CN116827155B - 一种级联多电平变流器的控制系统及其载波同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种级联多电平变流器的控制系统及其载波同步方法，包括主控单元、切换单元、三相脉冲分配单元和三相功率单元；主控单元设置载波周期，计算载波移相角和参考波；切换单元根据载波周期产生基准载波，生成第一级载波同步字；第一级载波同步字复用切换单元到脉冲分配单元的控制数据通信通道；三相脉冲分配单元根据第一级载波同步字和载波移相角计算出第一级移相载波，生成三相功率单元的第二级载波同步字；第二级载波同步字复用脉冲分配单元到三相功率单元的控制数据通信通道；三相功率单元根据第二级载波同步字恢复出第二级移相载波，不影响控制系统正常通信，无需增加同步专用通道，实现三相多个功率单元高精度载波同步。
Description
技术领域
本发明涉及变流器变频调速技术领域，尤其涉及一种级联多电平变流器的控制系统及其载波同步方法。
背景技术
当今变频调速技术飞速发展，大功率高电压等级的变流器在交流电机驱动领域得到了迅速推广。而级联多电平大功率变流器，采用多个逆变、整流单元串联起来的拓扑结构，具有拓扑简单、模块化易于扩展、可靠性高、谐波含量低、功率器件损耗低等优点，在长输天然气管线、电厂、海水蓄能、矿山、冶金等工业变频领域得到广泛应用。
级联多电平的变流器多采用载波移相的调制方式(SPWM)，而功率单元之间载波精度对谐波性能、高载波频率特性有很大影响，进而影响了电机的调速精度、电机响应速度、电机噪声、电机温度等变频调速的重要指标。载波同步精度不高还可能会导致电机控制系统出现误差和震荡，从而影响系统的性能和稳定性。而传统控制系统及载波同步方式有的为单独给每个功率单元增加一路同步光纤，系统接线复杂且过于冗余；有的为复用功率单元的控制光纤，由于控制系统和功率单元之间多为百us级别控制器执行周期(也是通信周期)，此周期与载波周期不同步，这就造成同步命令可能影响正常通信，或者载波同步有10us以上的载波相位误差。
综上研究实现一种通信架构简单的变流器控制系统、高精度载波同步方法对满足日益发展的大功率变频调速装置的要求有重要意义。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供了一种级联多电平变流器的控制系统及其载波同步方法，在不影响控制系统正常通信的前提下，无需增加同步专用通道，实现三相多个功率单元高精度载波同步。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种级联多电平变流器的控制系统，包括主控单元、切换单元、三相脉冲分配单元和三相功率单元；
所述的主控单元连接切换单元，切换单元对上连接主控单元，对下连接三相脉冲分配单元；三相脉冲分配单元对上与切换单元连接，对下与级联型的三相功率单元连接；
所述切换单元到所述三相脉冲分配单元之间的通信以及所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元之间的通信均为按照固定控制周期循环完成通信数据交互；
所述主控单元设置载波周期，计算载波移相角和参考波；
所述切换单元根据所述载波周期产生基准载波，进一步生成第一级载波同步字；
所述第一级载波同步字复用所述切换单元到所述三相脉冲分配单元的控制数据通信通道；
所述三相脉冲分配单元，根据所述第一级载波同步字和载波移相角，计算出第一级移相载波，进一步生成所述三相功率单元的第二级载波同步字；
所述第二级载波同步字复用所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元的控制数据通信通道；
所述三相功率单元，根据所述第二级载波同步字恢复出第二级移相载波，至此完成三相功率单元的高精度载波同步。
进一步地，所述切换单元产生所述基准载波，为所有三相功率单元的同步源。
进一步地，所述主控单元为基于DSP芯片结构，包括DSP主控单元A和DSP主控单元B，二者互为冗余热备份，所述切换单元还用于选择DSP主控单元A和DSP主控单元B的数据。
进一步地，所述切换单元为基于控制芯片结构，控制芯片根据所述载波周期产生基准载波，进一步生成第一级载波同步字，所述第一级载波同步字复用所述切换单元到所述三相脉冲分配单元的控制数据通信通道。
进一步地，所述的三相脉冲分配单元为基于控制芯片结构，控制芯片根据所述第一级载波同步字和载波移相角，计算出第一级移相载波，进一步生成所述三相功率单元的第二级载波同步字；所述第二级载波同步字复用所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元的控制数据通信通道。
一种所述的级联多电平变流器的控制系统的载波同步方法，包括如下步骤：
S101、通过所述主控单元设置载波周期，计算所述三相功率单元的载波移相角和参考波，并将所述载波移相角和以及载波周期发送至所述切换单元；
S102、所述切换单元根据所述载波周期，产生整个系统的基准载波，进一步生成第一级载波同步字，将所述第一级载波同步字和所述载波移相角发送给所述三相脉冲分配单元；所述第一级载波同步字复用所述切换单元到所述三相脉冲分配单元的控制数据通信通道；
S103、所述三相脉冲分配单元根据所述第一级载波同步字和所述载波移相角，计算出所有所述三相功率单元的第一级移相载波，进一步生成每个所述三相功率单元的第二级载波同步字，并将其发送给对应所述三相功率单元；所述第二级载波同步字复用所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元的控制数据通信通道；
S104、所述三相功率单元根据所述第二级载波同步字恢复出三相功率单元的第二级移相载波，至此完成所述三相功率单元的高精度载波同步；进一步的，每个功率单元通过高精度载波即三相功率单元的第二级移相载波和参考波计算出功率单元中功率器件的PWM波。
进一步地，所述切换单元到所述三相脉冲分配单元之间的通信以及所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元之间的通信的通信数据包含帧头、载波同步字、其他有效数据载荷、CRC校验码。
进一步地，第一级载波同步字和第二级载波同步字均为16bit位宽数据，包括1bit的同步使能和15bit的同步补偿值。
进一步地，通信数据的接收端判断所述同步使能为高电平时启动载波同步计算，并将所述同步补偿值赋值给载波计数器，得到高精度载波。
进一步地，所述同步补偿值用于补偿通信时间和载波过零点之间的误差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种级联多电平变流器的控制系统和载波同步方法，所述控制系统的载波同步通过控制数据中的载波同步字完成，无需增加同步专用通道，整体架构简单易实现，载波同步通信通道带宽占用率低，载波精度可达100ns以内，有效提高了级联多电平变流器的输出质量和效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种级联变频器控制系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的高精度载波同步实现流程图；
图3为本发明实施例提供的通信数据帧原理图；
图4为本发明实施例提供的移相载波和参考波示意图；
图5为本发明实施例提供的高精度载波同步原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1-图5所示，本发明实施例提供的一种级联多电平变流器的控制系统，包括：DSP主控单元A，DSP主控单元B，切换单元，三相脉冲分配单元，三相功率单元。
所述DSP主控单元A和所述DSP主控单元B，二者互为冗余热备份，一个所述DSP主控单元故障、另一个所述DSP主控单元正常可以保证系统正常运行，负责设置载波周期，计算所述三相功率单元的载波移相角和参考波，并将所述载波周期、载波移相角和参考波发送至所述切换单元。
所述切换单元，对上连接DSP主控单元A和所述DSP主控单元B，对下连接三相脉冲分配单元。用于选择所述DSP主控单元A和所述DSP主控单元B的数据，根据所述载波周期产生基准载波，进一步生成第一级载波同步字，并将相关通信数据下发给所述三相脉冲分配单元，其中所述通信数据包含所述载波周期、载波移相角、参考波、载波同步字(第一级载波同步字)等信息。
所述三相脉冲分配单元，对上与所述切换单元进行通信，对下与所述三相功率单元通信；通信数据包括载波同步字和控制数据，根据所述第一级载波同步字和载波移相角，计算出第一级移相载波，进一步生成所述三相功率单元的第二级载波同步字。
所述三相功率单元接收所述三相脉冲分配单元的下发载波同步字(第二级载波同步字)、参考波等信息，通过载波同步字恢复出载波，通过载波和参考波比较计算出功率器件的PWM调制脉冲。
可选地，所述切换单元为基于控制芯片结构，本实施例中为FPGA芯片，FPGA芯片根据所述载波周期产生基准载波，进一步生成第一级载波同步字，所述第一级载波同步字复用所述切换单元到所述三相脉冲分配单元的控制数据通信通道。
可选地，所述的三相脉冲分配单元为基于控制芯片结构，本实施例中为FPGA芯片，FPGA芯片根据所述第一级载波同步字和载波移相角，计算出第一级移相载波，进一步生成所述三相功率单元的第二级载波同步字；所述第二级载波同步字复用所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元的控制数据通信通道。
可选地，所述三相功率单元包括全控整流加H桥逆变/或者包括不控整流加H桥逆变。
请参见图2，其表示了本发明实施例提供的高精度载波同步方法实现流程图，详述如下：
S101，通过DSP主控单元设置载波周期，计算各三相功率单元的载波移相角和参考波，并将所述载波移相角和载波周期发送至所述切换单元；
S102，通过所述切换单元根据所述载波周期，产生整个系统的基准载波，进一步生成第一级载波同步字，将所述第一级载波同步字和所述载波移相角发送给所述三相脉冲分配单元；
S103，通过所述三相脉冲分配单元，根据所述第一级载波同步字和所述载波移相角，计算出所有所述三相功率单元的第一级移相载波，进一步生成每个所述三相功率单元的第二级载波同步字，并将其发送给对应所述三相功率单元；
结合图3，本发明实施例提供的通信数据帧原理图，示意了S102提出的所述切换单元与所述脉冲分配单元之间的数据帧结构，S103提出的所述三相脉冲分配单元与所述三相功率单元之间通信数据帧结构。
S104通过所述三相功率单元，根据所述第二级载波同步字恢复出三相功率单元的第二级移相载波，至此完成了所述三相功率单元的高精度载波同步。进一步的，每个功率单元通过高精度载波(三相功率单元的第二级移相载波)和参考波计算出功率器件的PWM波。
结合图4，本发明实施例提供的移相载波和参考波示意图，示意了所述三相功率单元中的一相的不同移相角的载波和参考波的关系。
结合图5，本发明图4为本发明实施例提供的高精度载波同步原理图，示意了S102计算第一级载波同步字、S103计算得到第二级载波同步字的原理，还示意了S103恢复第一级移相载波、S104恢复第二级移相载波的原理。
本实施例中，所述通信数据包含帧头、载波同步字、其他有效数据载荷、CRC校验码。
本实施例中，所述载波同步字为16bit位宽数据，包括1bit的同步使能和15bit的同步补偿值，接收端判断所述同步使能为高电平时启动载波同步计算，并将所述同步补偿值赋值给载波计数器，得到高精度载波。所述载波补偿值用于补偿通信时间和载波过零点之间的误差。
本实施例中，所述有效数据载荷，包括整流侧解锁命令、参考波，逆变侧解锁命令、参考波，复位、旁路、自检等系统控制命令。
本实施例中，所述CRC校验码，为通用循环冗余校验算法。
从以上技术方案我们可以看出本发明有如下优点：本发明提出了一种级联多电平变流器的控制系统和载波同步方法，所述控制系统的载波同步通过控制数据中的载波同步字完成，无需增加同步专用通道，整体架构简单易实现，载波同步通信通道带宽占用率低，载波精度可达100ns以内，有效提高了级联多电平变流器的输出质量和效率。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种级联多电平变流器的控制系统，其特征在于，包括主控单元、切换单元、三相脉冲分配单元和三相功率单元；
所述的主控单元连接切换单元，切换单元对上连接主控单元，对下连接三相脉冲分配单元；三相脉冲分配单元对上与切换单元连接，对下与级联型的三相功率单元连接；
所述切换单元到所述三相脉冲分配单元之间的通信以及所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元之间的通信均为按照固定控制周期循环完成通信数据交互；
所述主控单元设置载波周期，计算载波移相角和参考波；
所述切换单元根据所述载波周期产生基准载波，进一步生成第一级载波同步字；
所述第一级载波同步字复用所述切换单元到所述三相脉冲分配单元的控制数据通信通道；
所述三相脉冲分配单元，根据所述第一级载波同步字和载波移相角，计算出第一级移相载波，进一步生成所述三相功率单元的第二级载波同步字；
所述第二级载波同步字复用所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元的控制数据通信通道；
所述三相功率单元，根据所述第二级载波同步字恢复出第二级移相载波，至此完成三相功率单元的高精度载波同步；
第一级载波同步字和第二级载波同步字均为16bit位宽数据，包括1bit的同步使能和15bit的同步补偿值；通信数据的接收端判断所述同步使能为高电平时启动载波同步计算，并将所述同步补偿值赋值给载波计数器，得到高精度载波；所述同步补偿值用于补偿通信时间和载波过零点之间的误差。
2.根据权利要求1所述的一种级联多电平变流器的控制系统，其特征在于，所述切换单元产生所述基准载波，为所有三相功率单元的同步源。
3.根据权利要求1所述的一种级联多电平变流器的控制系统，其特征在于，所述主控单元为基于DSP芯片结构，包括DSP主控单元A和DSP主控单元B，二者互为冗余热备份，所述切换单元还用于选择DSP主控单元A和DSP主控单元B的数据。
4.根据权利要求1所述的一种级联多电平变流器的控制系统，其特征在于，所述切换单元为基于控制芯片结构，控制芯片根据所述载波周期产生基准载波，进一步生成第一级载波同步字，所述第一级载波同步字复用所述切换单元到所述三相脉冲分配单元的控制数据通信通道。
5.根据权利要求1所述的一种级联多电平变流器的控制系统，其特征在于，所述的三相脉冲分配单元为基于控制芯片结构，控制芯片根据所述第一级载波同步字和载波移相角，计算出第一级移相载波，进一步生成所述三相功率单元的第二级载波同步字；所述第二级载波同步字复用所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元的控制数据通信通道。
6.一种权利要求1所述的级联多电平变流器的控制系统的载波同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、通过所述主控单元设置载波周期，计算所述三相功率单元的载波移相角和参考波，并将所述载波移相角和以及载波周期发送至所述切换单元；
S102、所述切换单元根据所述载波周期，产生整个系统的基准载波，进一步生成第一级载波同步字，将所述第一级载波同步字和所述载波移相角发送给所述三相脉冲分配单元；所述第一级载波同步字复用所述切换单元到所述三相脉冲分配单元的控制数据通信通道；
S103、所述三相脉冲分配单元根据所述第一级载波同步字和所述载波移相角，计算出所有所述三相功率单元的第一级移相载波，进一步生成每个所述三相功率单元的第二级载波同步字，并将其发送给对应所述三相功率单元；所述第二级载波同步字复用所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元的控制数据通信通道；
S104、所述三相功率单元根据所述第二级载波同步字恢复出三相功率单元的第二级移相载波，至此完成所述三相功率单元的高精度载波同步；
每个功率单元通过高精度载波即三相功率单元的第二级移相载波和参考波计算出功率单元中功率器件的PWM波。
7.根据权利要求6所述的载波同步方法，其特征在于，所述切换单元到所述三相脉冲分配单元之间的通信以及所述三相脉冲分配单元到所述三相功率单元之间的通信的通信数据包含帧头、载波同步字、其他有效数据载荷、CRC校验码。
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