浅析电力电子集成系统控制及其通讯系统

摘 要：近些年来，半导体设备、材料以及相关的关键技术均取得了很大的发展，这使得电力电子系统不论是性能、结构上，还是成本上都有着非常明显的提高。随着工业生产对电力电子系统要求的不断提升，智能电力电子模块逐渐成为研究重点。本文对智能电力电子模块PEBB（PowerElectronicBuildingBlock）进行了系统的分析与研究，并给出了系统的通信协议。

关键词：电力电子模块；硬件管理器；应用管理器

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 06-0032-01

随着工业水平的不断提高，电力能源的消耗已经逐渐引起人们的注意。现如今各种类型的电力电子设备已经应用于电力系统的方方面面，通过电力技术来控制电能的传输与使用，尽可能的减少电能浪费是当前一个非常重要的研究课题。PEBB概念的提出，使得电力电子系统从集成度、性能以及成本等方面有了明确的发展方向。为了进一步的提高PEBB模块的适用性，有关研究人员基于计算机通用体系提出了使用PNP（PlugandPlay）来架构来实现PEBB。PEBB实际上是一个集成电源处理部件或者模块的电力电子组块，通过其内部的通讯模块来测量接入模块的具体单元，再通过其内部的功率模块输出相应的控制信号。所以本文既需要对集成系统进行研究，同时对系统的通讯体系进行相应的分析。

一、分布式控制设计

硬件管理器在系统中所起的主要作用就是控制并实时监控通信接口以及功率模块的运行情况，实现信息以及功率两种信号的成功传输。为了能够进一步的提高硬件管理器的适用性及其性能，本文硬件管理器的设计是基于相臂原理进行的。基于相臂的硬件管理器与应用管理器之间实时通信所传递的控制变量信息是：占空比、同步信号、状态信号、相臂电压及电流，二者通讯时所需要的带宽可以通过公式 ，其中 是采样周期与传输时间的比率， 是采样频率， 是传输数据的表示位数， 是系统中硬件管理器的个数。

二、基于相臂的硬件管理器设计

基于相臂设计硬件管理器的主要考虑因素就是既要保证系统运行过程中的灵活性，同时也要使得系统进行控制与通信的过程更为简化。本文所设计基于相臂的硬件管理器其结构组成为：1个双向的光线通信接口，主要是接受应用管理器的驱动信息，同时向上层反馈运行状态；可以测量电压以及电流的传感器；4个被隔离开的IGBT门级驱动，主要对主功率管驱动，还可以辅助功率管；2个用于转换传感器模拟信号的A/D转换器，把这些信号转换成系统可以识别的数字信号。

干扰是电路设计过程中非常重要的研究内容，我们不仅仅要研究干扰是如何形成的，还要研究干扰的影响途径是什么。对于PEBB模块而言，最容易受到干扰的部分就是控制芯片，也就是DSP与PLD。实际设计印刷电路板时，一定要将最易受干扰的控制芯片尽可能的远离主要干扰源，如变压器、开关管等。同时控制芯片的供电电路一定要配置去耦电容，保证所有与芯片直接联系的控制信号均与去耦电容共用一个地，只有这样设计才能够尽可能的实现去耦目标。

三、应用管理器设计

硬件管理器的操作对象是系统底层硬件，而应用管理器在系统中主要承担的是控制算法以及控制逻辑。本文设计的应用管理器结构上主要由三部分组成：DSP芯片，PLD逻辑器件以及光线网络通讯接口。其中使用的DSP芯片是ADSP21062，之所以使用这种芯片，是为了提高应用管理器的计算量。在EPLD中使用MAXPLUSII来实现通讯管理器的设计。在实际任务执行中，应用管理器的运行流程是：

实现应用管理器DSP对硬件管理器的控制是通过中断服务程序来执行的，一旦测量到SYNC中信号量变大，那么DSP就开始执行中断操作。当中断服务程序开始执行时，DSP就会通过16位的数据总线DB[15..0]来读取PLD的输入寄存器，并使用相应的控制算法进行运算，最后将得到的计算结构转换为控制程序，再输入至PLD的输出寄存器中。

四、分布式系统上层网络设计

对于分布式电力电子系统而言，DC/DC、DC/AC、AC/AC变流器普遍并行分布于大规模自动控制系统的直流母线中，这些变流器相互配合执行一系列操作任务。为了进一步提高系统运行稳定性，实现变流器之间的顺畅通信，必须在系统最上层构建完善的通讯网络，以将系统中的变流器连接在系统级的分布式控制体系中，以太网技术为这种通讯网络提供了解决方案。具体通讯网络协议如下：

（一）数据包字节长度可变。不定长度的数据包与固定长度的数据包之间最大的区别就在于地址域的不同。长度可变数据包的地址域被分为两部分，目标地址与源地址，这种设计可以将已有系统扩展成多系统。此外，长度可变数据包中的数据域也是可以调节的。

（二）带有令牌的多主结构。在控制算法的约束下实现不同节点之间的数据传输。主节点执行传输数据操作，需要事先接收到数据时序传输的令牌，当一段数据传输完成之后，这个令牌自动传递至下一节点。同时还要对主节点控制令牌时限进行设置，以保证数据传输过程的有效性以及时序性。

上述对智能电力电子的硬件管理器以及应用管理器设计进行了简单的论述，同时给出了系统网络通讯设计方案。该论文所设计的集成系统已经通过实践验证，接下来的主要工作方向就是进一步的提高系统容错能力，以提高系统运行稳定性。同时，系统的通用性以及系统运算速度也是今后工作的主要研究内容。智能电力电子集成系统所涉及的学科领域非常之广，相关辅助学科也需要在今后的工作中不断完善。

参考文献：

[1]P.LG.MalaPelle，G.Torri，R.Moruzzi，andA.Oliva，“Anew，Modular，Programmable，HighSpeedDigitalControlforLargeDrives，”IEEEIECON20thInternationalConferenceonIndustrialElectronics，ControlandInstrumentation，1994；vol.1，pp.210-214.

[2]杨旭，陈文洁，王兆安.开关电源用电力电子集成模块的研究[J].电力电子技术，Vol.37，No.2.2003.

[3]KevinT.Kornegay，“DesignIssuesinPowerElectronicBuildingBlock（PEBB）SystemIntegration”，Proc.IEEE-APEC’96Conf.pp.181-186.