一种并联型电子电力变换器的通信载波控制方法与系统与流程

本发明涉及电力电子领域，特别是涉及一种通信和载波同步功能复用系统和复用方法。

背景技术：

电力电子变换器通常会采用模块并联的形式,来满足容错和不同等级的功率需求。并联模块之间通常使用通信总线进行模块到监控，或模块与模块之间的数据交换。受初始条件和时钟电路误差的影响，各个模块在载波相位上的不一致，会在变换器模块之间产生高频环流，引起模块过流，电能质量降低、效率下降等问题，或者由于高频纹波不能以固定相位交错而进行叠加抵消，限制了指标的进一步提升。

目前电力电子变换器基本都是采用数字芯片(dsp、arm等)进行控制，这些芯片内部集成了pwm模块和同步信号机制。为了能在模块间实现长距离、抗干扰能力强的载波信号同步，通常采用差分通信线路或光纤，将主模块的同步脉冲，传输给从机模块，从机的pwm模块接收高频同步脉冲后，经本机的载波计数值初始化为预设值，从而达到所有并联模块载波相位同步的目的。为此，并联系统在通信总线之外，往往需要额外增加一条通信线路，专门用于高频同步信号的传输，额外增加系统的复杂度，提高产品成本。

pwm的失步，其根本原因在于晶振器件的频率误差，晶振源的精度决定时钟的计时准确度。当控制芯片主频配置100mhz，若采用的晶振的精度为20ppm(百万分之一)。那么控制芯片主频的频率误差为20/1,000,000*100mhz＝2khz。设变流模块功率器件开关频率为2.5khz。按照对称的三角载波，其周期寄存器计数值应为100mhz/2.5khz/2＝20000。最恶劣的情况下，控制芯片的载波从同步到完全失步(载波之间相位差180度)的时间为20k/2k＝10s。如果每100ms执行一次高频同步，则模块间的pwm相位最大失步角度为180/100＝1.8度，失步率为1％。通过以上分析可见，pwm模块的计数器，并不一定需要每个周期都同步一次。通信总线根据以一定的时间间隔进行通信和pwm高频信号的复用，可显著降低系统复杂度，节约系统成本。

现有技术cn105978554b的同步机制是各模块的同步电路，通过总线连接。所有模块根据总线上的同步信号，调整自身pwm相位，以达到载波同步的目的。该方法中总线仅用于高频同步，不能再用于模块间的数据通信。

现有技术cn104950765b的同步机制是通过将主机的can时钟计数，以数据帧的形式发送到各从机模块，各模块再将自身的计数与之比较，用对应的技术差值，调整各自pwm载波计数器的相位，使之与主模块实现同步。该方法中在计算本机载波周期误差值时，仅计算主机计数值与本机计数值，未考虑数据帧的传输延时的影响，将引入新的同步误差；并且用于高频同步的数据帧基本将总线完全占满，在总线波特率有限的情况下，不适合较高的开关频率。且总线不能再用于数据通信。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种并联型电子电力变换器的通信载波控制方法。

为此，本发明提供的方法适用于多个并联的电子电力变换器单元，多个电子电力变换器单元中其中一个单元为主机，其余为从机，所述控制方法通过通信与同步复用总线、各电子电力变换器单元的mcu、及连接各电子电力变换器单元与通信与同步复用总线的多个分时复用模块实现；

所述电子电力变换器单元的mcu上设有通信模式和载波同步模式；

所述分时复用模块用于在通信模式和载波同步模式之间进行总线复用连接方式切换；

所述控制方法还包括主机的工作流程和各从机的工作流程；

所述主机的工作流程包括：

步骤1.1、主机处于通信模式，且载波同步周期设定时间到，主机向总线发送载波同步使能命令，并停止通信数据的发送；

步骤1.2、主机延时t1时间，等待各从机接收载波同步使能命令并解析，各从机进入载波同步模式；t1时长满足载波同步使能命令数据的通讯延时与各从机对该命令的解析延时需要；

步骤1.3、将主机的分时复用模块从通信模式切换到载波同步模式，主机发送pwm同步信号并通过总线传送至各从机；

步骤1.4、主机延时t3时间，等待各从机的状态转为通信模式；所述t3时长至少维持两个pwm周期；

步骤1.5、将主机的分时复用模块切换到通信模式，主机状态转换为通信模式；

所述各从机的工作流程包括：

步骤2.1、从机接收到主机发送的载波同步使能命令，停止通信数据的发送或接收；

步骤2.2、将从机的分时复用模块切换到载波同步模式；

步骤2.3、从机延时t2时间或读取本机pwm模块的高频同步标志位，等待或确认本机pwm模块与主机完成同步；t2至少为两个pwm周期；

步骤2.4、将从机的分时复用模块切换到数据通信模式，本机状态转换为通信模式。

可选的，所述电子电力变换器单元的mcu为电源模块的mcu。

同时本发明提供了一种并联型电子电力变换器的通信载波控制系统，所提供的该控制系统适用于多个并联的电子电力变换器单元，多个电子电力变换器单元中其中一个单元为主机，其余为从机，所述控制系统包括通信与同步复用总线、各电子电力变换器单元的mcu、和连接电子电力变换器单元的mcu与通信与同步复用总线的多个分时复用模块；

所述电子电力变换器单元的mcu上设有通信模式和载波同步模式；

所述分时复用模块用于在通信模式和载波同步模式之间进行切换。

可选的，所述分时复用模块采用单刀双掷开关。

可选的，所述电子电力变换器单元的mcu上设有通信模式功能接口和载波同步模式功能接口，所述分时复用模块采用由电子电力变换器单元的mcu的io口控制的单刀双掷开关。

可选的，所述电子电力变换器单元的mcu为电源模块的mcu。

针对现有硬件同步方案需要单独的同步信号传输线路,导致增加系统成本的问题,本发明通过通信线路进行分时功能复用的方法,无需新增信号收发芯片和线路,简化了系统结构,降低了系统成本。

针对现有的软件同步方案要求的传输速率高、数据收发响应速度快、中断开销大的缺点,本发明直接使用控制芯片的硬件同步机制，软件仅需要处理状态切换的时序，实时性要求低，开销小，同时降低了软件复杂度。

本发明的mcu通过器件和线路分时复用，实现通信功能和通信功能的分时复用系统；同时通过时序和电源模块工作模式的切换，实现通信功能和通信功能的分时复用方法。

附图说明

图1为本发明的通信与载波同步功能复用的原理框图；

图2为本发明的总线信号时序图。

具体实施方式

除非另有说明，本文中的术语和方法根据相关领域普通技术人员的认识理解或已有的相关方法实现。

本文所述载波同步使能命令为包含通信模式命令或载波同步模式命令的帧数据，也可理解为是事先定义好的帧数据，比如用0x00作为帧头的数据，作为通信内容，而0x01作为帧头的数据，就作为同步使能命令帧(同步使能帧)。所述解析，如当从机接收到0x01作为帧头的数据，则将本机状态从通信模式转换到载波同步模式，如果收到的是0x00作为帧头的数据，则本机模式为通信模式，这就完成了一次解析过程。

适用于本发明的电子电力变换器单元的mcu或电源模块mcu具有芯片间高频同步机制的mcu，比如ti的c2000系列mcu。

适用于本发明的通信与同步复用总线为全双工或半双工差分通信电路，比如can、rs-485,光纤通信等。

本发明分时复用模块在流程中参与总线与mcu通信接口和高频同步接口的电路切换，当主机(从机)处于通信模式时，通过分时复用模块中的开关，将总线与mcu的通信端口连接；当主机(从机)处于同步模式时，通过分时复用模块中的开关，将总线与mcu的高频同步接口连接。进一步mcu通过io口控制分时复用模块中的开关，将总线与mcu的通信端口连接；mcu通过io口控制分时复用模块中的开关，将总线与mcu的高频同步接口连接。

本发明分时复用模块可以采用单刀双掷开关；更进一步可采用两个由电子电力变换器的mcu的io口控制的单刀双掷开关，用来将mcu的通信引脚和高频同步引脚与can收发器进行连接。可使用模拟选通器或者可编程器件(cpld、fpga)来实现。比如，用一个用模拟选通芯片ch440e来实现。

具体方案中根据可系统对失步率的要求设置载波同步模式周期长短，例如数百毫秒。

实施例：

参考图1和2所示，本实施例的n台并联电子电力变换器单元(或n个电源模块)，n台电子电力变换器单元或n个电源模块中存在一台主机，其通过指定或竞争的方式主动控制总线状态的电源模块，主机以外为从机；其通信载波控制系统包括各电子电力变换器单元的控制器mcu、通信与同步复用总线、连接各mcu与通信与同步复用总线的n个分时复用模块；

该实施例的通信与同步复用总线选用can总线，n台电子电力变换器单元均通过分时复用模块及can收发器与总线连接；

该实施例的各电力变换器单元控制器mcu型号为ti的c2000系列mcu；电子电力变换器单元控制器mcu上设can发送引脚can_tx、同步信号输出引脚syco、can接收引脚can_rx和同步信号输输入引脚syci；通过分时复用模块，将can发送引脚can_tx与同步信号输出引脚syco进行分时复用，将can接收引脚can_rx与同步信号输输入引脚syci进行分时复用；

该实施例的分时复用模块采用单刀双掷开关，其由mcu的io口进行控制；

主机工作流程为：

步骤1、主机通信模式下，载波同步周期设定时间到，主机向总线发送载波同步使能命令，并停止数据帧的发送；

步骤2、延时t1时间，等待从机接收载波同步命令并解析，各从机进入载波同步模式；t1满足命令数据的通讯延时与从机对该命令的解析延时需要；

步骤3、切换io口电平，将分时复用模块从通信模式切换到载波同步模式,此时开关1将syco与di端口连通,开关2将syci与d0端口连通，主机给各从机发送pwm同步信号，此时主机的pwm同步信号，通过总线传送至各从机模块；

步骤4、延时t3时间，等待从机的状态转为通信模式；t3时长至少维持两个pwm周期；

步骤5、切换io口电平，将分时复用模块切换到通信模式,此时开关1将can_tx与di端口连通,开关2将can_rx与d0端口连通，主机状态转换为通信模式。

各从机的工作流程为：

步骤(1)：接收到主机发送的载波同步命令，停止通信数据的发送或接收；

步骤(2)：切换io口电平，将分时复用模块切换到载波同步模式,此时开关1将syco与di端口连通,开关2将syci与d0端口连通；

步骤(3)：从机延时t2时间或读取本机pwm模块的高频同步标志位，等待或确认本机pwm模块与主机完成同步；t2至少为两个pwm周期；

步骤(4)：切换io口电平，将分时复用模块切换到通信模式,此时开关1将can_tx与di端口连通,开关2将can_rx与d0端口连通，本从机状态转换为通信模式。