专利名称：一种用于电力电子系统的新型通讯网络拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明创造属于通讯网络系统，涉及应用于复杂中大型功率电力电子系统集成的通讯网络拓朴结构。
背景技术：
目前，通用数字控制功率变换器的控制结构尚未充分利用数字通讯的优点。分布式数字控制网络结构是复杂中大型功率电力电子系统集成的方向。近来，一种新兴的带有菊花链结构的模块化的相桥网络拓扑备受关注。已知网络拓扑以菊花链环网为基础，网络结构简单，网络通讯速率较高，适合用于实时性要求较高的电力电子变换器装置，电力电子复杂系统可基于该控制网络结构实现分布式控制，为复杂电力电子系统集成提供合适的控制平台。该网络以单元节点为网络通讯的基本单元，每单元节点实现对基于系统集成的电力电子标准模块的功能控制，作为底层标准模块的硬件控制器，即实现标准模块的基本功能。该网络大大降低了成本，并且适合采用新兴前沿的传输媒质。
但是，该环形通讯网络结构拓扑除了上述优点之外，还具有它本身网络特性所带来的致命弱点，即整个网络将会有累积延时存在，造成实时控制功能的同步特性变差，导致电力电子系统运行故障。此外，该网络结构由于信号在经过每个节点时均需要经过光纤接收转换器，节点信号接收器，节点控制器，节点信号发送器和光纤发送转换器，且信号经过的节点越多则累积延时越多，实际网络通讯信道容量大大减小，因此网络使用场合受到限制，特别是开关频率要求较高的电力电子系统不适合采用该网络，即网络通用性能差。
因此有必要发明一种具有较高信道容量且能解决同步问题的网络结构，使得新网络能够保留结构简单的以及通讯速率高的特点，且能大大减小累积通讯延时。
发明创造的内容本发明创造提供了一种新颖的高速智能通讯网络拓朴结构，既保留现有网络的结构简单、通讯速率高，适用于以电力电子标准模块为基础的系统集成等全部优点，同时本发明的网络拓扑能大大减小网络传输累积延时，增加信道容量，使得网络的应用场合得到拓展，能有效克服现有技术存在的不足之处。
为实现上述目的，本发明创造采取的技术方案该高速智能通讯网络由基本单元网络节点和光纤通讯媒质构成。网络节点作为该智能高速通讯网络中的信号接收和发送的起点和终、中间传输点。网络信号传输媒质光纤作为该网络节点单元之间的连接的媒质，承载网络信号的传输。网络节点单元内部，节点控制器(130)与节点信号发送器(140)以及节点信号接收器(150)连接，并控制发送信号选择开关(160)的工作模式；光纤发送器(170)与发送信号选择开关(160)以及节点信号发送器(140)连接；光纤接收器(180)与节点信号接收器(150)以及发送信号选择开关(160)连接。该网络基本单元(网络节点)包含一节点控制器来控制本节点信号发送器和信号接收器的工作模式并发送和接收每个节点的数据，完成与其它节点的通讯；如果该节点被定义为网络主节点，该网络节点控制器另外承担与上层次网络的数据通讯任务。该网络基本单元(网络节点)包括节点信号发送器将从节点控制器得到发送数据按照工作模式命令，转换为串行差分信号模式发送。该网络基本单元(网络节点)包括节点信号接收器将来自光纤接收器的串行信号转换为并行信号并接收。该该网络基本单元(网络节点)包含发送信号选择开关作为光纤发送器的发送信号的选择开关，确定该节点的发送信号源。该网络基本单元(网络节点)包含光纤发送器将电信号转换为光信号，使之在光纤媒质上传输。该网络基本单元(网络节点)光纤接收器将来自光纤的光信号转换为电信号。
本发明创造的显著优点一种基于电力电子标准模块的高速智能通讯网络拓扑，其网络中每个单元节点的数据发送源可以根据该单元当前状态选择，即每个节点的光纤发送转换器的发送信号源由开关控制，即可以直接来自本节点的光纤接收转换器或者直接来自本节点的节点控制器。该智能通讯网络可大大提高数据在网络上的传输速度，减小传输延时，可以显著缩短通讯周期，减小由环形网络累积延时所造成的影响，更好的解决电力电子高速通讯中由环形网络本身特性所带来的同步问题；该网络大大增加了网络信道容量，拓展了该通讯网络的使用场合，对开关频率要求较高的场合同样适用；该网络结构简单，能显著降低光纤通讯网络的生产成本。
图1为现有典型的菊花链环形网络拓扑结构示意图；图2为现有包含四个网络节点基于菊花链环形网络拓扑的环形网络示意图；图3为本发明创造包含四个网络节点的高速智能环形网络示意图；图4为同步信号在包含三个从节点的已知环形网络中累积到接收终点时传输延时的示意图；图5为本发明创造高速智能环形网络同步信号在包含三个从节点的结构中同步信号到达接收终点时的传输延时的示意图；图6为本发明创造高速智能环形网络中各单元节点的构成示意图。
具体实施方式
图3显示了本发明创造智能高速高隔离性能的通讯网络拓扑的结构简图。此智能高速通讯网络包含网络节点单元110，网络信号传输媒质光纤120。网络节点单元包含节点控制器130，节点信号发送器140，节点信号接收器150，发送信号选择开关160，光纤发送器170，光纤接收器180。网络节点单元内部，节点控制器(130)与节点信号发送器(140)以及节点信号接收器(150)连接，并控制发送信号选择开关(160)的工作模式；光纤发送器(170)与发送信号选择开关(160)以及节点信号发送器(140)连接；光纤接收器(180)与节点信号接收器(150)以及发送信号选择开关(160)连接。在实施例中，网络信号传输媒质光纤120采用单模塑料光纤。节点控制器130采用美国Altera的CycloneTM系列FPGA。节点信号发送器140采用美国Advanced Micro Devices的TAXIchipTM的异步发送器AM7968。节点信号发送器150采用美国Advanced Micro Devices的TAXIchipTM的异步接收器AM7969。发送信号选择开关160采用由节点控制器根据接收命令控制本节点光纤发送转换器的信号源。光纤发送转换器170采用将信号由电向光转换。光纤发送转换器170采用美国安捷伦公司的通讯速率为125Mbps的器件，型号为HFBR-1527。将信号由光向电转换光纤接收转换器180采用安捷伦公司的通讯速率为125Mbps的器件，型号为HFBR-2526。网络节点单元110，构成网络的基本单元，作为该智能高速通讯网络中的信号接收和发送的起点、终点和中间传输点；网络信号传输媒质光纤120，将网络各节点单元连接，承载网络信号的传输，并提供高抗干扰特性；网络节点单元包含的FPGA节点控制器130，控制本节点的信号发送器和信号接收器的工作模式，发送和接收每个节点的数据，是每个节点成功接收数据和发送数据的控制核心，从而完成与其他节点的通讯。如果该节点被定义为网络主节点，则该节点控制器还承担与上层次网络的数据通讯任务；网络节点单元包含的AM7968节点信号发送器140，将从节点控制器得到发送数据按照工作模式命令，转换为串行差分信号模式发送；网络节点单元包含的AM7969节点信号接收器150，将来自光纤接收器的串行信号转换为并行信号并接收；网络节点单元包含的发送信号选择开关160，作为光纤发送器的发送信号的选择开关，确定该节点的发送信号源；网络节点单元包含的光纤发送器170，将电信号转换为光信号，使之在光纤媒质上传输；网络节点单元包含的光纤接收器180，将来自光纤的光信号转换为电信号。图3中所示为信号单项流动网络结构，此外利用该环形结构还可以构成信号双向流动网络结构，但是信号发送转换器和信号接受转换器的个数需要加倍，网络结构成本提高。此外，图3中给出了包含四个通讯节点的智能高速网络结构图，一般根据电力电子应用系统的复杂程度以及系统标准模块的个数，网络节点个数可配置。根据电力电子复杂系统的分层控制原理，该层网络作为复杂电力电子系统硬件控制层中硬件控制器间的通讯网络，而硬件控制层通常控制管理系统底层模块的正常运行，必须与上一层(系统管理器)进行通讯。因此通常在硬件通讯层内设置通讯主节点，作为应用管理层，管理硬件层控制器与系统管理器的通讯和数据交换，而主节点和各个作为硬件控制器的从节点单元构成单主节点电力电子高速智能通讯网络。
本发明的网络工作过程以及该新网络和原网络累积延时时间比较的分析如下。在分析该网路过程中，基于具体应用场合，一般都设定单主网络主节点和多主从节点，因此基于图3结构的智能网络假定其中一个节点为主节点，其余为从节点，应用于典型的电力电子三相系统(假定根据需要对数据进行定义命令帧，数据帧，同步帧)命令帧由主节点发送到从节点，当该帧经过光纤接收转换器到达从节点时，该数据帧通过两个通道分别到达每个节点的控制器和光纤发送转换器。和原通讯网络拓扑作对比，数据到达下一个从节点时无需经过上个节点的串一并，并一串转换器以及节点控制器，而是直接从光纤发送转换器串行传输到下个节点，数据传输延时可以大大减小，节省了传输时间，因此可以大大缩短通讯周期。主节点发送数据帧，网络开关仍按照原方向确定信息源。从节点控制器接收到数据信号后，根据同步信息产生PWM信号。主节点发送同步序列帧，由于同步序列的收发模式和上述模式一样，所以同步序列的传输延时大大缩小。如图4和图5所示，以主节点发送同步帧指令为例，比较了原通讯网络和本发明提出的智能通讯网络各个从节点接收到同步指令的延时。图4为现有技术中通讯网络各从节点接收同步命令的模式，图5为本发明的高速智能通讯网络各从节点接收同步命令的模式。图4中原网络拓扑最后一个接收节点的同步序列地址放在整个同步序列的第一个发送位置，以此来缓解传输延时。图5中采用的新的网络结构也可以通过此方法使得每个节点的传输滞后现象得到缓解。通过本发明网络拓扑，数据在网络中的传输延时大大缩减，提高了系统的带宽，通讯周期大大减小，系统开关频率和动态响应都能够得到相应得大幅度提高，扩大了通讯网络应用场合，大大减小了由于开关频率限制所带来的影响。
如图4中的系统，同步指令和地址域在到达其相对应的从节点时必须经过该从节点之前的从节点，因此对每个接收节点来说，在主节点发送指令之后到该节点接收到该指令，存在其前面节点接收和发送的延时，其与主节点距离越远，则相应延时也越长。而本发明图5中的系统，当主节点发送指令给接收节点时，数据始终在光纤的环形网络路径中，数据到达目标节点时不需要经过其前面节点的接收和发送。因此两个网络比较，显然，本发明网络的节点接收到主节点发送数据的延时要比现有网络小的多。当主节点需要从某从节点采集数据时，该从节点控制器将该节点的光纤发送转换器数据源切换为控制器。系统网路可以构建双环和单环，单环网络信息流只能在单方向上流动，但是双环网络的成本要高的多，每个节点需要两个发送和接收转换器。此网络通过灵活选择节点光纤发送转换器的数据源，同样大大缩短了主节点作为应用控制器时的传输延时。
电力电子系统实时性高，要构建智能标准模块，需要高速的通讯网络与之相匹配。
下面根据系统开关频率来估算网络通道容量。每个开关周期，假定主节点执行的控制算法需要每个模块的电压和电流反馈值，通讯网络需要的通道容量C，可以近似为如下式子C＝Nvar/node*nn*nb*fsw*(1+koh) (1)上述式子中C为通道容量，nn为系统从节点个数，nb每个字长的位数，fsw系统开关频率，koh伴随每个数据帧发送的帧头数据位(一般取50％)，Nvar/node为每个节点需要传送的变量个数。通常，A/D转换器的精度为8到12位。最小的通道容量，假定以一个简单的三相系统为标准，三个从节点，每个节点需要四个变量，8位数据精度和10K的开关频率，设定50％的帧头数据位，可以得到C的最小数据容量为1.44M/s。涉及到较复杂的系统，如六相变频调速系统，假定每个节点10个变量，一共6个节点，12位的精度，开关频率为50K，同样的帧头数据位，可得所需通讯数据带宽为54Mb/s。
基于上述讨论和分析，通道带宽必须为至少1.5Mb/s，但是这样的通讯系统使用场合非常狭小。100Mb/s的通讯能力将使得系统的设计更加灵活，可以应用于多种不同需求的场合，对于开关频率要求较高且有较高动态响应需求的场合同样适用。
本发明从分析基本的环状网络结构出发，提出了一种基于电力电子模块的高速智能通讯网络拓扑，该拓扑的最大优点是每个通讯单元的数据发送源可以根据该单元的当前状态进行选择。该通讯网络可以大大提高数据在网络上的传输速度，从而减小传输延时，可以更好的解决电力电子高速通讯中由环形网络本身特性所带来的同步问题，也对降低光纤通讯网络的成本起到了极大的促进作用。
虽然已就目前的较佳实施例说明本发明，应了解到这些说明内容不应解释为有限制意味。熟悉本技术领域者在阅读过以上说明内容后毫无疑问地会理解到众多替代方案和修改。因此，预期中所附权利要求范围是阐释为涵盖在本发明的真实精神和范围内的所有替代方案和修改。
权利要求1.一种用于电力电子系统的通讯网络拓朴结构，以网络节点单元为网络通讯的基本单元，其特征在于网络节点单元包括节点控制器、节点信号发送器、节点信号接收器、发送信号选择开关、光纤发送器和光纤接收器；由网络信号传输媒质光纤(120)，将网络各节点单元(110)连接；网络节点单元内部，节点控制器(130)与节点信号发送器(140)以及节点信号接收器(150)连接，并控制发送信号选择开关(160)；光纤发送器(170)与发送信号选择开关(160)以及节点信号发送器(140)连接；光纤接收器(180)与节点信号接收器(150)以及发送信号选择开关(160)连接。
2.按权利要求1所述通讯网络拓朴结构，其特征在于节点信号发送器(140)采用带并-串编码功能芯片系列、节点信号接收器(150)采用带对应串-并解码功能芯片系列。
3.按权利要求1所述的通讯网络拓扑结构，其特征在于节点信号发送器(140)和节点信号接收器(150)分别采用TAXIchipTM系列异步发送和接收芯片。
4.按权利要求1所述的通讯网络拓扑结构，其特征在于信号进入网络节点的光纤接受器(180)后，信号通道在该点分成两路。
5.按权利要求1所述的通讯网络拓扑结构，其特征在于在每个节点单元内部，信号通道由光纤接受器(180)、带串-并解码功能的节点信号接收器(150)以及该节点单元的节点控制器(130)构成。
6.按权利要求1所述的通讯网络拓扑结构，其特征在于每个节点单元的发送信号选择开关(160)构成每个节点单元的光纤发送器(170)信号源的选择开关。
7.按权利要求1所述的通讯网络拓扑结构，其特征在于信号在到达目的节点前在环形网络中，该环形网络由从节点光纤接收器(180)、光纤发送器(170)和发送信号选择开关(160)以及网络信号传输媒质光纤(120)构成。
8.按权利要求1所述的通讯网络拓扑结构，其特征在于从发送源出发信号通道构成为节点控制器(130)、节点信号发送器(140)、光纤发送器(170)、网络信号传输媒质光纤(120)；信号进入下一个节点，两个信号通道分别由光纤接收器(180)、节点信号接受器(150)以及节点控制器(130)构成和由光纤接收器(180)、发送信号选择开关(160)以及该节点光纤发送器(170)构成。
专利摘要本实用新型适用于复杂的中大型功率电力电子系统集成的通讯网络拓扑，包括网络节点单元和通讯媒质。其中节点单元，包括节点控制器，节点信号发送器，节点信号接收器，发送信号选择开关，光纤发送器，光纤接收器。网络节点根据需要定义为主从节点，网络具有突出的智能化和高速化特点，并提供可靠的电气隔离特性。最大优点是每个通讯单元的数据发送源可以根据该单元当前状态选择，每个节点的光纤发送器的信号源由开关控制，即可以直接来自本节点的光纤接收器或者直接来自本节点的节点信号发送器。该通讯网络可大大提高数据在网络上的传输速度，减小累积传输延时，并降低光纤通讯网络的成本。
文档编号H04L12/44GK2930124SQ20062010374
公开日2007年8月1日 申请日期2006年5月18日 优先权日2006年5月18日
发明者杭丽君, 胡海兵, 吕征宇, 钱照明 申请人:浙江大学