CN103592918A - 一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，所述系统包括EtherCAT通讯管理模块、主控模块、功能模块和电源模块；所述EtherCAT通讯管理模块通过EtherCAT网络与主控模块和功能模块进行数据通讯，所述电源模块为所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块和功能模块供电。本发明提供的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，采用模块化设计可以根据不同的需求组合，采用双EtherCAT网络完成模块间的数据通信，在其中一个网络出现故障后，另一个网络正常工作仍可以维持系统正常运行，且采用双电源冗余设计，在电源出现故障情况时可以实现无扰动切换，带电更换电源，提高了系统的可靠性。

Description

一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体讲涉及一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统。

背景技术

电力电子装置（power electronic equipment）由各类电力电子电路组成的装置。用于大功率电能的变换和控制。又称变流装置。它包括整流器、逆变器、直流变流器、交流变流器、各类电源和开关、电机调速装置、直流输电装置、感应加热装置、无功补偿装置、电镀电解装置、家用电器变流装置等。

其中，直流电源可由整流器或直流变流器组成，用于直流电动机调速、充电(备充电电源)、电镀和科学仪器等的电源。交流电源可由变频器(见交流变换电路)组成。分为变频变压电源(用于交流笼式异步电动机调速)、恒频恒压电源(用以构成交流不停电电源)、交流稳压电源、中频感应加热电源(电源输出频率达8千赫，用于感应加热和淬火)、高频加热电源(电源输出频率高于8千赫，用于淬火和焊接)等。利用电力电子器件的快速开关性能，可构成静止式无触点大功率开关，代替传统的电磁式有触点大功率开关。

电力电子装置的控制系统需要在每个控制周期内进行电压电流采集，开关量输入状态的检测，根据输入信息进行计算处理，得到控制目标，然后对所有模块的开关行为进行同步控制，根据保护的算法计算结果进行保护控制，现在随着大功率电力电子装置正朝着多重化、模块化的方向发展，通过变流器的串并联实现电压和功率的扩展，单板已无法满足复杂电力电子装置的控制要求，需要采用多块不同功能的单板分工完成各部分的功能，这样各单板之间就需要相互交换信息，这就需要一种高可靠性的总线技术来完成大量数据的交换，从而保证电力电子装置的稳定运行。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，采用模块化设计可以根据不同的需求组合，采用双EtherCAT网络完成模块间的数据通信，在其中一个网络出现故障后，另一个网络正常工作仍可以维持系统正常运行，且采用双电源冗余设计，在电源出现故障情况时可以实现无扰动切换，带电更换电源，提高了系统的可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，所述系统包括EtherCAT通讯管理模块、主控模块、功能模块和电源模块；所述EtherCAT通讯管理模块通过EtherCAT网络与主控模块和功能模块进行数据通讯，所述电源模块为所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块和功能模块供电。

所述系统还包括具有背板的机箱，所述背板上设有插槽，所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块、电源模块和功能模块分别插在所述插槽中。

所述背板通过连接线为EtherCAT通讯管理模块、主控模块、功能模块和电源模块之间提供连接通路，所述连接线包括电源总线和EtherCAT网络连接线；所述电源模块通过插槽内设置的电源总线为所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块和功能模块供电，所述EtherCAT网络连接线采用星型网络结构。

所述EtherCAT网络包括第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络；第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络均通过EtherCAT网络连接线做为传播媒介，所述EtherCAT网络连接线为全双工LVDS差分线。

所述EtherCAT通讯管理模块包括DSP控制模块、FPGA缓存及同步控制模块、EtherCAT桥控制器和EtherCAT主站接口模块；所述DSP控制模块包括第一DSP控制模块和第二DSP控制模块，所述EtherCAT桥控制器包括第一EtherCAT桥控制器和第二EtherCAT桥控制器，所述EtherCAT主站接口模块包括第一EtherCAT主站接口模块和第二EtherCAT主站接口模块；所述第一DSP控制模块和第二DSP控制模块分别与所述FPGA缓存及同步控制模块连接，所述第一EtherCAT主站接口模块和第二EtherCAT主站接口模块分别通过第一EtherCAT桥控制器和第二EtherCAT桥控制器与所述FPGA缓存及同步控制模块连接。

所述第一EtherCAT主站接口模块包括EtherCAT主站接口A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8和A9；第二EtherCAT主站接口模块包括EtherCAT主站接口B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8和B9。

所述主控模块包括CPU控制模块、FPGA缓存及逻辑控制模块、外设模块和EtherCAT从站接口模块，所述EtherCAT从站接口模块包括EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口；所述外设模块与所述CPU控制模块连接，所述第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口均通过与所述FPGA缓存及逻辑控制模块与所述CPU控制模块连接。

所述功能模块包括EtherCAT从站接口模块、FPGA缓存及逻辑控制模块以及功能板，所述EtherCAT从站接口模块包括第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口；所述第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口分别与第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络连接，实现与所述EtherCAT通讯管理模块之间的数据通讯；所述功能板通过所述FPGA缓存及逻辑控制模块同时向第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络上传数据信息，或者接收第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络上的控制目标信息。

所述功能模块采用交流采集模块、直流采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、光信号输入模块、光信号输出模块和PWM脉冲输出模块。

所述电源模块包括第一电源模块和第二电源模块，所述第一电源模块和第二电源模块均包括AC/DC模块和防逆流模块；交流电源经过所述AC/DC模块转换为直流电源，所述AC/DC模块输出的直流电源通过所述防逆流模块连接到所述背板的电源总线上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）本发明采用双网同时传输数据，提高了系统的可靠性；

2）本发明采用双电源冗余设计，在电源出现故障情况时可以实现无扰动切换，带电更换电源，提高了系统的可靠性；

3）采用双EtherCAT网络完成模块间的数据通信，在其中一个网络出现故障后，另一个网络正常工作仍可以维持系统正常运行；

4）本发明采用模块化设计可以根据不同的需求组合合适的冗余控制系统。

附图说明

图1是基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例中EtherCAT通讯管理模块与主控模块和功能模块连接示意图；

图3是本发明实施例中EtherCAT通讯管理模块结构示意图；

图4是本发明实施例中主控模块结构示意图；

图5是本发明实施例中功能模块结构示意图；

图6是本发明实施例中电源模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，所述系统包括EtherCAT通讯管理模块、主控模块、功能模块和电源模块；所述EtherCAT通讯管理模块通过EtherCAT网络与主控模块和功能模块进行数据通讯，所述电源模块为所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块和功能模块供电。

所述系统还包括具有背板的机箱，所述背板上设有插槽，所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块、电源模块和功能模块分别插在所述插槽中。

所述背板通过连接线为EtherCAT通讯管理模块、主控模块、功能模块和电源模块之间提供连接通路，所述连接线包括电源总线和EtherCAT网络连接线；所述电源模块通过插槽内设置的电源总线为所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块和功能模块供电，所述EtherCAT网络连接线采用星型网络结构。

所述EtherCAT网络包括第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络；第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络均通过EtherCAT网络连接线做为传播媒介，所述EtherCAT网络连接线为全双工LVDS差分线。

如图2和图3，所述EtherCAT通讯管理模块包括DSP控制模块、FPGA缓存及同步控制模块、EtherCAT桥控制器和EtherCAT主站接口模块；所述DSP控制模块包括第一DSP控制模块和第二DSP控制模块，所述EtherCAT桥控制器包括第一EtherCAT桥控制器和第二EtherCAT桥控制器，所述EtherCAT主站接口模块包括第一EtherCAT主站接口模块和第二EtherCAT主站接口模块；所述第一DSP控制模块和第二DSP控制模块分别与所述FPGA缓存及同步控制模块连接，所述第一EtherCAT主站接口模块和第二EtherCAT主站接口模块分别通过第一EtherCAT桥控制器和第二EtherCAT桥控制器与所述FPGA缓存及同步控制模块连接。

所述第一EtherCAT主站接口模块包括EtherCAT主站接口A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8和A9；第二EtherCAT主站接口模块包括EtherCAT主站接口B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8和B9。

所述EtherCAT通讯管理模块完成以下功能：

1）发送和接收从站初始化的数据报文，完成从站的网络配置。

2）发送和接收从站之间传送数据的网络报文，对数据报文进行解析及转发，对通讯状态进行监控及故障诊断。

3）EtherCAT通讯管理模块同时管理第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络，有第一EtherCAT主站接口模块和第二EtherCAT主站接口模块，分别与机箱内其他模块的第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口互连。在其中一个网络出现故障后，另一个网络正常工作仍可以维持系统正常运行，提高了系统可靠性。

如图4，所述主控模块包括CPU控制模块、FPGA缓存及逻辑控制模块、外设模块和EtherCAT从站接口模块，所述EtherCAT从站接口模块包括EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口；所述外设模块与所述CPU控制模块连接，所述第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口均通过与所述FPGA缓存及逻辑控制模块与所述CPU控制模块连接。

如图5，所述功能模块包括EtherCAT从站接口模块、FPGA缓存及逻辑控制模块以及功能板，所述EtherCAT从站接口模块包括第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口；所述第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口分别与第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络连接，实现与所述EtherCAT通讯管理模块之间的数据通讯；所述功能板通过所述FPGA缓存及逻辑控制模块同时向第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络上传数据信息，或者接收第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络上的控制目标信息。

所述功能模块采用交流采集模块、直流采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、光信号输入模块、光信号输出模块和PWM脉冲输出模块。

如图6，所述电源模块包括第一电源模块和第二电源模块，所述第一电源模块和第二电源模块均包括AC/DC模块和防逆流模块；交流电源经过所述AC/DC模块转换为直流电源，所述AC/DC模块输出的直流电源通过所述防逆流模块连接到所述背板的电源总线上。本系统的两块电源模块电源输出完全相同，经过防返流模块后与背板电源总线互连，实现了机箱的冗余电源系统。在其中一电源模块出现问题时，另一电源模块仍可以维持系统正常工作，并且可以在系统不掉电的情况下更换出现故障的电源板，提高的系统的可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述系统包括EtherCAT通讯管理模块、主控模块、功能模块和电源模块；所述EtherCAT通讯管理模块通过EtherCAT网络与主控模块和功能模块进行数据通讯，所述电源模块为所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块和功能模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述系统还包括具有背板的机箱，所述背板上设有插槽，所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块、电源模块和功能模块分别插在所述插槽中。

3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述背板通过连接线为EtherCAT通讯管理模块、主控模块、功能模块和电源模块之间提供连接通路，所述连接线包括电源总线和EtherCAT网络连接线；所述电源模块通过插槽内设置的电源总线为所述EtherCAT通讯管理模块、主控模块和功能模块供电，所述EtherCAT网络连接线采用星型网络结构。

4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述EtherCAT网络包括第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络；第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络均通过EtherCAT网络连接线做为传播媒介，所述EtherCAT网络连接线为全双工LVDS差分线。

5.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述EtherCAT通讯管理模块包括DSP控制模块、FPGA缓存及同步控制模块、EtherCAT桥控制器和EtherCAT主站接口模块；所述DSP控制模块包括第一DSP控制模块和第二DSP控制模块，所述EtherCAT桥控制器包括第一EtherCAT桥控制器和第二EtherCAT桥控制器，所述EtherCAT主站接口模块包括第一EtherCAT主站接口模块和第二EtherCAT主站接口模块；所述第一DSP控制模块和第二DSP控制模块分别与所述FPGA缓存及同步控制模块连接，所述第一EtherCAT主站接口模块和第二EtherCAT主站接口模块分别通过第一EtherCAT桥控制器和第二EtherCAT桥控制器与所述FPGA缓存及同步控制模块连接。

6.根据权利要求5所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述第一EtherCAT主站接口模块包括EtherCAT主站接口A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8和A9；第二EtherCAT主站接口模块包括EtherCAT主站接口B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8和B9。

7.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述主控模块包括CPU控制模块、FPGA缓存及逻辑控制模块、外设模块和EtherCAT从站接口模块，所述EtherCAT从站接口模块包括EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口；所述外设模块与所述CPU控制模块连接，所述第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口均通过与所述FPGA缓存及逻辑控制模块与所述CPU控制模块连接。

8.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述功能模块包括EtherCAT从站接口模块、FPGA缓存及逻辑控制模块以及功能板，所述EtherCAT从站接口模块包括第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口；所述第一EtherCAT从站接口和第二EtherCAT从站接口分别与第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络连接，实现与所述EtherCAT通讯管理模块之间的数据通讯；所述功能板通过所述FPGA缓存及逻辑控制模块同时向第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络上传数据信息，或者接收第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络上的控制目标信息。

9.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述功能模块采用交流采集模块、直流采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、光信号输入模块、光信号输出模块和PWM脉冲输出模块。

10.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的电力电子装置冗余控制系统，其特征在于：所述电源模块包括第一电源模块和第二电源模块，所述第一电源模块和第二电源模块均包括AC/DC模块和防逆流模块；交流电源经过所述AC/DC模块转换为直流电源，所述AC/DC模块输出的直流电源通过所述防逆流模块连接到所述背板的电源总线上。

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