用于控制所述各功率模块的输出。
上述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其中,所述通信模块具有低于20ns的控制抖动和低于4us的通信抖动。
本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,采用的单控制芯片FPGA,在FPGA基础上加入RISC软核(嵌入式软核)MicroBlaze,即片上SOC系统,是一个虚拟核心,这个RISC核实现了该装置与PLC上位机之间的通信流程控制功能,并在FPGA的逻辑部分驱动了采样模块和控制输出模块的控制,解决了风机变流器的控制PLC端与下位装置的通信、采样和控制问题。
附图说明
图1为本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置的结构框图;
图2为本通信线路连接正常的线路图;
图3为通信模块A和通信模块B之间的连接出现异常的线路图;
图4为通信模块B和PLC上位机之间的连接出现异常的线路图;
图5为通信模块A和PLC上位机之间的连接出现异常的线路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明:
请参阅图1,本发明的最佳实施例,一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,外接PLC上位机100,通信采样控制装置包括通信模块1、采样模块2、FPGA芯片3和控制输出模块4。
本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置通过硬件外置通信板卡(即通信模块1)和驱动软件程序(即FPGA芯片3)实现通信模块的功能。
通信模块1在FPGA芯片3驱动下实现PLC上位机100与FPGA芯片3之间的通信;采样模块2在FPGA芯片3驱动下采集风力发电变流器的运行数据,并通过通信模块1将运行数据发送至PLC上位机100。
控制输出模块4在FPGA芯片驱动3下控制风力发电变流器的运行。
通信模块1的下端采用16位异步并行的PDI(Process Data Interface)接口与FPGA芯片3实现数据交互;通信模块1通过有线方式与PLC上位机100相连并实现数据交互。
FPGA芯片3上搭建RISC软核31和低通数字滤波器32,RISC软核31用于实现通信模块1与PLC上位机100之间的通信流程控制功能,完成通信过程中的状态转换以实现通信模块1的驱动。
RISC软核31以及通信模块1和PLC上位机100之间分别设置看门狗校验,保证通信内容数据可靠准确。
FPGA芯片3外接有存储芯片(DDR3)33和串口芯片(RS232串口芯片)34,存储芯片33用于存储通信中的过程数据和RISC软核31运行的缓存数据。
采样模块2采用多个AD芯片实现风力发电变流器的运行数据采集,采样模块2将采集的运行数据发送至低通数字滤波器32进行处理。
控制输出模块4通过FPGA算法实现PWM的控制计算;控制输出模块4采用光纤通信端口,并通过光电转换芯片实现电信号与光信号的转换;FPGA芯片3与控制输出模块4相连,FPGA芯片3用于PWM计算输出、死区补偿和窄脉冲滤波。
风力发电变流器的运行数据包括风力发电变流器的各功率模块41的电压和电流,采样模块2通过电流传感器21对各功率模块41的电压和电流进行采样;控制输出模块4用于控制各功率模块41的输出。功率模块41采用绝缘栅双极型晶体管。
通信模块1(外置通信板卡)采用了德国倍福(Beckhoff)公司的FB1111-1040通信模块,该通信模块采用的16位异步并行的PDI接口(Parallel Digital Interface),采用了标准的异步接口,包含了CS,RD,WR,BUSY控制信号线,以及16根数据线,15根地址线,达到了较高的读写性能。
驱动软件程序采用了FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片,即现场可编程门阵列作为整个系统的控制芯片,在这个基础上加入RISC软核31(嵌入式软核)MicroBlaze,即片上SOC系统,通信模块1与PLC上位机100相连,通信模块1通过PDI接口与RISC软核31相连;这个RISC软核实现了该通信采样控制装置与PLC上位机100之间的通信流程控制功能,完成通信过程中的状态转换,实现通信模块1的软件驱动。
采样模块2的硬件由24路AD7606组成,采样电压电流数据,软件驱动由FPGA芯片3纯逻辑编写,实现16位双极性模拟数字采样转换,采样率达到100K赫兹。
RISC软核31与FPGA芯片3通过AXI4-LITE总线进行数据交互;通信模块1、采样模块2、控制输出模块4之间通过RISC软核31与各个模块之间经过AXI4-LITE总线进行通信,该总线速率可达到100M赫兹的主频,实现各个模块之间的数据互通,并且是这三个模块(通信模块1、采样模块2、控制输出模块4)可以在单FPGA芯片3上实现。
RISC软核31上以及通信模块1和PLC上位机100之间分别设置看门狗校验,保证通信内容数据可靠准确。
电流传感器21采集的电压和电流数据经过采样模块2进行双极性模拟数字采样转换后,再通过低通数字滤波器32进行滤波处理,接着通过FPGA芯片3依次进行PWM计算、死区补偿计算和窄脉冲滤波后发送输出信号给控制输出模块4,控制输出模块4通过接收的输出信号控制各功率模块41的输出。
通信模块1通过网线与PLC上位机100相连,在通信方案介质方面选用了非常常见的网线通信,采用实时工业以太网的方案,一方面照顾了可靠性和便捷性,并且在成本控制方面,也比昂贵的光纤有着巨大优势。在工业以太网方案选择上,选用EtherCAT的实时协议,一方面保证了性能与可靠,并且保留了后续扩展的能力。
请参阅图2至图5,当存在两个本发明的通信采样控制装置时,两个通信采样控制装置的通信模块A、通信模块B分别与PLC上位机100之间通过RJ45网口并经过CAT5类及以上的网线连接,拓扑为环网冗余。本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,通信周期做到100us,并且各个通信模块可以做到低于20ns的控制抖动和4us的通信抖动,在更快通信频率和小范围的抖动控制下,可以让变流器的环流和同脉冲控制的算法更加简单可靠。
请参阅图2,一个通信采样控制装置的通信模块A和另一个通信采样控制装置的通信模块B相互通信,当通信线路连接正常无误时,线路是按照一个大环网通信;
请参阅图3,当通信模块A和通信模块B之间的连接出现异常,每个通信采样控制装置分别与PLC上位机进行通讯,可以保证整个网络的通信依旧持续。
请参阅图4,当通信模块B和PLC上位机之间的连接出现异常,通信模块B与通信模块A之间相互通讯,进而可以保证整个网络的通信依旧持续。
请参阅图5,当通信模块A和PLC上位机之间的连接出现异常,通信模块A与通信模块B之间相互通讯,可以保证整个网络的通信依旧持续。
更多的本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置与PLC上位机相连,可以参考上面的通信连接。
相比较现有方案,本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,采用单控制器方案,现有方案都是ARM或者DSP的传统处理器再外加FPGA的方案,现有方案的优势是通讯实现相对简单,缺点是两个控制芯片,增加了两个芯片之间的通信部分,而且增加了硬件成本和出错概率。
本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置。采用了单一FPGA芯片3实现通信功能,采样功能,滤波算法,以及PWM控制。FPGA芯片3使用了XILINX公司的SPARTAN6芯片,并在其中加入了RISC软核31MicroBlaze,实现了顺序执行和并行处理在同一主控制芯片共存,并通过AXI4-LITE总线进行数据交互,降低硬件出错率和硬件成本,可以获得更高的通信速率和控制精度。
本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,通信周期做到100us,并且各个通信模块可以做到低于20ns的控制抖动和4us的通信抖动,在更快通信频率和小范围的抖动控制下,可以让变流器的环流和同脉冲控制的算法更加简单可靠。
多个本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置时,采用了环网冗余的网络连接方式,保证了通信可靠,在双模块通信的结构下,永远不会出现变流器内部通信丢失情况。
本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,可以使用ZYNQ中的ARM硬核代替microblaze的软核(RISC软核),也是属于变化范围。
综上所述,本发明的大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,采用的单控制芯片FPGA,在FPGA基础上加入RISC软核(嵌入式软核)MicroBlaze,即片上SOC系统,是一个虚拟核心,这个RISC核实现了该装置与PLC上位机之间的通信流程控制功能,并在FPGA的逻辑部分驱动了采样模块和控制输出模块的控制,解决了风机变流器的控制PLC端与下位装置的通信、采样和控制问题。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,所述通信采样控制装置与PLC上位机连接,其特征在于,所述通信采样控制装置包括通信模块、采样模块、FPGA芯片和控制输出模块,其中:
所述通信模块在所述FPGA芯片驱动下实现所述PLC上位机与所述FPGA芯片之间的通信;
所述采样模块在所述FPGA芯片驱动下采集风力发电变流器的运行数据,并通过所述通信模块将所述运行数据发送至所述PLC上位机;
所述控制输出模块在所述FPGA芯片驱动下控制所述风力发电变流器的运行,
所述FPGA芯片上搭建RISC软核和低通数字滤波器,所述RISC软核用于实现所述通信模块与所述PLC上位机之间的通信流程控制功能,完成通信过程中的状态转换以实现通信模块的驱动,
上述的FPGA芯片为单控制芯片FPGA。
2.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,所述通信模块的下端采用16位异步并行的PDI接口与所述FPGA芯片实现数据交互;所述通信模块通过有线方式与所述PLC上位机相连并实现数据交互。
3.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,所述RISC软核以及所述通信模块和所述PLC上位机之间分别设置看门狗校验,保证通信内容数据可靠准确。
4.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,所述FPGA芯片外接有存储芯片和串口芯片,所述存储芯片用于存储通信中的过程数据和RISC软核运行的缓存数据。
5.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,所述采样模块采用多个AD芯片实现风力发电变流器的运行数据采集,所述采样模块将采集的运行数据发送至所述低通数字滤波器进行处理。
6.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,所述控制输出模块通过FPGA算法实现PWM的控制计算;所述控制输出模块采用光纤通信端口,并通过光电转换芯片实现电信号与光信号的转换;所述FPGA芯片与所述控制输出模块相连,所述FPGA芯片用于PWM计算输出、死区补偿和窄脉冲滤波。
7.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,当存在多个所述通信采样控制装置时,多个所述通信采样控制装置的通信模块分别与所述PLC上位机之间连接,拓扑为环网冗余,各通信采样控制装置的通信模块之间相互通信。
8.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,所述运行数据包括风力发电变流器的各功率模块的电压和电流,所述采样模块通过电流传感器对所述各功率模块的电压和电流进行采样;所述控制输出模块用于控制所述各功率模块的输出。
9.根据权利要求1所述的一种大功率风力发电变流器的通信采样控制装置,其特征在于,所述通信模块具有低于20ns的控制抖动和低于4us的通信抖动。
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