分布式電力電子高速環網時鐘同步技術研究

蘇建徽，莊富帥

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，具有模塊化和分布式特征的大容量電力電子系統應用越來越廣泛，在此基礎上，提出電力電子標準模塊PEBB的概念[1-2]。一般中小容量的電力電子變流系統采用傳統的集中式控制，但是對于大容量系統而言，集中式控制過多的信號控制連線會造成電磁干擾[3]，且控制器故障會影響整個系統的運行，不利于系統后期維護，系統的冗余性和靈活性差，于是提出了基于PEBB的分布式電力電子控制方法[4-6]。

分布式控制使整個系統實現模塊化和標準化，縮短了開發周期，提高了系統的可靠性和可維護性[7]。分布式控制的實現以環網通信為技術基礎，環網結構具有靈活性高、維護方便的特點，通信接口和時鐘同步的設計是分布式環網控制結構的關鍵所在，環網結構常采用實時工業以太網和光纖兩種通信方式[8-9]。

文獻[10]提出了一種基于FPGA的分布式高速光纖環網控制結構，通過制定相應的通信協議，并討論了環網的時鐘同步策略，可以實現40 ns的時鐘同步精度。文獻[11]介紹了一種基于FPGA的實時以太網運動控制系統實現，文章采用IEEE 1588協議實現各主站與從站的時鐘同步，能達到微秒級到亞微秒級的時鐘同步精度，實驗表明該協議同步偏差在2 μs，同步精度要求高的場合不適合使用。文獻[12]利用德國某公司提出的EtherCAT協議構建了一種分布式主從站結構， EtherCAT采用分布式時鐘同步機制，實時性強，能夠實現15 ns～55 ns的時鐘同步精度，然而EtherCAT協議的不足是需要計算機等設備作為主站。

在以上研究的基礎上，本文提出了一種基于DSP+FPGA的分布式電力電子裝置實時千兆以太網高速環網結構，既能達到高精度的時鐘同步水平，又可以彌補其他設備作為主站的缺點。本文提出的環網結構采用FPGA作為高速以太網通信和數據處理環節，文中分析了主從站點間的時鐘偏差，討論了該環網結構下的高精度時鐘同步策略，利用自定的協議，實現高速數據傳輸處理，并以此進行了通訊和同步實驗，實驗實現了主從站高速通信以及高精度的時鐘同步。

1 基于以太網高速環網的分布式電力電子控制結構設計

適用于分布式電力電子控制結構的系統，應在電路結構和控制實現上都具有著分布式特征，一般對應著復雜的模塊化結構，并且對實時性有較高要求。如圖 1所示為電力電子變壓器高壓級級聯H橋變換器拓撲，可以看出，該拓撲的三相由多個典型的H橋結構級聯而成，此拓撲具有相當明顯的模塊化、分布式的特征，此級聯H橋拓撲可以認為是標準的分布式電力電子應用場景。

1.1 分布式電力電子控制結構

針對圖1拓撲，提出一種基于DSP+FPGA的實時以太網高速環網分布式控制結構，如圖 2所示，該控制結構共包括了3×N個從節點和一個主節點，每個H橋結構對應一個從節點，每個從節點都配有單獨的從控制器，從控制器由FPGA和DSP及外圍器件構成，從控制器主要負責H橋驅動信號的產生、電壓電流反饋數據的采集上傳和高精度時鐘同步的實現。主控制器部分，硬件結構保持完全一致，僅在主控制器的數據通信處理代碼設計部分略有不同，對于從站上傳的反饋數據，通過DSP對從站上傳的數據進行處理后，按照對應的控制方法發出控制指令，通過FPGA將控制指令由以太網網口發送至各從站控制單元。

圖1 適用于分布式電力電子的級聯H橋拓撲

圖2 實時以太網環網分布式控制結構

該環網控制結構的工作包括主從站時鐘同步和主從站數據交互兩個過程，主從站時鐘同步過程中，主從站需完成幾次同步信號傳遞和接收時刻的記錄，并最終完成主從站的時鐘高精度同步，在下文中將對主從站的時鐘同步過程及時鐘同步原理進一步的詳細討論。主從站的數據傳輸將在非主從站時鐘同步過程的其余時刻進行，包含各從站的反饋數據上傳和主站的控制命令下發兩個階段。

1.2 高速環網通信的數據幀設計及通信時間分析

考慮到本環網控制結構中對多個從站的反饋數據和控制指令的存放，采用以太網集總幀的形式來實現數據幀的設計。以太網通信集總幀采用傳統UDP報文和同步數據報文相結合方式，該方式下既可以兼容傳統的以太網通信，又可用于分布式主從站通信中。實時同步數據幀的具體結構如圖 3所示，傳統的UDP通信報文包含以太網首部、IP首部、UDP首部、UDP數據、CRC32校驗，將同步數據報文嵌入到傳統報文的UDP數據部分即是本設計中使用的通信數據幀報文格式。同步數據報文采用如下格式：報文首部設置為同步報文頭，作為同步報文功能類型的判斷，其后為主站時間的數據，用于存放時鐘同步最后階段的主站時鐘數據并下發各從站，同步數據報文尾部用于各從站上傳數據和控制命令的存放。

該高速環網結構的每個從站接收發送數據過程均以上文所述的通信數據幀為基礎，具體工作過程可分為數據幀的接收，數據寫入RAM，數據幀的發送三部分，其中，環網中上一從站數據幀的發送和下一從站數據幀的接收可認為同時進行。該環網采用千兆以太網通信，通信頻率為125 Mbit/s，不考慮從站數據部分，環網數據幀的總長度為78字節，數據幀的接收時間為0.624 μs，數據部分長度為6字節， 寫RAM到數據幀發送占用10個時鐘，從接收到發送消耗時間0.704 μs。規定每一從站數據占用16字節，則每增加一從站，數據幀接收消耗時間增加0.128 μs，寫RAM時間增加0.032 μs。采用此集總幀的數據幀設計形式，在千兆以太網的通信速率下，可以實現多個從站的高速環網數據交互。

2 分布式電力電子結構主從站時鐘同步方案

2.1 分布式結構主從站的時鐘同步過程

分布式電力電子裝置采用了多個獨立單元模塊，各單元模塊均以自身時鐘運行，由于晶振間偏差和各單元模塊上電時間的差異，各單元模塊時鐘有較大差異，需要采取合適的算法同步各單元模塊的時鐘。對于本文討論的環網通信結構，如圖4所示，選取其中某一單元模塊作為主站，其余的均為從站，主站的時鐘作為所有從站的參考時鐘，從站的時鐘每過一段時間與主站同步校準一次。

以圖 4為例，分析時鐘同步的過程如下：

(1)對于主站，左側的以太網接口用作同步信息的中轉，僅處理轉發接收到的同步信息，并通過環網返回主站，主站以Tsync的周期發出同步報文sync1，在各從站轉發后，當sync1報文返回主站時，記錄主站接收時刻tmaster_time1并進入下一階段;

(2)主站接收sync1報文完成即刻發出sync2報文，當從站1首次接收到sync2報文，記錄接收時刻tlocal_time1_s1并在接收完成后繼續向從站2-n轉發，各從站同樣記錄接收時刻tlocal_time1_sn，直到從主站左側網口

圖4 分布式結構主從站的時鐘同步過程

轉發的消息返回，在各從站再次接收到返回的sync2報文時刻記錄tlocal_time1_sn，當主站右側網口接收到sync2報文時刻記錄tmaster_time2并進入下一階段;

(3)主站接收sync2報文完成即刻發出sync3報文，sync3報文中含有主站兩次接收時刻的時間值，各從站接收到sync3報文，從中提取出tmaster_time1、tmaster_time2的值，從站再根據此值來計算補償的值，實時補償到各從站的時鐘中，完成整個同步過程，其中，主站左側網口接收到sync3報文后，各從站可通過sync3報文上傳各從站的數據。

2.2 分布式結構主從站的延時偏差分析

主站到從站的延時偏差主要由以下幾部分構成:

(1)因為各個從站與主站間的上電時間無法保持一致，對于實際應用中從站和主站間的初始時鐘偏差主要由該因素決定，此部分時間為初始上電偏差tpower_on；

(2)對于包括主站的每個站點都會經過從數據幀接收到處理并發送的過程，由于主從站的結構完全相同，經過設計，可以認為數據幀在每個站點內的時間總是保持一致，這部分時間為內部處理消耗時間tinternal；

(3)在數據幀的發送和接收過程中，數據幀須經過物理層芯片的處理和外部網線的傳輸，認為處理和傳輸的時間保持不變，該部分延時為外部路徑傳輸延時ttransfer；

(4)各站點選取晶振作為時鐘源，不同的晶振間由于品控的原因晶振頻率存在著相對偏差，即所謂晶振相對漂移。晶振漂移的影響體現在主從站間同步完成后，由于漂移的存在，晶振頻率的微小偏差會導致主從站間的時鐘偏差會逐漸增大。

2.3 分布式結構主從站的時鐘同步策略

假定分析主站Master和從站Slave1，在首次同步過程(1)～過程(2)階段，主站接收到sync1報文為同步參考時鐘的起點，即tmaster_time1為參考時鐘，所有時鐘的計算均以該同步起點為基準，由主站接收 sync1報文時刻開始，到從站接收到sync1報文時刻結束，主站Master和從站Slave1時鐘之差由內部處理時間tinternal1和外部路徑傳輸延時tinternal1以及初始上電偏差tpower_on1三部分組成。則：

tinternal1+tinternal1-tpower_on1=tlocal_time1_s1-tmaster_time1

(1)

同樣的，對于過程(2)～過程(3)階段，同理可以得出式(2)：

tinternal1+tinternal1+tpower_on1=tmaster_time2-tlocal_time2_s1

(2)

由式(1)、式(2)可得出主站Master和從站Slave1間的時鐘偏差：

tpower_on1=((tmaster_time1+tmaster_time2)-(tlocal_time1_s1+tlocal_time2_s1))/2

(3)

由式(3)知，對于從站Slave1依據主站兩次同步報文的接收時間，即可得出與主站的時鐘偏差，進而完成與主站的時鐘同步。

以此類推，對于從站Slaven和主站Master間，由主站接收 sync1報文開始，到從站接收到sync1報文結束，數據幀共經過中間n個從站處理和傳輸，所以主站Master到從站Slaven的時鐘之差為：

tinternal+tinternal1+…+tinternaln+tinternaln-tpower_onn=

tlocal_time1_sn-tmaster_time1

(4)

同樣的，對于同步過程(2)-過程(3)階段，可得：

tinternal1+tinternal1+…+tinternaln+tinternaln+tpower_onn=

tmaster_time2-tlocal_time2_sn

(5)

由式(4)、式(5)可得出主站Master和從站Slaven間的時鐘偏差：

tpower_onn=((tmaster_time1+tmaster_time2)-(tlocal_time1_sn+tlocal_time2_sn))/2

(6)

由此可見，主站與某一從站的時鐘同步，僅取決于主站接收sync1、sync2同步報文的時間與該從站接收sync1、sync2同步報文的時間，而與其他從站無關。

主從站的同步周期為Tsync，在主從站同步完成后，由于晶振漂移的存在，主從站的會在Tsync的同步周期內產生大小為tcrystal的時鐘偏差，若不進行及時的漂移補償，主從站的時鐘漂移偏差會逐漸累積，最終導致主從站間時鐘不同步。在主從站的初次同步完成后，便進行漂移時鐘tcrystal的測量，從初次同步完成起到下一次同步過程完成時所測得的時鐘偏差tpower_on即為同步周期內的漂移時鐘tcrystal。對于所測得的漂移時鐘tcrystal，考慮將其按照固定比例均分的補償至下個同步周期內，而在下個同步周期依據再次測得的主從站時鐘偏差對晶振漂移時鐘tcrystal的值進行動態調整，并再次補償至下個同步周期，在這樣的方法下，可以實現越來越準確的時鐘同步。

3 實驗結果與分析

為了驗證所提出的分布式電力電子環網時鐘同步通信策略的正確性和可行性，設計了相應的基于FPGA的分布式主從站高速環網通信時鐘同步測試平臺，通過實驗驗證了系統的高速環網通信驗證，并測量了主從站時鐘同步的精度。

3.1 分布式主從站的高速通信驗證

通過Xilinx開發的FPGA嵌入式在線邏輯分析儀ChipScope Pro Analyzer捕捉到主從控制器通信過程中的部分數據波形如圖 5，這里僅采樣了從控制器網口1的接受發送數據波形，采樣時鐘為125 M，其中“55”和“D5”為通信幀前導碼，“0A”到“02”為接收站地址，“0A”到“01” 為發送站地址，“0800”代表通信幀類型為Ethernet II類型，“45”到“FA”為通信幀IP首部，“1F”到“00”表示UDP首部，“91”至“9A”為制定的同步報文頭，“91”代表sync1報文，其后的數據代表同步次數，再其后為主站的時鐘數據，由于此時處于同步的第一階段，因此無主站的時鐘同步數據，波形顯示為“0”。此外，由采樣的波形，可知以太網數據幀接收時刻為257， 數據幀發送時刻為345，因此從數據幀開始接收到數據幀發送時所消耗的時鐘為88個時鐘，即數據幀在FPGA內部停留時間約為704 ns，與上文的理論分析保持一致，證明了該高速環網通信設計的正確性。

圖5 分布式主從站的部分通信數據

3.2 分布式主從站的時鐘同步驗證

為了驗證主從站間的高精度時鐘同步，主從站的計時時鐘頻率均為125 MHz，設置同步周期為20 ms，主從站間采用千兆以太網通信實現同步。主站每20 ms發一次同步信號，整個環網進入同步過程，直到從站接收到主站的同步時鐘數據對從站時鐘進行延時補償和晶振漂移補償。使用ChipScope進行從站時鐘延時偏差的測量和波形繪制，得到如下的主從站時鐘偏差波形圖，由圖 6可知，主從站間時鐘偏差基本維持在2個時鐘以內，最大偏差是3個時鐘約24 ns，可以認為主從站的同步效果較好。

為更直觀的的反映主從站的時鐘同步效果，主從站分別根據自身時鐘產生同頻的脈沖信號，通過示波器采樣脈沖信號，比較信號間的偏差來判斷主從站的同步效果，得到如下的示波器波形圖 7。

由圖7可以觀察到主從站的同步時鐘偏差在25 ns以內，與ChipScope采樣出的結果基本一致，由此可以證明本文所討論的環網時鐘同步策略滿足了高精度的要求。

圖6 主從站時鐘偏差數據采集

圖7 主從站時鐘偏差波形

4 結束語

針對于大容量的復雜系統，若采用模塊化、結構化的分布式電力電子控制結構，可以有效的提高系統的可靠性，對縮短研發周期和縮小規模生產成本有重要作用。本文針對分布式電力電子控制提出一種實時高速工業以太網環網控制結構，在UDP協議的基礎上制定通信協議，實現了高速環網數據通信，完成了高精度的時間同步，并通過實驗結果驗證了理論分析的正確性。