一种风电变流器的高精度时间同步控制系统的制作方法

本发明涉及一种风电变流器的高精度时间同步采样控制系统。

背景技术：

目前，传统的变流器的控制系统一般是基于印刷电路板的dsp(digitalsignalprocessor)加fpga(fieldprogrammablegatearray)的架构。这样的架构在海上这种盐雾腐蚀高、海浪载荷大、海冰冲撞频繁的恶劣工况下，出现各种硬件和电气故障的概率大大增加。由于海上风机的维修成本非常高，所以可靠性在这种构架的变流器的控制系统的研发中要求是非常高的。

名称为《一种基于可编程的风电变流器》的技术文献公开的技术方案实现的仅仅是通过powerlink总线来实现各个模块之间的通信，即各个控制单元之间仅仅通过powerlink总线实现通信，最快的通信周期是200微秒，但是不能保证控制执行时发生抖动，因而不能保证各个模块之间控制的高精度时间同步。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：各个控制模块的通信后的控制抖动。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种风电变流器的高精度时间同步控制系统，包括上位机及n个控制模块，上位机发出的数据帧从第一个控制模块开始依序转发至第n个控制模块，第n个控制模块依序将反馈的数据帧转发至上一个控制模块直至转发至上位机，其特征在于，每个控制模块包括采样模块、fpga芯片和控制输出模块，其中：

采样模块用于对外接的多个传感器进行采样，并将采样得到的数据发送给fpga芯片；

fpga芯片上搭建了高精度时间同步算法模块、risc软核及低通滤波器，openpowerlink协议栈运行在risc软核上，高精度时间同步算法模块和openpowerlink协议栈通过工业网线与上位机及其他控制模块相连实现实时数据通信；采样模块采样得到的数据经低通滤波器滤波后发送给risc软核，再由高精度时间同步算法模块和openpowerlink协议栈通过工业网线上传至其他控制模块或上位机；第n个控制模块的高精度时间同步算法模块利用延迟tdelay(n)对时本地时钟tcn(n)，以本地时钟tcn(n)为基准来作为第n个控制模块的的执行时钟标准，从而将整个网络进行同步，n＝1,2,……,n，则有：

tcn(n)＝tref-tdelay(n)

式中，δt1＝t4-t1，t4表示第1个控制模块接收到第2个控制模块反馈的数据帧的时刻，t1表示第1个控制模块接收到上位机发出的数据帧的时刻；δtn＝t2(n)-t3(n)，t2(n)表示第n个控制模块接收到第n-1个控制模块转发的数据帧的时刻，t3(n)表示第n个控制模块接收到第n+1个控制模块转发的数据帧的时刻；tref表示参考时间；

控制输出模块通过fpga算法实现pwm的控制计算，用光电转换芯片实现电信号到光信号的转换，从而对igbt桥臂的开通和关断进行控制。

优选地，所述fpga芯片外接有存储芯片ddr3和rs232串口芯片，用于存储通信中的过程数据和所述risc软核运行的缓存数据。

优选地，所述采样模块采用多个ad芯片实现。

优选地，所述fpga芯片具有pwm计算输出、死区补偿和窄脉冲滤波功能。

优选地，每个所述控制模块的所述risc软核上以及在所述第一个控制模块和所述上位机之间分别设置看门狗校验，保证通信内容数据可靠准确。

优选地，所述上位机与所述第一个控制模块之间通过主通信通路实现全双工通信。

优选地，所述上位机与所述第n个控制模块之间通过备用通信通路相连。

优选地，所述控制模块每m个通信周期重新计算并更新所述本地时钟。

优选地，在对时所述本地时钟tcn(n)时，利用准确的全球时钟进行计算。

本发明主要是解决各个控制模块的通信后的控制抖动，保证各个模块控制抖动在纳秒级别，实现高精度时间同步控制系统，并且将采样计算输出的功能都集成到一个系统中，在通信性能和稳定性的提升后，简化了控制的算法和控制难度。

因为有在fpga中实习了高精度的时间同步算法，本发明相对于现有技术具有保证各个控制模块之间的抖动在40纳秒左右的优点，在200微秒的通信周期下，可以稳定长时间运行。

附图说明

图1为实施例1及2中公开的控制模块的电路原理图；

图2为实施例1及2中公开的系统的原理框图；

图3为实施例1中公开的系统的原理框图；

图4为对时计算原理图；

图5为实施例2中公开的系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下实施例1及实施例2中所使用到的控制模块的电路均如图1所示，包括采样模块、fpga芯片和控制输出模块。

使用fpga芯片为主控芯片，实现采样控制通信的功能，所有驱动程序由fpga实现。fpga芯片上搭建了risc软核及高精度时间同步算法模块，并通过可编程逻辑器件实现低通数字滤波器。openpowerlink协议栈运行在risc软核上，做到了一块芯片的并行和顺序控制，即soc片上系统。

采样模块采用多个ad芯片实现，采样模块对外部接若干电流传感器，由电流传感器对风电变流器的工作电流进行采样。采样模块采集到的电流数据送至低通数字滤波器，由低通数字滤波器完成对采样得到的数据的滤波后，将数据发送给risc软核，再由高精度时间同步算法模块传输到plc上位机或上一个控制模块。

高精度时间同步算法模块和openpowerlink协议栈通过工业网线与plc上位机及其他控制模块相连实现实时数据通信。

fpga芯片外接有存储芯片ddr3和rs232串口芯片，存储芯片ddr3中存储有通信中的过程数据和risc软核运行的缓存数据。

控制输出模块通过fpga算法实现pwm的控制计算，用光电转换芯片实现电信号到光信号的转换，以实现对igbt桥臂开通和关断的控制。

fpga芯片与控制输出模块相连，fpga芯片具有pwm计算输出、死区补偿和窄脉冲滤波功能。

上述采样模块、控制输出模块之间通过risc软核及axi4-lite总线进行通信。

如图2所示，n个图1所示的控制模块组成了风电变流器的高精度时间同步控制系统，该高精度时间同步控制系统外接plc上位机。由于增加了高精度时间同步算法模块，因此在不同的控制模块之间，可以通过fpga的技术方案，做到各个控制模块之间的时间抖动在100纳秒以内，大大减小了实际应用中产生的环流问题，因而在保证了通信同步性高的情况下，可以把控制部分的补偿和一些复杂的算法去掉，简化系统的控制算法，降低了控制难度，提升了控制效果和响应性能。以下以4个控制模块组成的高精度时间同步控制系统为例来进一步说明本发明。

实施例1

如图3所示的高精度时间同步控制系统由4个控制模块cn1、cn2、cn3、cn3组成，沿plc上位机输出的数据帧转发的时间先后顺序，依序将四个控制模块分别定义为第一控制模块cn1、第二控制模块cn2、第三控制模块cn3及第四控制模块cn4。同时，第四控制模块cn4反馈的数据帧依序经由第三控制模块cn3、第二控制模块cn2及第一控制模块cn1上传至plc上位机。在每个控制模块的risc软核上以及第一控制模块cn1和plc上位机之间分别设置看门狗校验，保证通信内容数据可靠准确。

在高精度时间同步算法模块上，是由各个高精度时间同步算法模块计算本地时间，并将线路延迟、硬件差异、传递延迟都计算进去，形成一个代码数值，以这个数值为基准来作为各个高精度时间同步算法模块的执行时钟标准，并且会每10个通信周期重新计算并更新代码数值，即通信周期的200微秒。还可以根据芯片资源和性能需求来更改重新计算的时间周期，上代替方案还可以是xilinx的zynq，或者是其他fpga类芯片。并且在同步各个控制模块的时钟的时候，还可以写入plc上位机传过来的绝对时间，误差可以控制在毫秒级别。

具体而言，上电时各个控制模块就开始本地时钟计数。第一控制模块cn1收到plc上位机下发的数据帧为t1时刻，并将时刻t1加到与第二控制模块cn2进行通信的通信数据帧之中。通信数据帧预留32位、4个字节存放时间参数。第二控制模块cn2收到第一控制模块cn1下发的通信数据帧为t2(2)时刻，并将时刻加到与第三控制模块cn3进行通信的通信数据帧之中，依次类推，直至数据帧被第四控制模块cn4所接收。

因为以太网物理芯片采用全双工的模式，可以同时接收和发送数据帧，在每个控制模块上有两个以太网物理芯片，里面有内置的协议栈转发机制。

第四控制模块cn4接收到数据帧后，产生反馈数据帧，第四控制模块cn4向第三控制模块cn3发送反馈数据帧的时刻为t3(4)。与上文相类似，并第四控制模块cn4将时刻t3(4)加到与第三控制模块cn3进行通信的反馈数据帧之中。反馈数据帧预留32位、4个字节存放时间参数。依次类推，直至反馈数据帧被第一控制模块cn1上传至plc上位机。第一控制模块cn1向plc上位机反馈数据帧的时刻为t4。可以利用准确的全球时钟来获得上述时刻，使得误差级别在毫秒级别。

结合图4，第n控制模块cnn，n＝1,2,3,4，在获得接收到自第n-1控制模块下传的数据帧的时刻t2(n)以及接收到自第n+1控制模块上传的数据帧的时刻t3(n)后就可以求得传输和转发的延迟tdelay(n)，测得延迟tdelay(n)之后，作为矫正本地时钟tcn(n)的参数，每个控制模块将全局时钟存在时间寄存器中，作为整个网络的同步参考时钟tref。在将本地时钟tcn(n)写入寄存器时，把延迟tdelay(n)做调整依据修正tcn(n)，就可以将整个网络进行同步：tcn(n)＝tref-tdelay(n)。并且这个对时机制可以由用户根据自身需求来定制。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于：实施例1的高精度时间同步控制系统中，plc上位机只有一条向外的网络通路，与第一控制模块cn1相连。本实施例中的plc上位机有两条向外的网络通路，分别与第一控制模块cn1、第四控制模块cn4相连。与第四控制模块cn4相连的网络通路为冗余环网方案。当与第一控制模块cn1相连的网络通路出现中断时，可以启用备用冗余方案，与此同时，各个控制模块的节点号和参考时钟也会做相应变动，首尾依次改变结点号。