一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，该方法针对现有大规模电力电子变换器中心式控制时序混乱与负荷易过载的不足，通过基于FPGA的分布式的控制，提高了系统的控制带宽，使变换器在闭环控制算法下稳定地运行，实现了模块化的概念。通过从机执行本地控制，进一步提高了系统的响应速度，对异常的工作情况可以做出更快的反应，对整个系统提供了有效的保护。本发明专利技术方法成本低廉，易于理解和实现，可应用于如DAB、MMC的大规模的模块化变换器中。规模的模块化变换器中。规模的模块化变换器中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法


[0001]本专利技术属于工业控制计算机及系统制造领域，具体涉及一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法。

技术介绍

[0002]高可靠性和低成本始终是电力电子变换器的发展方向，提高可靠性和降低成本的重要方法为制造和作用标准化的模块。通用电力电子模块(Power Electronics Building Blocks,PEBB)的概念在1997年由美国海军办公室提出，它被定义为一种通用的电能处理器和一种系统化方法，具有模块化配置、可扩展的电压和电流额定值，以及低成本和高可靠性的特点。
[0003]随着社会对中压变换器需求的增加和空间的限制，功率密度和高效率也逐渐成为通用电力电子模块的发展方向。随着碳化硅(Silicon Carbide，SiC)器件为主的第三代功率半导体器件的迅猛发展，碳化硅MOSFET也逐渐应用到通用电力电子模块中。碳化硅通用电力电子模块的应用对变换器的控制带来新的挑战。由于碳化硅器件的电子迁移率高，其工作时的开关频率也非常快，会造成比较大的电磁干扰，该干扰对控制信号的完整性有着恶劣的影响。此外，通用电力电子模块的概念要求信息同能量一样是模块化的，即每个通用电力电子模块中需要一个本地的控制器，负责本模块对异常情况的快速响应。整个电力电子系统除了每个通用电力电子模块内部的控制器，还需要一个主控制器负责整体的控制和子模块之间信息的交互。受碳化硅的开关速度和功率等级的影响，信息传递的速度和可靠性都需要进行考虑。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，以解决现有模块化变换器分布式控制带宽和抗扰性的不足，本专利技术对于模块化变换器的闭环控制快速有效，操作简单，可应用在各种多控制器的模块化的电力电子变换器中。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1：设置一个主机和若干个从机，从机的数量由系统中的通用电力电子模块数量决定；
[0008]S2：主机以与功率器件开关频率相同的频率向从机发送信息包，该信息包装载控制信息，并具有同步功能；
[0009]S3：从机收到信息包后根据控制信息内容改变输出脉冲，同时进行同步；
[0010]S4：从机对控制变量进行采样，将采样值封装为新的信息包发送回主机，同时根据采样值对通用电力电子模块进行本地控制；
[0011]S5：主机接收到从机的信号后更新计算结果即控制信息，等待下一个周期发送。
[0012]进一步地，所述主机与从机均为单个FPGA芯片，每个通用电力电子模块搭载一个
从机。
[0013]进一步地，所述信息包由多个数据帧构成，每个数据帧大小为一个字节，信息包的第一个数据帧为起始帧，最后一个数据帧为结束帧，中间的数据帧内容由信息包的发出者决定。
[0014]其中，主机发送给从机的信息包包含操作状态及输出脉冲状态数据，操作状态占据一个数据帧，脉冲状态数据占据两个数据帧；从机发送给主机的信息包包含控制变量，即电压、电流和温度数据，电压、电流和温度数据均由AD采样获得，每种信息均为16位(两个字节)，占用两个数据帧。对数据精度不高的参量(如温度)可只选择高8位进行发送。
[0015]进一步地，信息包的发送介质为光纤，可以避免电磁干扰，数据传输协议为UART，波特率设为10M，字节之间的空闲时间设为0.5微秒。
[0016]进一步地，所述操作状态分为未工作、工作中、停止工作三种状态，由主机控制，变换器运行时根据条件在三种状态中切换。未工作状态指输入电压未达到目标值，在正常工作的情况下变换器在“未工作”与“工作中”状态中来回切换(通常是上电与下电)，当变换器中的参量大于安全设定时，主机认为变换器处于异常的工作状态并可能发生危险，从而进入停止工作状态。当系统处于停止工作状态时，需要人工检查变换器中的问题并进行手动复位至未工作状态。
[0017]进一步地，从机根据主机发送的操作状态和脉冲状态控制输出脉冲的行为，从机仅在“工作中”状态中正常输出脉冲波形，而在“未工作”与“停止工作”状态中保持低电平。
[0018]进一步地，从机输出脉冲的方法参考了TMS320F28335芯片中ePWM的做法，设置一个自增自减的计数器，与给定值比较，计数器大于给定值时输出高电平，否则输出低电平，并通过软件发出带死区的互补信号，便于控制变换器中的半桥结构。当主机的信号发至从机时，从机更新计数器与给定值的数值，从而实现输出脉冲的自由变化。
[0019]进一步地，主机收到从机的信息后，根据采样得到的值进行控制输入的计算。对于闭环控制，采用增量式PI控制，所需控制变量(如电压、电流)与AD采样数据的结果通常可以表示为
[0020]V＝k
×
AD+b
[0021]其中，AD为采样芯片获得的16位数据，V为某控制变量的采样值，k和b为16位数据与采样值之间的转换系数，需要事先拟合得到。
[0022]设控制目标为V
ref
，对增量式PID控制，控制输入
[0023]c＝c+[K
p
(e(n)
‑
e(n
‑
1))+K
i
e(n)][0024] ＝c+[K
p
(V(n
‑
1)
‑
V(n))+K
i
(V
ref
‑
V(n))][0025] ＝c+[K
p
k(AD(n
‑
1)
‑
AD(n))+K
i
(V
ref
‑
k
×
AD(n)
‑
b)][0026] ＝c+[K
p
k(AD(n
‑
1)
‑
AD(n))
‑
K
i
k
×
AD(n)+K
i
(V
ref
‑
b)][0027]其中，c为控制输入，如占空比、移相时间等等，误差e(n)＝V
ref
‑
V(n)，n表示本周期采样数据，n
‑
1表示上一周期采样的数据，K
p
和K
i
分别为PID控制的比例系数和积分系数。式中K
p
k(AD(n
‑
1)
‑
AD(n))
‑
K
i
k
×
AD(n)每个周期都在更新，称为变化增量；K
i
(V
ref
‑
b)只与目标值有关，称为固定增量。
[0028]由于FPGA中不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：设置一个主机和若干个从机，从机的数量由系统中的通用电力电子模块数量决定；S2：主机以与功率器件开关频率相同的频率向从机发送信息包，所述信息包装载控制信息，并具有同步功能；S3：从机收到信息包后根据控制信息内容改变输出脉冲，同时进行同步；S4：从机对控制变量进行采样，将采样值封装为新的信息包发送回主机，同时根据采样值对通用电力电子模块进行本地控制；S5：主机接收到从机的信号后更新计算结果即控制信息，等待下一个周期发送。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，其特征在于，所述主机与从机均为单个FPGA芯片，每个通用电力电子模块搭载一个从机。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，其特征在于，所述信息包由多个数据帧构成，每个数据帧为一个字节，信息包的第一个数据帧为起始帧，最后一个数据帧为结束帧，中间的数据帧内容由信息包的发出者决定。4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，其特征在于，主机发送给从机的信息包包含操作状态及输出脉冲状态数据，操作状态占据一个数据帧，脉冲状态数据占据两个数据帧；从机发送给主机的信息包包含控制变量，即电压、电流和温度数据，电压、电流和温度数据均由AD采样获得，每种信息均占用两个数据帧。5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，其特征在于，所述操作状态分为未工作、工作中、停止工作三种状态，由主机控制，变换器运行时根据条件在三种状态中切换；未工作状态指输入电压未达到目标值，在正常工作的情况下变换器在未工作与工作中状态中来回切换，当变换器中的参量大于安全设定时，主机认为变换器处于异常的工作状态并会发生危险，从而进入停止工作状态；当系统处于停止工作状态时，人工检查变换器中的问题并进行手动复位至未工作状态。6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，其特征在于，所述从机根据主机发送的操作状态和脉冲状态控制输出脉冲的行为，从机仅在工作中状态中正常输出脉冲波形，而在未工作与停止工作状态中保持低电平。7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的通用电力电子模块分布式闭环控制方法，其特征在于，所述从机输出脉冲的方法具体为：设置一个自增自减的计数器，与给定值比较，计数器大于给定值时输出高电平，否则输出低电平，并通过软件发出带死区的互补信号，便于控制变换器中的半桥结构，当主机的信号发至从机时，从机更新计数器与给定值的数值，从而实现输出脉冲的自由变化。8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的通...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，董晓博，温浚铎，靳浩源，汪岩，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：