本發(fā)明涉及工業(yè)總線通訊技術，適用于大功率交流電機調速領域，具體為一種驅動器多機并聯(lián)系統(tǒng)下的通訊機制的實現(xiàn)方法。

背景技術：

目前在驅動器多機并聯(lián)系統(tǒng)中，模塊在控制功能上具有主、從之分。為了實現(xiàn)在一個電流環(huán)控制周期內完成主/從模塊的數(shù)據(jù)交互，需要使用高速的物理層收發(fā)器和以及不同于傳統(tǒng)總線的CSMA/CD的通訊交互方法。

中國發(fā)明專利CN1745546A《以太網信息的網絡耦合器、網絡及數(shù)據(jù)處理方法》提供了一種適用于以太網網絡及數(shù)據(jù)的處理方法，該方法比一般以太網通訊總線報文利用率要高，但對于驅動器多機并聯(lián)通訊的應用存在以下問題：節(jié)點數(shù)越多，通訊網絡延時越大，主節(jié)點沒有辦法通過總線通訊保證并聯(lián)控制的同步性；通訊的總線報文格式協(xié)議較復雜，需要專用的ASIC芯片實現(xiàn)，開發(fā)成本高。

中國發(fā)明專利申請CN103916187A《大容量電力電子系統(tǒng)高速光纖環(huán)網通信網絡控制拓撲》提出電力電子系統(tǒng)光纖環(huán)網拓撲通訊機制，含有同步信號通訊網絡，同步信號作為控制參與并聯(lián)的各個模塊PWM載波的關鍵信號。此申請的技術方案中同步信號只是通過簡單的邏輯“非”處理，沒有可靠的冗余控制機制，特別是主節(jié)點鏈接的第一個從節(jié)點的通訊信號斷線或異常時，整個網絡的同步性都收到影響，各個模塊系統(tǒng)通訊和逆變器控制器不一定能保證可靠工作。申請CN103916187A雖然提出了在通訊系統(tǒng)中增加故障信號網絡，但這僅僅是報警通知功能，系統(tǒng)中的主機并不知道系統(tǒng)中的哪臺從機發(fā)生了報警，無法有效的診斷故障，實用性低。另外申請CN103916187A提出的主節(jié)點和從節(jié)點的數(shù)據(jù)交互方式還存在總線報文利用率低的問題：本發(fā)明研究發(fā)現(xiàn)可以省去開關機網絡，將開關控制信號通過總線命令中通過一個位來標識。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是：現(xiàn)有技術對驅動器多機并聯(lián)系統(tǒng)的通訊處理方法存在開發(fā)成本高，復雜度高，效率低的問題。

本發(fā)明的技術方案為：一種并聯(lián)驅動系統(tǒng)的通訊方法，用于伺服驅動器多機并聯(lián)的光纖通訊網絡，網絡包含一個主節(jié)點和N個從節(jié)點，各節(jié)點對應一臺伺服驅動器，主節(jié)點和從節(jié)點的通訊網絡端口及同步信號端口逐級連接，通訊傳輸非實時性的報文和實時性的同步信號，主節(jié)點發(fā)出總線報文逐級傳輸給各從節(jié)點，各從節(jié)點在總線報文中提取主節(jié)點的控制信號并插入自身的反饋報文，所述反饋報文包括電流和報警信息，報文傳輸直至最后一個從節(jié)點，即網絡終端節(jié)點，網絡終端節(jié)點將包含各從節(jié)點反饋報文信息的網絡終端報文返回給主節(jié)點。

進一步的，并聯(lián)驅動系統(tǒng)上電時，主節(jié)點和從節(jié)點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都進行復位，復位穩(wěn)定后，每個從節(jié)點進行網絡終端自識別，自識別完成后主節(jié)點對通訊中的各從節(jié)點進行通訊地址分配，實現(xiàn)通訊網絡的初始化，當網絡初始化完畢，并聯(lián)驅動系統(tǒng)進入并聯(lián)工作模式時，主節(jié)點通過網絡終端報文提取從節(jié)點的控制參數(shù)和反饋數(shù)據(jù)，并檢查通訊錯誤或斷線異常，當有通訊錯誤或異常時，主節(jié)點試圖清除相應節(jié)點的錯誤，若無法清除，則報警顯示。

網絡終端自識別的方法為：主節(jié)點通訊網絡端口向外發(fā)送設定的編碼，設定的編碼在從節(jié)點中逐級傳輸，從節(jié)點1～從節(jié)點N的控制器根據(jù)從節(jié)點的通訊網絡端口對編碼的接收情況，判斷出自身的通訊數(shù)據(jù)流向；識別數(shù)據(jù)流向后，從節(jié)點1～從節(jié)點N往各自的上游通訊節(jié)點發(fā)送設定的編碼，如果某從節(jié)點發(fā)現(xiàn)與鏈接下游節(jié)點的通訊網絡端口接收不到任何編碼，則判定自己是網絡終端節(jié)點。

各從節(jié)點進行通訊地址分配通過對一個總線報文的地址幀不斷累加實現(xiàn)，主節(jié)點發(fā)出一個帶有尋址命令的報文，報文中含有一個原始值等于“0”的地址幀，每經過一個從節(jié)點，從節(jié)點將接收的報文中的地址幀的值加1，并將加1后的值設為自身的通訊地址，直至網絡終端節(jié)點，此時地址幀值為N，網絡終端節(jié)點將報文返回給主節(jié)點。

進一步的，主節(jié)點由網絡終端節(jié)點獲得一個帶有尋址命令的報文，報文中地址幀值等于N，即有N個從節(jié)點參與了系統(tǒng)并聯(lián)，主節(jié)點將驅動并聯(lián)系統(tǒng)預先設置的并聯(lián)數(shù)目與獲得從節(jié)點的節(jié)點數(shù)比較，確認數(shù)目是否一致，若不一致則進行報警。

本發(fā)明傳輸同步信號時，同步信號由主節(jié)點發(fā)出，由從節(jié)點1逐級傳遞直至從節(jié)點N，每個從節(jié)點接收上一節(jié)點的同步信號，并對上一節(jié)點的同步信號變化沿進行應答，每個從節(jié)點給下一節(jié)點發(fā)送同步信號時，亦檢測下一節(jié)點的應答，在同步信號的傳遞過程中，每個節(jié)點都檢測上一節(jié)點發(fā)出同步信號周期是否為PWM的開關頻率T_sw，同時也檢測下一節(jié)點在收到同步信號后是否有應答，通過這樣的機制，檢測同步信號與應答信號的斷線情況。

進一步的，當從節(jié)點m檢測到從節(jié)點m-1發(fā)送同步周期小于Tsw-Tjetter，或超過Tsw+Tjetter的時間沒有同步信號時，Tjetter是同步信號的抖動范圍，從節(jié)點m判斷從節(jié)點m-1傳遞的同步信號異常，1≤m≤N，此時從節(jié)點m的控制器切換為自身產生周期為T_sw的同步信號發(fā)送給后續(xù)節(jié)點，切換點選擇在異常發(fā)生前一刻的同步信號相位，從節(jié)點m將同步異常通過報文反饋給主節(jié)點，主節(jié)點控制整個并聯(lián)系統(tǒng)停止，并顯示報警。

作為優(yōu)選方式，本發(fā)明傳輸同步信號的光纖使用百兆光纖模組或千兆光纖模組，光纖模組采用LVDS電平，每經過一級光纖的物理延時控制在5ns以下。

進一步的，主節(jié)點發(fā)送同步信號的上升沿到從節(jié)點n，1≤n≤N，從節(jié)點n接收到同步信號上升沿，同步信號延時計算如下：

T_delay＝2×nT_phy+nT_logic (1)

T_delay為同步信號延時，T_phy為光纖模組物理層的收發(fā)延時，T_logic為從節(jié)點控制器的邏輯處理延時，在從節(jié)點控制器邏輯模塊產生PWM波時，將同步信號延時帶入到PWM比較器載波計算中，設CMPA是各個從節(jié)點共同的PWM載波值，T_sw是PWM周期，t是PWM載波計時器，t∈[0,T_sw]，從節(jié)點n根據(jù)延時T_delay計算出新的載波值CMPA’，如公式(2)和公式(3)，進行延遲補償：

CMPA’＝CMPA-T_delay當t≤T_sw/2 (2)

CMPA’＝T_sw/2-CMPA-T_delay當T_sw/2<t≤T_sw (3)。

相比專利CN1745546A，本發(fā)明提出的通訊機制有以下優(yōu)點：

1)通訊協(xié)議簡單：專利CN1745546A的通訊協(xié)議是基于標準以太網數(shù)據(jù)幀格式進行改造的，其協(xié)議內容涉及工業(yè)以太網的功能，協(xié)議內容較為復雜。本發(fā)明提出的通訊報文只包含驅動器并聯(lián)控制需要的數(shù)據(jù)內容，簡化了通訊協(xié)議。

2)硬件成本低：為了實現(xiàn)專利CN1745546A中的以太網數(shù)據(jù)耦合的報文幀處理，需要專用的ASIC芯片或大型FPGA以及具有一定運算處理能力的處理器才能完成報文的數(shù)據(jù)提取和插入，整體的開發(fā)成本高。而本發(fā)明提出的通訊機制，包括報文數(shù)據(jù)處理、網絡終端自識別、網絡地址自動分配等功能，只需要中等邏輯的FPGA就可以實現(xiàn)，硬件成本更為低廉。

3)具有精確的同步動作：專利CN1745546A提出的以太網數(shù)據(jù)處理方式，是一種非實時性的通訊機制，由于網絡通訊延時，不能滿足通訊節(jié)點同步動作精度在100ns以內。本發(fā)明針對驅動器多機并聯(lián)的控制同步控制策略，增加了獨立的同步信號通訊網絡，使得通訊系統(tǒng)中的各個節(jié)點統(tǒng)一按照同步信號進行動作，同步精度較高。

相比專利申請CN103916187A，本發(fā)明提出的通訊機制有以下優(yōu)點：

1)通訊網絡結構更簡化：專利CN103916187A的通訊網絡中使用了獨立的光纖用于傳輸故障信號和開機信號，本發(fā)明將此類信號直接通過報文幀的固定位傳輸，降低了硬件成本，簡化了網絡結構。

2)同步控制可靠性高：相對于專利CN103916187A使用一個邏輯門傳輸同步信號，本發(fā)明使用更嚴格方法檢測同步信號和周期和應答，并做冗余控制。從而保證SYNC信號的異常波動或斷線后的1～2個通訊周期內，并聯(lián)系統(tǒng)的各個從節(jié)點使用的內部同步信號基本是同步的，整個并聯(lián)系統(tǒng)的SVPMW載波和電流采樣不會因為同步信號的中斷而發(fā)生崩潰。

3)開關延時補償精確：專利CN103916187A沒有提到針對同步信號傳輸延時的補償方法，本發(fā)明通過網絡地址計算同步信號延時，并將延時帶入PWM波形生成計算中，最大程度的減小了因為同步信號的傳輸延時給并聯(lián)系統(tǒng)控制PWM帶來的延時。

綜上所述，本發(fā)明方法通訊協(xié)議簡單，硬件成本低，實用性高，具有精確的同步動作，通訊網絡結構更簡化，開關延時補償精確，能有效用于并聯(lián)驅動系統(tǒng)的通訊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法總體框圖。

圖2為本發(fā)明方法的控制流程圖。

圖3為本發(fā)明方法下通訊網絡數(shù)據(jù)流向識別方法。

圖4為本發(fā)明方法下通訊網絡終端識別方法。

圖5為本發(fā)明方法下自動尋址流程圖。

圖6為本發(fā)明方法下同步信號的發(fā)送和應答原理。

圖7為本發(fā)明方法下同步信號的冗余控制方案。

圖8為本發(fā)明方法下補償同步延時減小PWM開關延時的方法。

具體實施方式

本發(fā)明公開了適用于伺服驅動器多機并聯(lián)的光纖通訊網絡機制，網絡包含一個主節(jié)點、多個從節(jié)點。主節(jié)點和從節(jié)點之間傳輸非實時性的報文和實時性的同步信號，從節(jié)點在通訊中能夠提取主節(jié)點的控制信號(包含支撐電路控制信號、逆變電路PWM載波比較值等)并插入反饋報文(三相相電流、報警信號和母線電壓)，報文傳輸直至最后一個節(jié)點返回。本發(fā)明的網絡機制，不僅能實現(xiàn)各個并聯(lián)驅動器的開關信號與電流反饋采樣完全同步，還具有智能分配地址、同步控制冗余和網絡終端自識別功能，比一般的光纖環(huán)網更加可靠，智能。

本發(fā)明中，通訊系統(tǒng)具有主節(jié)點和各個從節(jié)點1～N，如圖1中的MASTER和SLAVE1～SLAVE N，每個節(jié)點為一臺驅動器。主節(jié)點1.1有1組同步信號網絡端口PHY4 1.2和1組通訊網絡端口PHY1 1.5。從節(jié)點具有2組同步網絡端口PHY3、PHY4和2組通訊網絡端口PHY0、PHY1。

當多個驅動器處于并聯(lián)運行時，同步網絡端口傳輸SYNC同步信號，用于觸發(fā)PWM載波起始和三相電流采樣。通訊網絡端口用于傳輸主節(jié)點和從節(jié)點的交互信息，主節(jié)點給從節(jié)點的信息包含的SVPWM載波值和其他驅動指令，從節(jié)點1～從節(jié)點N給主節(jié)點的信息包含自身三相電流反饋的采集和報警狀態(tài)。所有的信息交互包含在一次通訊中完成?？偩€報文從主節(jié)點通訊端口PHY1發(fā)出只包含用于控制各個從節(jié)點的SVPWM占空比和驅動指令；當報文在從節(jié)點1接收后，經過從節(jié)點控制器1.3處理，發(fā)送給從節(jié)點2，此時的報文包含了主節(jié)點的控制指令和從節(jié)點1的三相電流反饋值和報警狀態(tài)；報文依次經過各個從節(jié)點，并包含了各個節(jié)點的電流反饋和報警信息。當從節(jié)點N接收到從節(jié)點N-1處理后的報文，由于自身為網絡末端節(jié)點，后續(xù)沒有節(jié)點可以接收報文，故從節(jié)點N將處理后的報文通過控制內部的邏輯開關閉合，將報文返回主節(jié)點。返回主節(jié)點的報文經過從節(jié)點N-1～從節(jié)點1，報文經過各個從節(jié)點不做數(shù)據(jù)處理，最終主節(jié)點將接收到帶有校驗結果的各個從節(jié)點的電流反饋與報警狀態(tài)。

本發(fā)明適用于伺服驅動器多機并聯(lián)的光纖通訊網絡機制，其總體的通訊控制流程如圖2。上電時，主節(jié)點和從節(jié)點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都復位，復位穩(wěn)定后，每個從節(jié)點進行網絡終端自識別，自識別的結果有光纖接口的link燈指示。之后，主節(jié)點通過通訊網絡地址分配功能對通訊中的各個節(jié)點進行通訊地址分配，實現(xiàn)通訊網絡的初始化。當網絡初始化完畢，并聯(lián)系統(tǒng)進入并聯(lián)模式時，主節(jié)點通過通訊方式提供從節(jié)點的控制參數(shù)和反饋數(shù)據(jù)，并檢查通訊錯誤或斷線異常。當有通訊錯誤或異常時，主節(jié)點試圖清除相應節(jié)點的錯誤，若無法清除，則需要報警顯示。

在通訊中，只有通訊網絡終端節(jié)點才能實現(xiàn)報文返回，本發(fā)明提出了一種方法使得網絡終端節(jié)點在上電初始化時，能夠自識別，具體實現(xiàn)方法如下：

主節(jié)點和從節(jié)點上電時，主節(jié)點通訊端口PHY1(1.5)往外發(fā)送設定的編碼，即用戶自行設定的編碼，設定的編碼以脈沖形式持續(xù)發(fā)送一定時間。從節(jié)點1通訊端口PHY0(1.8)一邊接收主節(jié)點發(fā)送的設定的編碼，再將接收的設定的編碼通過通訊端口PHY1(1.9)向從節(jié)點2發(fā)送。

在脈沖群傳遞的過程中，通訊網絡的光纖鏈接是PHY0接收上游節(jié)點，PHY1鏈接下游節(jié)點，則經過一段時間后，PHY0將收到可靠的設定的編碼，而PHY1收到的編碼個數(shù)為零。若通訊網絡的某個從節(jié)點的光纖鏈接是PHY1接收上游節(jié)點，PHY0鏈接下游節(jié)點，則經過一段時間后，該從節(jié)點的PHY1將收到足夠多的設定的編碼，而PHY0收到的設定的編碼個數(shù)為零。從節(jié)點1～從節(jié)點N的控制器1.3根據(jù)以上的接收結果，判斷通訊自身的通訊網絡數(shù)據(jù)流向，如圖3。

識別數(shù)據(jù)流向后，從節(jié)點1～從節(jié)點N往上游通訊節(jié)點發(fā)送設定的編碼，持續(xù)一定時間。如果從節(jié)點某節(jié)點發(fā)現(xiàn)與鏈接下游節(jié)點通訊的端口接收不到任何脈沖，則判定自己是網絡終端，如圖4。

對于多機并聯(lián)的通訊系統(tǒng)，每個從節(jié)點都需要通訊地址。本發(fā)明設計一種驅動器多機并聯(lián)總線地址自動分配方法，該方法使得每個從站的地址號通過總線協(xié)議自動獲取，結構上不需要增加撥碼開關，亦無需使用人機界面進行地址參數(shù)設置。在自動分配地址的過程中，主節(jié)點可以通過總線協(xié)議自動獲取參與并聯(lián)的有效從站個數(shù)，完成了并聯(lián)系統(tǒng)的通訊初始化功能。

如圖5所示，地址自動分配的原理是通過對一個總線報文的地址幀不斷累加實現(xiàn)。主節(jié)點發(fā)出一個帶有尋址命令的報文，報文中含有一個原始值等于“0”的地址幀。第一個接收到主節(jié)點報文的節(jié)點，檢查數(shù)據(jù)中的地址幀值為0，則將地址幀加1，往下一個從節(jié)點發(fā)送，并設定自身的通訊地址為“1”，即通訊網絡的從節(jié)點1號。當下一個從節(jié)點收到有效報文時，檢查數(shù)據(jù)中的地址幀值為1，則將地址幀加1，此時地址幀的值為2，往下一個從節(jié)點發(fā)送，并設定自身的通訊地址為“2”，即通訊網絡的從節(jié)點2號。依次傳遞，當傳遞到第N個通訊節(jié)點時，由于自身為網絡終端，故此時第N通訊節(jié)點將地址幀加1，此時地址幀的值為N，并將報文返回給主節(jié)點。主節(jié)點最終獲得一個帶有尋址命令的報文，報文中地址幀值等于N，這意味著有N個從節(jié)點參與了系統(tǒng)并聯(lián)。主節(jié)點根據(jù)驅動器并聯(lián)系統(tǒng)預先設置的并聯(lián)數(shù)目與獲得從節(jié)點的節(jié)點數(shù)比較，確實數(shù)目是否一致，若不一致則要報警并排查原因。

在驅動器多機并聯(lián)通訊系統(tǒng)中，同步網絡端口傳輸SYNC同步信號，用于觸發(fā)PWM載波起始和三相電流采樣。若同步信號錯誤，則可能導致參與并聯(lián)的逆變器開關信號異常，引發(fā)模塊過流或電機調速異常，嚴重會導致并聯(lián)系統(tǒng)不能正常工作。所以同步信號必須要有檢測和防錯冗余控制機制。

本發(fā)明實施一種同步信號的通訊方案，如圖1，同步信號SYNC由主節(jié)點發(fā)出，從節(jié)點1接收到同步信號后向下一節(jié)點從節(jié)點2傳輸；同步信號逐級傳遞，直至從節(jié)點N。每臺從節(jié)點接收上一節(jié)點的同步信號，并對上一節(jié)的同步信號變化沿進行應答(ACK)；每臺從節(jié)點發(fā)送給下一節(jié)點的同步信號時，亦檢測下一節(jié)點的應答(ACK)。如圖5所示，同步信號的周期為PWM的開關頻率T_sw，正負脈寬為50％。對同步信號的應答(ACK)脈寬為支持絕大部分光纖收發(fā)器。

在同步信號的傳遞過程中，每個節(jié)點都檢測上一節(jié)點發(fā)出SYNC周期是否為T_sw，同時也檢測下游驅動器在收到SYNC后是否有應答(ACK)。通過這樣的機制，能夠檢測SYNC信號與ACK信號的斷線。

進一步的，本發(fā)明實施一種同步信號的冗余控制方案，如圖7，當從節(jié)點m檢測到從節(jié)點m-1發(fā)送SYNC同步周期小于Tsw-Tjetter，Tjetter是同步信號的抖動范圍，或超過Tsw+Tjetter，從節(jié)點m判斷從節(jié)點m-1傳遞的SYNC信號異常。為了保證從節(jié)點m自身的同步信號并不會跟隨異常信號產生錯誤的同步，而且能夠維持給從節(jié)點m至從節(jié)點N的同步信號輸出。此時如圖7所示，從節(jié)點m將切換到自身產生周期為T_sw的SYNC信號上，切換點選擇在故障發(fā)生前一刻的同步信號相位。通過從節(jié)點m的冗余控制，SYNC信號的異常波動后的1～2個T_sw時間內，并聯(lián)系統(tǒng)的各個從節(jié)點使用的內部同步信號基本是同步的，整個并聯(lián)系統(tǒng)的SVPMW載波和電流采樣不會因為同步信號的中斷而發(fā)生崩潰。在這個時間內，從節(jié)點m將同步異常通過圖1報文中alm幀反饋給主節(jié)點，主節(jié)點控制整個并聯(lián)系統(tǒng)停止，并顯示報警。

在驅動器多機并聯(lián)系統(tǒng)中，為了減小同相同橋臂的IGBT不均流，參與并聯(lián)的驅動器的每一個IGBT的PWM開關信號同步性要極高，并聯(lián)系統(tǒng)要求的各個驅動器同相橋臂IGBT開關延時在100ns以內。在相同SVPMW載波的條件下，造成PWM開關信號差異的因素主要有：PWM載波的起始(同步)信號的延時，各個從節(jié)點控制器(FPGA)內部時鐘偏差，IGBT模塊驅動板卡產生的門極信號的延時/抖動，以及其他邏輯電路的參數(shù)差異。其中同步信號的傳輸延時影響因素最大。

同步信號從主節(jié)點傳遞到從節(jié)點n時，由于FPGA用于處理同步信號以及光纖模組收發(fā)器自身因素，其延時分為邏輯延時和物理延時。主節(jié)點發(fā)送同步信號的上升沿到從節(jié)點n接收到同步信號上升沿，延時計算如下：

T_delay＝2×nT_phy+nT_logic (1)

T_delay為同步信號延時，T_phy為光纖模組物理層的收發(fā)延時，T_logic為從節(jié)點控制器的邏輯處理延時。

若使用低速的光纖模組傳輸同步信號，發(fā)送和接收信號延時大約在30ns，則同步信號每經過一個節(jié)點兩個物理層時，延時60ns。當有同步信號SYNC進過5臺傳遞后，最后從節(jié)點6收到同步信號的相對于主節(jié)點已經延遲至少300ns以上，不能滿足的要求。

本發(fā)明從物理層和邏輯控制層的實現(xiàn)兩種解決方案，具體如下：

首先，為了減小同步信號的物理層延時，同步信號的光纖使用百兆光纖模組或更高的千兆模組，模組采用LVDS或LVPECL電平，每經過一級光纖的物理延時可控制在5ns以下。進一步的，由于光纖模組物理層的收發(fā)延時和FPGA的邏輯處理延時是可控并穩(wěn)定的，參考公式(1)，那么每個從節(jié)點得知自身的網絡地址后，同步信號相對于主節(jié)點的延時T_delay就可以計算。在從節(jié)點FPGA邏輯模塊產生PWM波時，將同步信號延時帶入到PWM比較器載波計算中。如圖8。設CMPA是各個從節(jié)點共同的PWM載波值，從節(jié)點n根據(jù)延時T_delay計算出新的載波值CMPA’，處理如公式(2)和(3)，進行延時補償。

CMPA’＝CMPA-T_delay當t≤T_sw/2 (2)

CMPA’＝T_sw/2-CMPA-T_delay當T_sw/2<t≤T_sw (3)T_sw是PWM周期，t是PWM載波計時器，t∈[0,T_sw]，經過延遲補償?shù)闹鞴?jié)點和從節(jié)點n所產生的PWM開關信號幾乎一致。