CN111145530B - 一种高压变频器功率单元的通信方法 - Google Patents

一种高压变频器功率单元的通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压变频器功率单元的通信方法，包括主控板和多块功率单元的单元控制板，单元控制板包括PWM核心电路、驱动和反馈电路、信息采集电路、光纤输入接口和光纤输出接口；单元控制板通过光纤输入接口与主控板通信连接，接收主控板的控制信号；包括数据转换板和数据采集板，主控板与数据转换板通信连接；数据转换板与数据采集板通信连接；单元控制板包括高速通信电路、所述的光纤输出接口为高速光纤接口，光纤输出接口通过高速通信电路与PWM核心电路连接；单元控制板的光纤输出接口与数据采集板的光纤输入接口连接。本发明的通信速度快，数据传输量高，并扩展了主控板的通信能力和模拟信号处理能力。

Description

一种高压变频器功率单元的通信方法
[技术领域]
本发明涉及高压变频器，尤其涉及一种高压变频器功率单元的通信方法。
[背景技术]
级联式高压变频器，由于功率单元多，运行电压高，对绝缘要求高，传统的通信方式难以达到安全要求，并且高压强干扰环境下通信速度慢、质量差。
使用总线式光纤通信，连接高压变频器的功率单元和主控板，传递控制信号和反馈信号，这种通信方式尽管解决了抗干扰问题，但是总线式通信光纤通信速度较慢，数据传输量低；而且当***出现运行故障时，无法跟踪记录，给故障排查带来不便。总线式光纤通信，主控板和多个功率单元，通过一组光纤串联成一个线型网络，多个单元分时复用，实时数据处理时性能不足，通信能力较差。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种通信能力强的高压变频器功率单元的通信方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种高压变频器功率单元的通信方法，包括主控板和多块功率单元的单元控制板，单元控制板包括PWM核心电路、驱动和反馈电路、信息采集电路、光纤输入接口和光纤输出接口，驱动和反馈电路、信息采集电路、光纤输入接口和光纤输出接口分别与PWM核心电路连接；单元控制板通过光纤输入接口与主控板通信连接，接收主控板的控制信号；包括数据转换板和数据采集板，主控板与数据转换板通信连接；数据转换板与数据采集板通信连接；单元控制板包括高速通信电路、所述的光纤输出接口为高速光纤接口，光纤输出接口通过高速通信电路与PWM核心电路连接；单元控制板的光纤输出接口与数据采集板的光纤输入接口连接。
以上所述的通信方法，在工作状态下，主控板向单元控制板发送控制信号控制功率单元工作，单元控制板发送数据给数据采集板，数据采集板分发信号给主控板和数据转换板；在故障状态下，无论是单元控制板报故障、主控板报故障或数据转换板报故障，报故障的信息汇集送到数据转换板，数据转换板实时发送故障命令给数据采集板，控制数据采集板进行故障处理。
以上所述的通信方法，数据转换板包括DSP处理器、模拟信号采集接口、模拟信号输出接口、第一485接口和第二485接口；模拟信号采集接口、模拟信号输出接口、第一485接口和第二485接口分别接DSP处理器；数据采集板包括FPGA处理器、多个所述的光纤输入接口、多个光纤输出接口、主板接口和第三485接口，光纤输入接口、主板接口和第三485接口分别接FPGA处理器；光纤输出接口内接主板接口的控制信号转接引脚，外接单元控制板的光纤输入接口；数据转换板的第一485接口与数据采集板的第三485接口通信连接，第二485接口与主控板的485接口及高压变频器的PLC控制器通信连接；数据转换板的模拟信号输出接口与主控板的模拟量输入接口通信连接，模拟信号采集接口与高压变频器的电压电流采集板通信连接。
以上所述的通信方法，数据采集板的FPGA处理器包括实时数据缓存和故障数据缓存，数据采集板的第三485接口收到数据转换板送来的故障命令后，故障数据缓存停止更新，第三485接口读取故障前和故障后的数据，并将故障数据转发给数据转换板。
以上所述的通信方法，数据采集板的光纤输入接口接收到数据后，筛选出模拟量信号、开关量信号和实时控制信号，其中模拟量信号和开关量信号送到数据采集板FPGA处理器的数据缓存，实时控制信号送到主控板接口。
以上所述的通信方法，数据采集板的光纤输入接口作为串口，工作时包括以下步骤：
601)串行信号通过IO口输入，先经过数字抗干扰滤波，把上升沿和下降沿的震荡脉冲剪切掉，保证信号干净；
602)滤波后的信号进入波特率时钟边缘捕捉和波特率时钟同步模块，每接收一帧信号都进行一次波特率时钟对齐，消除串口通信时钟误差积累；
603)经过字节计数、数据帧计数完成接收，等待下一帧信号到来；
604)串口接收到的信号保存至缓存，串口逻辑读取缓存并对缓存里面的数据进行校验/命令判别，如有故障命令则对实时缓存和故障缓存分类；
605)串口工作在半双工模式，串口每收到一帧信号便会返回一帧信号作为应答，当接收的时候不发送数据；
606)串口在发送状态经过字节计数、数据帧计数完成一帧的发送。
本发明单元控制板的输出采用高速通信电路和高速光纤接口，通信速度快，数据传输量高；数据转换板是对主控板功能的补充，在主控板不重新设计的情况下，扩展了主控板的通信能力和模拟信号处理能力。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例高压变频器级联式功率单元的通信电路框图。
图2是本发明实施例数据转换板的原理框图。
图3是本发明实施例数据采集板的原理框图。
图4是本发明实施例单元控制板的原理框图。
图5是本发明实施例高压变频器级联式功率单元的通信方法的流程图。
图6是本发明实施例数据采集板串口算法的流程图。
[具体实施方式]
如图1所示，本发明实施例高压变频器包括主电路和控制电路。
主电路包括U相电压输出模块、V相电压输出模块和W相电压输出模块，三个电压输出模块可以是星形或三角形连接，每个电压输出模块包括串接的9个高压功率单元和两块数据采集板，9个高压功率单元分成两组，分别与两块数据采集板通信连接。
高压功率单元内置单元控制板，如图4所示，单元控制板包括采用CPLD处理器的PWM核心电路、高速通信电路、驱动和反馈电路、信息采集电路、光纤输入接口和光纤输出接口。驱动和反馈电路、信息采集电路和光纤输入接口分别与PWM核心电路连接。其中，光纤输出接口为高速光纤接口，光纤输出接口通过高速通信电路与PWM核心电路连接，高速通信电路采用STM32单片机，STM32单片机串口，最高可达到4MBPS通信速率。在本实施例中，通信速率为2MBPS，每76微秒刷新一次数据。信息采集电路有电压采集电路、温度采集电路和故障信号采集电路。
控制电路包括主控板、电压电流(模拟量)采集板和数据转换板，主控板分别与数据转换板和数据采集板通信连接。数据转换板与各电压输出模块的数据采集板以及电压电流(模拟量)采集板通信连接。
如图3所示，数据转换板包括DSP处理器、模拟信号采集接口、模拟信号输出接口、第一485接口和第二485接口。模拟信号采集接口、模拟信号输出接口、第一485接口和第二485接口分别接DSP处理器。
如图2和图1所示，数据采集板包括FPGA处理器、5个光纤输入接口、5个光纤输出接口、主板接口和485接口，5个光纤输入接口、主板接口和485接口分别接FPGA处理器。数据转换板的第一485接口与所有数据采集板的485接口通信连接，数据转换板的第二485接口与主控板的485接口及高压变频器的PLC控制器通信连接。数据转换板的模拟信号输出接口与主控板的模拟量输入接口通信连接，数据转换板的模拟信号采集接口与电压电流采集板通信连接。数据采集板的5个光纤输出接口内接主板接口的控制信号转接引脚，外接单元控制板的光纤输入接口，将主控板发过来的对功率单元的控制信号转发到单元控制板。
如图5所示，使用FPGA处理器编写数据采集板的6路串口(5个光纤输入接口和485接口)，并通过6个FPGA处理器共同工作完成27路2MBPS串行光纤信号的实时接收与数据解码，并且FPGA缓存有15秒的高分辨率实时数据信号。
光纤输入接口包括2Mbps串行通信口模块，5个光纤输入接口组成5个2Mbps串口。
数据采集板的485接口包括1个115200Bps通信模块，构成1个115200Bps通信串口。
FPGA处理器包含数据解码模块、数据筛选模块和波特率发生/波特率时钟捕捉模块。
FPGA处理器包含15秒先进先出数据缓存模块。15秒先进先出数据缓存模块给115200Bps串口使用，用来缓冲高速数据流，可以记录故障前后高分辨率运行数据。
FPGA处理器包含地址选择程序，以并行使用多个硬件载体。
FPGA处理器包含数据校验模块和数字抗干扰模块，分别给6路串口使用。
图5中包含6个通信串口，其中串口1至串口5是2M波特率通信串口，对应数据采集板的5个光纤输入接口，它们使用同样的硬件逻辑代码，属于硬件逻辑复制；串口6是115200波特率的低速通信串口，对应数据采集板的485接口。
串口1～5接收到数据后，筛选出模拟量信号、开关量信号和实时控制信号，其中模拟量信号和开关量信号送到FPGA处理器的数据缓存，实时控制信号送到主控板接口。
数据缓存在FPGA里分为实时缓存和故障缓存，实时缓存只记录当前收到的数据，每收到一组新数据就刷新一下；而故障缓存则是缓存了故障前10秒(500组)数据和故障后5秒(250组)数据，数据通过先进先出方式保存，缓存分辨率为20毫秒。故障缓存使用了FPGA处理器自带的RAM块构建环形数据缓冲区，当收到串口6(数据采集板的485接口)收到数据转换板发出的故障命令，环形数据缓冲区停止更新，并可读取故障缓存数据。
串口6(数据采集板的485接口)作为外界设备访问数据采集板缓存的桥梁，串口6(数据采集板的485接口)连接数据转换板；正常运行状态下串口6(数据采集板的485接口)只访问实时缓存，读取实时运行数据发给数据转换板，当串口6收到数据转换板送来的故障命令后，串口6访问故障数据缓存，读取故障前10秒和故障后5秒的数据，并转发给数据转换板。
高压变频器正常工作向故障状态的跳转：
1、在正常工作状态下，主控板向高压功率单元发送控制信号，控制高压功率单元工作，高压功率单元通过光纤发送数据给数据采集板，数据采集板分发信号给回主控板和数据转换板；
2、故障检测有多个检测点，包括单元控制板报故障、主控板报故障和数据转换板报故障，这些故障最后汇集送到数据转换板，数据转换板通过485接口实时发送故障命令给数据采集板，并停止故障缓存的刷新，并发送故障前10秒后5秒的故障数据给数据转换板，方便工作人员排查故障。
图6是图5算法中串口的基本硬件逻辑：
串行信号通过IO口输入，先经过数字抗干扰滤波，把上升沿和下降沿的震荡脉冲剪切掉，保证信号干净；
滤波后的信号进入波特率时钟边缘捕捉和波特率时钟同步模块，在这里每接收一帧信号都进行一次波特率时钟对齐，消除串口通信时钟误差积累；
经过字节计数、数据帧计数完成接收，等待下一帧信号到来；
串口接收到的信号保存至缓存，串口逻辑读取缓存并对缓存里面的数据进行校验/命令判别，如有故障命令则对实时缓存和故障缓存分类
串口工作在半双工模式，串口每收到一帧信号便会返回一帧信号作为应答，当接收的时候不发送数据；
串口在发送状态经过字节计数、数据帧计数完成一帧的发送。
本发明以上实施例的单元控制板的输出采用高速通信电路和高速光纤接口，通信速度快，数据传输量高；数据转换板是对主控板功能的补充，在主控板不重新设计的情况下，扩展了主控板的通信能力和模拟信号处理能力。
本发明以上实施例的通信方法解决了高压变频器实时数据信号采集的难题。使用6片FPGA处理器组成的6个数据采集板，对三相共27个级联单元进行实时状态数据采集，可以采用星形连接或三角形连接，78微秒低延时2Mbps通信速率；内建数字滤波器/数据缓存，具备强抗干扰能力，用较低成本达到较高通信质量。
本发明以上实施例的基于FPGA技术的多串口实时通信方法，可以通过PLC的触摸屏在线查看每一个高压功率单元的运行状态，***更加智能化，极大地提高了工作效率，减轻了现场工作人员的负担。

Claims (4)

1.一种高压变频器功率单元的通信方法，包括主控板和多块功率单元的单元控制板，单元控制板包括PWM核心电路、驱动和反馈电路、信息采集电路、光纤输入接口和光纤输出接口，驱动和反馈电路、信息采集电路、光纤输入接口和光纤输出接口分别与PWM核心电路连接；单元控制板通过光纤输入接口与主控板通信连接，接收主控板的控制信号；其特征在于，包括数据转换板和数据采集板，主控板与数据转换板通信连接；数据转换板与数据采集板通信连接；单元控制板包括高速通信电路、所述的光纤输出接口为高速光纤接口，光纤输出接口通过高速通信电路与PWM核心电路连接；单元控制板的光纤输出接口与数据采集板的光纤输入接口连接；在工作状态下，主控板向单元控制板发送控制信号控制功率单元工作，单元控制板发送数据给数据采集板，数据采集板分发信号给主控板和数据转换板；在故障状态下，无论是单元控制板报故障、主控板报故障或数据转换板报故障，报故障的信息汇集送到数据转换板，数据转换板实时发送故障命令给数据采集板，控制数据采集板进行故障处理；数据采集板包括多个所述的光纤输入接口，数据采集板的光纤输入接口作为串口，工作时包括以下步骤：
101）串行信号通过IO口输入，先经过数字抗干扰滤波，把上升沿和下降沿的震荡脉冲剪切掉，保证信号干净；
102）滤波后的信号进入波特率时钟边缘捕捉和波特率时钟同步模块，每接收一帧信号都进行一次波特率时钟对齐，消除串口通信时钟误差积累；
103）经过字节计数、数据帧计数完成接收，等待下一帧信号到来；
104）串口接收到的信号保存至缓存，串口逻辑读取缓存并对缓存里面的数据进行校验/命令判别，如有故障命令则对实时缓存和故障缓存分类；
105）串口工作在半双工模式，串口每收到一帧信号便会返回一帧信号作为应答，当接收的时候不发送数据；
106）串口在发送状态经过字节计数、数据帧计数完成一帧的发送。
2.根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于，数据转换板包括DSP处理器、模拟信号采集接口、模拟信号输出接口、第一485接口和第二485接口；模拟信号采集接口、模拟信号输出接口、第一485接口和第二485接口分别接DSP处理器；数据采集板包括FPGA处理器、多个光纤输出接口、主板接口和第三485接口，光纤输入接口、主板接口和第三485接口分别接FPGA处理器；光纤输出接口内接主板接口的控制信号转接引脚，外接单元控制板的光纤输入接口；数据转换板的第一485接口与数据采集板的第三485接口通信连接，第二485接口与主控板的485接口及高压变频器的PLC控制器通信连接；数据转换板的模拟信号输出接口与主控板的模拟量输入接口通信连接，模拟信号采集接口与高压变频器的电压电流采集板通信连接。
3.根据权利要求2所述的通信方法，其特征在于，数据采集板的FPGA处理器包括实时数据缓存和故障数据缓存，数据采集板的第三485接口收到数据转换板送来的故障命令后，故障数据缓存停止更新，第三485接口读取故障前和故障后的数据，并将故障数据转发给数据转换板。
4.根据权利要求2所述的通信方法，其特征在于，数据采集板的光纤输入接口接收到数据后，筛选出模拟量信号、开关量信号和实时控制信号，其中模拟量信号和开关量信号送到数据采集板FPGA处理器的数据缓存，实时控制信号送到主控板接口。
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基于DSP与FPGA的级联型高压变频器的研究与实现;叶云洋;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技》(第01(2014)期);第I135-567页 *
超高压线路故障行波定位及高压变频技术研究;王志华;《中国优秀博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》(第06(2005)期);第C042-18页 *

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