CN111835450A - 一种高精度分布式变频器同步控制通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度分布式变频器同步控制通讯系统，将所有分布式变频器所在网络站点构建成正反双向环型通讯网络，各站通过向相邻站发送网测试数据计算传输延时；设定其中一个网络站点作为主站，由其分配站号，建立通讯主从网络；主站配置时间链表，从站计算补偿参数；主站发起同步帧，从站消除时钟偏移；通过定时器实现，进而完成通讯系统的控制周期和同步周期。

Description

一种高精度分布式变频器同步控制通讯系统

技术领域

本发明涉及一种同步通讯系统，尤其是涉及一种高精度分布式变频器同步控制通讯系统。

背景技术

随着现代工业的发展，大功率多机联动系统应用性能不断在提升，对于分布式变频器控制的多台电机调速系统，变频器之间的同步性是提升控制性能的关键，以矿用皮带连接的多电机系统为例，如重载同步启动，功率输出平衡控制等；在每台电机连接的变频器由通讯线缆提供同步信号和共享控制指令。

常规的多机控制中，以典型CAN总线为例，大部分MCU芯片已经集成了CAN控制器，应用成本较低，总线型连接可以实现相对较高的同步性，不足的地方CAN控制器之间的延时需要手动测量和计算，然后输入到软件里面；缺点是CAN协议标准规定的帧长度不确定，通讯延时不确定，通讯距离和速率成反比，决定了CAN总线通讯在同步性和实时性要求高的地方应用并不理想。

依靠环形串联拓扑通讯的典型代表EtherCat协议，是100M以太网为基础的开放架构的现场总线系统，协议中规定从站检测数据回环的时差，用于消除子设备的时钟偏移，可实现比较高的同步，缺点是以太网标准协议的帧较复杂，开发难度大，在小数据量系统中应用中，相同的波特率下凸显效率低不能实时响应；同时EtherCat协议需要专用的子站，无法实现主从站灵活转换，目前子站模块的成本依然较高。

综上所述，适用于分布式变频器同步控制过程，需要同时提供实时性，同步性，灵活性，低成本的通讯协议，现有的通讯协议还不能满足。

发明内容

本发明提供了一种高精度分布式变频器同步控制通讯系统，用于解决分布式变频器同步控制的实时性问题，其技术方案如下所述：

一种高精度分布式变频器同步控制通讯系统，系统的建立包括以下步骤：

S1：将所有分布式变频器所在网络站点构建成正反双向环型通讯网络，各站通过向相邻站发送测试数据计算传输延时；

S2：设定其中一个网络站点作为主站，由其分配站号，建立通讯主从网络；

S3：主站配置时间链表，从站计算补偿参数；

S4：主站发起同步帧，从站消除时钟偏移；

S5：通过定时器实现，进而完成通讯系统的控制周期和同步周期的设置。

进一步的，步骤S1中，变频器所在的网络站点通过通讯线缆与相邻的网络站点进行连接，进一步的，网络站点之间的通讯线缆选择同轴电缆或者光纤线缆。

进一步的，步骤S1中，每个网络站点既作为发送端，又作为接收端。

进一步的，本系统的网络站点，进行系统建立时采用FPGA通讯芯片。

进一步的，步骤S1中，规定每个网络站点在初始化阶段，通过对通讯接口发送测试数据，测试数据从开始发出到收到测试数据的延时为2∆tx，∆tx为连接线的传输延时。

进一步的，步骤S3中，主站根据从站物理位置分配从站站号建立通讯主从网络，主站收集各从站统计的各段线缆的传输延时，得时间链表{2∆t1,2∆t2,2∆t3……2∆t(n-1)，2∆tn},下标n表示通讯主从网络内的总站数，主站下发所有从站统一时间链表，所有各从站计算该从站消除时钟偏移所用的补偿参数，所有从站计算最短时间内同步输出的延时时间。

进一步的，通讯主从网络在闭环连接时，计算每一条连接线的传输延时∆tx，主站负责统计所有的T=∑∆tx ，从站计算距离主站的∆T+=∆t1+∆t2+⋯+∆t(m-1)，∆T-=T-∆T+，表达式中T为通讯总延时，∆T+为正向通讯同步修正系数，∆T-为反向通讯同步修正系数，下标m为当前从站站号。

进一步的，步骤S5中，同步控制时的单个控制周期中，主站在同步周期Tsyc发起同步指令，从站通过同步指令和修正系数修正时钟偏移，达到主从站同步的效果。

进一步的，步骤S5中，主站和从站能够完成切换，其包括以下步骤：

S51：主站在控制周期Tctrl先发送网络换站帧；

S52：更换主站时所有站的站号发生变化，所有站按照新旧站号调整时间链表，重新计算各从站消除时钟偏移所用的补偿参数，计算最短时间内同步输出的延时时间；

S53：更换完主站，主站发送数据帧，从站按照站号顺序发送数据帧。

进一步的，换站帧包含了主站的状态，状态分为三级别：（1）强制主站不可被抢占，（2）允许主站被抢占，（3）请求网络变更主站；

主站发生变更的条件：（1）从站强制为主站，（2）主机请求变更；

变更主站规则：（1）从站允许作为主站，（2）多个从站按照站号ID顺序变更为主站。所述高精度分布式变频器同步控制通讯系统，是一种具有低成本同时提供高同步性，实时性，灵活性，易于开发应用的通讯系统。

其能够自行检测计算出每一段线缆通讯产生的延时，用于每一个从站周期性消除与主站的时钟偏移，将系统同步的偏差控制在一个Tclock内，这个过程保证了系统同步性；异于其他通讯协议插入换站帧，主从站可交换重构更加灵活，进一步优化系统资源达到最佳状态；与标准以太网协议相比自定义协议优化了帧结构提高了数据传输的效率，降低了通讯网络占有率，可通过缩短控制周期提升整个系统的实时性。

附图说明

图1是正反双向环通讯网络连接示意图；

图2是分布测试网络通讯延时示意图；

图3是主从网络数据流向示意图；

图4是通讯网络状态执行流程图。

具体实施方式

如图1所示，将分布式变频器构建成正反双向环型通讯网络，变频器所在的网络站点通过通讯线缆与相邻的网络站点进行连接，进一步的，网络站点之间的通讯线缆可选择标准的同轴电缆或者光纤线缆。该网络中，数据处理具有实时并行处理的优势，每个站点可同时对通讯网络上的数据进行恢复、修改、转发等操作。

设定其中一个网络站点作为主站，其他的网络站点作为从站，从主站开始，按照正向或者反向的顺序设定每个网络站点的站号ID。假定主站ID为M1，则选定一个方向，比如从正向出发，向后依次物理排序的从站ID为M2、M3、M4.....

每个网络站点既作为发送端，又作为接收端。具体来说，某网络站点M5沿正向（顺时针）发送数据时作为下一网络站点M6的发送端T1，下一网络站点M6作为该网络站点M5的接收端R1；但是沿正向发送数据时，该网络站点M5的上一网络站点M4作为发送端T1，该网络站点M5为接收端R1。

进一步的，该网络站点M5沿反向（逆时针）发送数据时作为网络站点M4的发送端T2，网络站点M4作为该网络站点的接收端R2；但是沿反向发送数据时，该网络站点M5的上一网络站点M6作为发送端T2，该网络站点M5为接收端R2。

可见，本发明首选需要构建通讯的硬件网络：

i）串连所有通讯的网站站点最后闭环，建立正反双向通讯环路；

ii）该网络选择的FPGA通讯芯片，既有较高的并行处理优势，又方便移植易于开发。

如图2所示，本发明具有自行检测每段通讯线缆延时的能力，规定每个网络站点在初始化阶段，约定对通讯接口发送测试数据，测试数据从开始发出到收到测试数据的延时为2∆tx。比如某网络站点的站号ID为M5，其沿正向（顺时针）向下一网络站点M6发送测试数据，测试数据到达网络站点M6后又沿反向（逆时针）返回到该网络站点M5，所述测试数据的来回时间为传输延时。

如图3所示，在数据传输时，约定由主站发起正反向数据传输，首次启动主站由用户设置ID码指定，主站根据从站物理位置分配从站站号建立主从网络，主站收集各从站统计的各段线缆的传输延时，得时间链表{2∆t1,2∆t2,2∆t3……2∆t(n-1)，2∆tn},下标n表示通讯网络内的总站数，主站下发所有从站统一时间链表，所有各从站计算该从站消除时钟偏移所用的补偿参数，所有从站计算最短时间内同步输出的延时时间。

如图4所示， 在主站和从站都已经分配成功，并且时间链表都已经获取的情况下，通过定时器进行同步。所述定时器包括控制周期和同步周期两个周期的处理。

1）控制周期如下所述：

主站在控制周期Tctrl先发送网络换站帧，此时从站可以被强制为主站，或者主站请求网络换站，更换完主站，主站发送数据帧，从站按照站号顺序发送数据帧；更换主站时所有站的站号发生变化，所有站按照新旧站号调整时间链表，重新计算各从站消除时钟偏移所用的补偿参数，计算最短时间内同步输出的延时时间。

本发明支持主从站互相转换的灵活性，每个控制周期Tctrl主站首先发送换站帧，换站帧包含了主站的状态，状态分为三级别：1、强制主站不可被抢占，2、允许主站被抢占，3、请求网络变更主站；

主站发生变更的条件：1、从站强制为主站，2、主机请求变更；

变更主站规则：1、从站允许作为主站，2、多个从站按照站号ID顺序变更为主站；

主从换站过程通讯网络不会增加数据，不影响主从站系统的数据传输，不影响系统运行。

本发明实现分布式同步方法：基于闭环连接的特点计算每一条连接线的传输延时∆tx，主站负责统计所有的T=∑∆tx ，从站计算距离主站的∆T+=∆t1+∆t2+⋯+∆t(m-1)，∆T-=T-∆T+，表达式中T为通讯总延时，∆T+为正向通讯同步修正系数，∆T-为反向通讯同步修正系数，下标m为当前从站站号；

2）所述同步周期如下所述：

主站在同步周期Tsyn发起同步帧，从站根据补偿参数消除时钟偏移，实现网络内所有主从站同步：主站周期Tsyn发起同步指令时，从站通过同步指令和修正系数修正时钟偏移，达到主从站同步的效果，两个站同步误差可控制在Tclock*0.5，其中Tclock是数据恢复模块输出数据的时钟周期，参数Tsyn取决于晶振精度，小于晶振产生一个Tclock误差的时间。

本发明具有以下特点：

（1）网络通讯协议支持实时性：用于分布式控制的多机系统，实时更新的数据量较小，本发明的通讯协议摒弃了帧长度限制以及优化了帧头，实现数据帧的快速组包和解包。

（2）易于开发应用：基于FPGA平台设计实现，调试和仿真交互友好，平台易于移植，网络通讯接口可选择低成本FPGA的普通管脚实现波特率小于100Mbps通讯，也可选择带高速serdes接口的FPGA实现更高的同步性和实时性。

（3）低成本网络故障自修正：

i）正反环通讯拓扑，其中一条环路数据校验错误，还有另外一条环路数据提供参考，降低了系统问题发生的概率。

ii）网络中发生从站掉电退出，其他从站在通讯无响应的接口处自动闭环，尚且保证系统网络正常通讯。

Claims (10)

1.一种高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于，系统的建立包括以下步骤：

S1：将所有分布式变频器所在网络站点构建成正反双向环型通讯网络，各站通过向相邻站发送测试数据计算传输延时；

S2：设定其中一个网络站点作为主站，由其分配站号ID，建立通讯主从网络；

S3：主站配置时间链表，从站计算补偿参数；

S4：主站发起同步帧，从站消除时钟偏移；

S5：分布式变频器的同步控制，通过定时器实现，进而完成通讯系统的控制周期和同步周期的设置。

2.根据权利要求1所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：步骤S1中，变频器所在的网络站点通过通讯线缆与相邻的网络站点进行连接，进一步的，网络站点之间的通讯线缆选择同轴电缆或者光纤线缆。

3.根据权利要求1所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：步骤S1中，每个网络站点既作为发送端，又作为接收端。

4.根据权利要求1所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：本系统的网络站点，进行系统建立时采用FPGA通讯芯片。

5.根据权利要求1所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：步骤S1中，规定每个网络站点在初始化阶段，通过对通讯接口发送测试数据，测试数据从开始发出到收到测试数据的延时为2∆tx，∆tx为连接线的传输延时。

6.根据权利要求1所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：步骤S3中，主站根据从站物理位置分配从站站号建立通讯主从网络，主站收集各从站统计的各段线缆的传输延时，得时间链表{2∆t1,2∆t2,2∆t3……2∆t(n-1)，2∆tn},下标n表示通讯主从网络内的总站数，主站下发所有从站统一时间链表，所有各从站计算该从站消除时钟偏移所用的补偿参数，所有从站计算最短时间内同步输出的延时时间。

7.根据权利要求6所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：通讯主从网络在闭环连接时，计算每一条连接线的传输延时∆tx，主站负责统计所有的T=∑∆tx，从站计算距离主站的∆T+=∆t1+∆t2+⋯+∆t(m-1)，∆T-=T-∆T+，表达式中T为通讯总延时，∆T+为正向通讯同步修正系数，∆T-为反向通讯同步修正系数，下标m为当前从站站号。

8.根据权利要求1所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：步骤S5中，同步控制时的单个控制周期中，主站在同步周期Tsyc发起同步指令，从站通过同步指令和修正系数修正时钟偏移，达到主从站同步的效果。

9.根据权利要求1所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：步骤S5中，主站和从站能够完成切换，其包括以下步骤：

S51：主站在控制周期Tctrl先发送网络换站帧；

S52：更换主站时所有站的站号发生变化，所有站按照新旧站号调整时间链表，重新计算各从站消除时钟偏移所用的补偿参数，计算最短时间内同步输出的延时时间；

S53：更换完主站，主站发送数据帧，从站按照站号顺序发送数据帧。

10.根据权利要求9所述的高精度分布式变频器同步控制通讯系统，其特征在于：换站帧包含了主站的状态，状态分为三级别：（1）强制主站不可被抢占，（2）允许主站被抢占，（3）请求网络变更主站；主站发生变更的条件：（1）从站强制为主站，（2）主机请求变更；变更主站规则：（1）从站允许作为主站，（2）多个从站按照站号ID顺序变更为主站。

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