CN101202518A - 使用can通信的h-桥式多电平逆变器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其通过每相串联连接多个功率单元来获得高电压。该H-桥式多电平逆变器包括:多个功率单元;主控制器;多个单元控制器;误差校正器,其每个对应于每个单元控制器设置并连接到主控制器和单元控制器,用于基于来自主控制器的通信周期来校正单元控制器的时钟误差,或用于如果在预定时期没有从主控制器接收到电压命令信号则确定发生误差以提供之前的电压命令信号,或用于如果从主控制器接收到表示超出与之前的电压命令信号的允许差异的电压值的电压命令信号则确定发生误差以提供之前的电压命令信号。
Description
技术领域
本发明涉及高电压逆变器,更具体地涉及通过串联连接多个低电压逆变器来获得高输出电压的高电压逆变器。
更具体地,本发明涉及通过多个单元控制器和单个主控制器启动分布式控制的逆变器,其中这些单元控制器分别地控制多个功率单元(power cell),而该主控制器控制这些单元控制器。
更具体地,本发明涉及包括用于在主控制器和单元控制器之间的通信的控制器区域网络(CAN)通信网络的高电压逆变器。
背景技术
H-桥式多电平逆变器首先由Marchesoni在1989年提出。由于H-桥式多电平逆变器通过以级联类型连接全桥逆变器来构建,H-桥式多电平逆变器也被称为级联逆变器。
H-桥式多电平逆变器包括多个功率单元(在下文中简称为“单元”),该多个功率单元每相(per phase)由串联连接的单相逆变器构成,其中单相逆变器包括低电压功率半导体开关,例如绝缘栅双极晶体管(被称为IGBT)。
根据H-桥式多电平逆变器串联连接多个单元,以获得高电压。
H-桥式多电平逆变器通过相移用于控制在串联连接的单元中的功率半导体开关的栅极切换的脉宽调制(PWM)信号,可以获得具有较小的电压变化量与时间的比率也就是较小dv/dt的平滑输出电压。
如果在H-桥式多电平逆变器中串联连接的单元数量增加,则输出电压电平的数量增加以获得接近正弦波形的电压波形。
同时,在根据常规技术的H-桥式多电平逆变器中,主控制器单独地提供三相的基准电压信号给三相的单元控制器。
然而,根据常规技术的H-桥式多电平逆变器存在问题,其中该主控制器应该输出具有120°的相位差的用于每相的三个基准电压信号,并且一些通信装置和通信线应该布置在主控制器和每个单元控制器中,以将三相的基准电压信号传输给每相的单元控制器。
换句话说,如果在用于每相的电压命令信号之间的相位差不是准确的120°,则从每个功率单元输出的输出电压没有相移到目标值,由此功率单元的输出电流波动。
同样的,如果是一种串行通信并且其可靠性在行业领域中被认可的控制器区域网络(CAN)模式通信用作在主控制器和单元控制器之间的通信模式,则主控制器通常使用接收中断来与单元控制器同步。然而,在该常规技术中,由于在单元控制器和主控制器中的中央处理单元(CPU)的时钟差异和内部计算的较小误差,在同步中发生一些误差。因为这样的原因,当不正常地施加电压的时候,具有误差的脉宽调制输出信号可能从每个单元控制器施加到在目标相位差中(in atarget phase difference)的对应的功率单元。
发明内容
因此,本发明的目的为提供一种使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其中主控制器仅提供单相电压命令信号到多个单元控制器,而用于每相的单元控制器基于该单相电压命令信号,产生取决于该单元控制器属于的三相的任何一相和在多个串联连接的功率单元中的对应功率单元的位置的不同相位的脉宽调制信号,从而可以显著减少在主控制器和多个单元控制器之间的通信装置和通信线的数量。
本发明的另一目标为提供一种使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其中每个单元控制器基于用于从主控制器传输电压基准信号到多个单元控制器的预定通信时期,来校正其时钟误差,这样可以精确获得从每个单元控制器输出的脉宽调制信号指定(targeted)的相移值。
本发明的其他目标为提供一种使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其通过消除如果预定时期内从主控制器没有接收到基准电压信号或者如果从主控制器提供到每个单元控制器的基准电压信号具有与之前的基准电压信号差异较大并且该差异超出允许范围的电压值所可能发生的误差操作的可能性,来提供可靠的通信。
为了获得这些和其他优点并且根据本发明的目的,如这里实现的和广泛描述的,提供了一种使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其包括:
每相串联连接的多个功率单元,每个功率单元具有用于切换控制的功率半导体开关;
主控制器,其根据预定速度命令在每个预定通信周期输出表示要从逆变器输出的输出电压的三相的仅仅单相的电压命令信号,并启动CAN通信;
多个单元控制器,其连接到主控制器,并且每个都与每相的每个功率单元对应地设置,其具有连接到功率单元的输出,以控制功率单元的输出电压的振幅和相位,其用于基于三相的任何一相的电压命令信号来输出具有每相的相位差(phase difference per phase)以及根据对应功率单元的位置的相位差的脉宽调制信号,并且启动CAN通信;
连接在主控制器和单元控制器之间的网络,其提供在主控制器和单元控制器之间的通信路径;以及
误差校正器,其每个都与每个单元控制器对应地设置,并连接到主控制器和单元控制器,用于基于来自主控制器的通信周期来校正单元控制器的时钟误差,或用于如果在预定时期没有从主控制器接收到电压命令信号则确定误差发生以提供之前接收到的和存储的电压命令信号,或用于如果从主控制器接收到表示超出与之前电压命令信号的电压值的允许差异的电压值的电压命令信号则确定误差发生以提供之前接收到和存储的电压命令信号。
优选地,CAN包括:多个CAN通信驱动器,其在每个单元控制器处,与主控制器的单个CAN通信驱动器通信;总线,其连接在主控制器和每个单元控制器之间;以及光缆,用于将CAN通信驱动器连接到总线。
本发明的上述和其他目的、特征、方面和优点,当结合附图时从本发明的以下详细描述中将变得更加明显。
附图说明
附图,其被包括以提供对于本发明的进一步理解并且被包括在本说明书中而且构成该说明书的部分,描述了本发明的实施例,并与描述一起用来解释本发明的原理。
在附图中:
图1为显示根据本发明的一个实施例的使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器的框图;
图2为更详细地显示在图1中所示的功率单元的电路图;
图3为显示了在单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn中的单元控制器33A1的详细结构的框图,该单元控制器33A1控制第一U相功率单元;以及
图4为显示从根据本发明的一个实施例的逆变器输出的单相输出电压的波形。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施例,其例子在附图中进行描述。
图1为描述根据本发明的一个实施例的使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器的框图。
参考图1,根据本发明的一个实施例的逆变器包括多个功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn。这些功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn每相串联连接,并且它们的每一个都具有功率半导体开关(见图2的块23)。
包括在逆变器中的主控制器31,其根据预定速度命令在每个预定通信周期输出表示将要从逆变器输出的输出电压的三相的仅仅一相的电压命令信号。预定速度命令是指利用程序输入单元例如程序加载器(未显示)预先输入并存储在构建在主控制器31中的程序存储器(未显示)中的速度命令,以及根据该速度命令从逆变器输出到电机的输出信号的频率和电压和/或电流的值。
同样,多个单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn包括在逆变器中,并分别地对应于用于每相的功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn。
单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn可以根据交流电流三相的对应相划分为:串联连接的U相单元控制器33A1-33An组;V相单元控制器33B1-33Bn组;以及W相单元控制器33C1-33Cn组。
在单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn中从1到n的数字表示每个对应相的串联连接的多个单元控制器中的对应单元控制器的位置信息,也就是表示对应单元控制器的次序的信息。在本发明中,从1到n的数字被称为层数。
根据本发明的实施例,主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个由其中设置有启动CAN通信的功能单元的控制器组成。其中设置有这样的CAN功能单元的控制器的结构具有比其中用于CAN通信的驱动器分别地连接到控制器的结构更简单的网络结构。同样,其中设置有CAN功能单元的控制器的结构在设备的模块化、逆变器的小型化和隔绝噪声方面都是很有利的。
其中设置有CAN功能单元的控制器在市场上出售的有Cygnal的基于8051的控制器、Hynix的ARM720T Core处理器以及Infineon的单机控制器、微型控制器以及收发器(transceiver)。
单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个都连接到主控制器31,并且其输出连接到功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn。
为了控制功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn的每个输出电压的振幅和相位,单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个基于三相的仅仅单相的电压命令信号,输出具有在三相中的相位差和根据对应的功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn的位置的相位差的脉宽调制信号。如果三相的单相为U相,并且主控制器31提供U相电压命令信号,则V相单元控制器33B3基于该U相电压命令信号输出脉宽调制信号到对应功率单元34B3的栅极,其中该脉宽调制信号要输出具有通过将串联连接的三层的预定相位差添加到对应于在U相和V相之间的相位差的120°相位差而获得的相位差的输出电压。
一种用于确定相位差以允许单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn将脉宽调制信号输出到对应的功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn的方法可以通过以下等式表示。
总相移=相位差+根据串联连接位置的相位差
基于“U”相,“V”相具有120°的相位差,“W”相具有240°的相位差,而“U”相不具有相位差。
在该等式中,获得根据串联连接位置的相位差=α×(n-1),其中α表示每个串联连接位置差的相位差,也就是每一层的相位差,并且预先确定和存储。同样,n表示串联连接位置,也就是层数。
要被输出到属于“W”相具有数字4的功率单元34C4的脉宽调制信号的相位差确定为:240°+α×3=240°+3α。
同样地,其他的每个单元控制器输出脉宽调制信号到对应功率单元的栅极,用于输出相对于来自主控制器31的电压命令信号具有对应相位差的输出电压。
作为例子,在单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn中控制第一U相功率单元的单元控制器33A1,将参考图3进行描述。
该单元控制器33A1包括存储器36,其根据对应功率单元34A1的串联连接位置,也就是数字“1”层的信息,以及根据三相中对应功率单元属于的任何一相,也就是U相,存储来自主控制器31的电压命令信号的相位和将要从对应功率单元34A1输出的电压的相位之间的相位差信息。
例如,如果来自主控制器31的电压命令信号为U相电压命令信号,则存储器36不具有根据U、V和W相的差的相位差,并且提供通过添加相位差也就是对应功率单元34A1的第一位置的零相位差获得的相位差信息。
单元控制器33A1包括脉宽调制信号发生器37,其产生脉宽调制信号。
包括在单元控制器33A1中的处理器38,根据从存储器36提供的相位差信息,控制脉宽调制信号发生器的脉宽调制信号产生。
在修改的实施例中,存储器36可以存储对应功率单元属于的U、V和W相的任何一相的信息、串联连接位置信息以及用于计算相位差的程序,而处理器38可以基于对应功率单元的U、V和W相的任何一相的相位信息和存储在存储器36中的串联连接位置信息,根据该程序计算相位差。
包括在逆变器中的网络32包括连接在主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn之间的光纤网络,并且提供在主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn之间的通信路径。光纤网络用于加速通信速度和获得对于噪声的优异隔绝性能。
此外,包括在根据本发明的逆变器中的误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn与单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn对应地设置,并且连接到主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn。更详细地说,误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn可以基于来自主控制器31的通信周期校正单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的时钟误差。
此外,误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn如果在预定时期没有接收到来自主控制器31的电压命令信号,则确定发生误差,并提供之前接收和存储的电压命令信号。
此外,误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn如果从主控制器31接收到表示超出与之前电压命令信号的允许差异的电压值的电压命令信号,则确定发生误差,并提供之前接收和存储的电压命令信号。
对应于单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn的每个可以包括用于存储处理程序和基准电压值的存储器,还包括用于根据该处理程序执行单元控制和误差校正的微处理器。
同时,将参考图2描述功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn的详细结构。
如在图2中所示,功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn的每个包括三相整流电路21、平滑电路22和具有半导体开关例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的半导体开关电路23。
为了简化硬件的结构,主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn可以通过片上***结构集成到单个集成电路芯片中。该结构从控制器之间的通信的快速性和可靠性来看发挥了优异的性能。
根据本发明的一个实施例的使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器的操作将参考图1进行描述。
主控制器31将速度命令转换为交流电三相的任何一相的电压命令信号,并每隔预定通信周期将电压命令信号通过网络32输出到单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个。该通信周期可以为1msec(毫秒)。
单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个基于电压命令信号输出脉宽调制信号,其用于驱动功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn的对应一个的半导体开关的栅极。这时,单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个,基于电压命令信号,根据该单元控制器属于的三相的相位信息和串联连接次序信息也就是层数,输出相位调节脉宽调制信号,所述脉宽调制信号具有通过将根据层数和该单元控制器属于的三相的任何一相的相位差添加到电压命令信号的相位而获得的相位。
功率单元34A1-34An、34B1-34Bn和34C1-34Cn的每个接收脉宽调制信号,并输出具有不同相位的对应脉宽的输出电压作为多电平信号,如在图4中所示。
在多电平中的电平数量与串联连接的功率单元的数量成比例,并且实验发现多电平的数量为通过对功率单元数量×4加1而得到的数量。也就是说,得到这样的等式:每相多电平的数量=串联连接的功率单元的数量×4+1。
图4为显示从根据本发明的一个实施例的逆变器输出的单相输出电压的波形。
同时,由于在主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个之间的CPU时钟差异或计算误差,可能在主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个之间发生同步误差。
为了解决这样的同步误差,误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn的每个基于用于将电压命令信号从主控制器31传输到单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的通信周期(例如1msec),校正在单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个中发生的时钟误差。
换句话说,误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn的每个在每个通信周期检测在两个CPU之间的时钟差异,并通过单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的时钟增加和减少来补偿时钟差异。
此外,如果不从主控制器31传输电压命令信号到单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn达到超出通信周期的时间,或如果接收到具有显著不同于之前电压命令信号的电压值以至于超出允许差异的电压命令信号,则单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn的每个基于在之前周期中接收到的电压命令信号输出脉宽调制信号,这样误差校正器35A1-35An、35B1-35Bn和35C1-35Cn的每个可以校正在主控制器31和单元控制器33A1-33An、33B1-33Bn和33C1-33Cn之间的通信误差。
如前所述,根据本发明的使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器具有以下优点。
由于主控制器传输三相的仅仅单相的电压命令信号给每个单元控制器以最小化在主控制器和每个单元控制器之间的通信数据,可以减少主控制器的控制负荷。由于单元控制器控制功率单元并执行针对误差的保护功能,可以获得分布式控制,并且在硬件中的CAN通信装置例如线路和CAN通信可以被简化和模块化。
由于本发明可以以多种形式实施而不偏离本发明的精神或本质特征,应该知道上述实施例不被前述描述的任何细节限制,除非特别指出,而是应该在如在附加权利要求书定义的其精神和范围中广泛地解释,并且因此落在权利要求的范围和边界内的所有改变和修改或这些范围和边界的等效物因此也意图被附加权利要求所包括。
Claims (3)
1.一种使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其包括:
每相串联连接的多个功率单元,其每个具有用于切换控制的功率半导体开关;
主控制器,其根据预定速度命令在每个预定通信周期输出表示要从所述逆变器输出的输出电压的三相的仅仅单相的电压命令信号,并且启动CAN通信;
多个单元控制器,其连接到所述主控制器,并且每个与每相的每个所述功率单元对应地设置,具有连接到所述功率单元的输出,以控制所述功率单元的输出电压的振幅和相位,用于基于三相的任何一相的所述电压命令信号,输出具有每相的相位差和根据对应功率单元的位置的相位差的脉宽调制信号,并且启动CAN通信;
连接在所述主控制器和所述单元控制器之间的网络,其提供所述主控制器和所述单元控制器之间的通信路径;以及
误差校正器,其每个与每个所述单元控制器对应地设置,并连接到所述主控制器和所述单元控制器,用于基于来自所述主控制器的通信周期校正所述单元控制器的时钟误差,或用于如果在预定时期没有从所述主控制器接收到所述电压命令信号,则确定发生误差以提供之前接收和存储的电压命令信号,或用于如果从所述主控制器接收到表示超出与之前电压命令信号的电压值的允许差异的电压值的电压命令信号,则确定发生误差,以提供之前接收和存储的电压命令信号。
2.如权利要求1所述的使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其中所述网络包括用于提供所述主控制器和所述单元控制器的CAN通信驱动器之间的通信路径的光纤网络。
3.如权利要求1所述的使用CAN通信的H-桥式多电平逆变器,其中每个所述单元控制器包括:
存储器,用于根据对应功率单元的串联连接位置和所述对应功率单元属于的三相的任何一相,存储和提供来自所述主控制器的电压命令信号的相位和要从所述对应功率单元输出的电压的相位之间的相位差信息;
脉宽调制信号发生器,用于产生所述脉宽调制信号;以及
处理器,其根据从所述存储器提供的所述相位差信息,控制所述脉宽调制信号发生器的脉宽调制信号产生。
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