現場(chǎng)總線(xiàn)在并聯(lián)逆變電源系統中的應用

隨著(zhù)現代社會(huì )經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對供電系統的容量和可靠性提出了更高的要求。傳統的集中供電模式由于其成本高、可靠性差已被證明不能滿(mǎn)足需要，新型的分布式供電模式成為當今電源技術(shù)發(fā)展的趨勢，它促使逆變電源向智能化，數字化的方向發(fā)展。為了實(shí)現穩定可靠的分布式電源系統，逆變器的并聯(lián)技術(shù)顯得尤為重要?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)最早用于過(guò)程控制領(lǐng)域，現在已漸漸成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)，將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用在逆變電源系統上，無(wú)疑將更好地實(shí)現該系統的智能化。

1 逆變器并聯(lián)技術(shù)分析

多臺逆變器并聯(lián)運行時(shí)應滿(mǎn)足下列條件：各逆變器的交流輸出電壓要保證同頻、同相、同幅，否則就會(huì )在各逆變器之間引起環(huán)流，影響系統的穩定運行，甚至造成嚴重的事故。下面以2臺逆變電源對同一負載供電為例進(jìn)行分析，等效電路圖如圖1所示。

設X1=X2，則由上述公式可得出結論：在逆變電源系統中，各逆變單元的相位角之差將導致有功功率的差異，從而形成有功環(huán)流；各逆變單元輸出電壓的幅值差將導致無(wú)功功率的差異，從而形成無(wú)功環(huán)流。在相位同步的前提下，本文提出了一種利用現場(chǎng)CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現逆變電源系統各逆變單元均流的方案。

2 現場(chǎng)CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

控制器局部網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)是BOSCH公司為現代汽車(chē)應用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能現已廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門(mén)。

CAN總線(xiàn)是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1 MB／s。它的總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等工作。CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，有效避免總線(xiàn)沖突。CAN節點(diǎn)在出現嚴重錯誤的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，切斷它與總線(xiàn)的聯(lián)系，以使總線(xiàn)上其他操作不受影響。

CAN通信協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進(jìn)制數組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數據塊。這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這一點(diǎn)在分布式控制系統中非常有用。數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節，同時(shí)8個(gè)字節不會(huì )占用過(guò)長(cháng)的總線(xiàn)時(shí)間，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。

3 基于DSP2407A的CAN總線(xiàn)設計

TMS320LF2407A(DSP2407A)是美國TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數字信號處理器，它專(zhuān)門(mén)為數字控制設計，其集DSP的高速信號處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，在數字控制系統中得到廣泛應用。TMS320LF2407A系統組成包括：40 MHz，40 MIPS的低電壓3.3 V CPU、片內存儲器、事件管理器模塊、片內集成外圍設備。TMS320LF2407A包含2個(gè)專(zhuān)用于電機控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器(GP)、全比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。TMS320LF2407A片上CAN控制器模塊是1個(gè)16位的外設模塊，該模塊完全支持CAN2.0 B協(xié)議，6個(gè)郵箱(其中0，1用于接收；4，5用于發(fā)送；2，3可配置為接收或發(fā)送)每次可以傳送0～8個(gè)字節的數據，具有可編程的局部接收屏蔽、位傳輸速率、中斷方案和總線(xiàn)喚醒事件、超強的錯誤診斷、自動(dòng)錯誤重發(fā)和遠程請求回應、支持自測試模式等功能，因此選擇該DSP芯片作為CAN總線(xiàn)的控制器。收發(fā)總線(xiàn)上的數據將由CAN控制器中的6個(gè)郵箱(mail-box)完成，通過(guò)設置每個(gè)郵箱中的屏蔽寄存器可以對來(lái)自總線(xiàn)上的數據進(jìn)行篩選，丟棄一些無(wú)用的信息。利用CAN總線(xiàn)作為并聯(lián)逆變器系統的通訊總線(xiàn)，將每個(gè)逆變器的編號和輸出電流、電壓等信息在每個(gè)工頻周期中發(fā)送給位于總線(xiàn)上的其他逆變器，這樣每個(gè)逆變器都可以計算出自己的理論輸出電壓值，即所有逆變單元的平均電壓值。根據這個(gè)值與自身實(shí)際輸出電壓值的誤差，來(lái)調節各單元的輸出電壓值，最終實(shí)現并聯(lián)逆變電源的均流控制。

3.1 系統硬件結構設計

CAN總線(xiàn)收發(fā)器選用Microchip公司的MCP2551，MCP2551是一個(gè)可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)接口。MCP2551可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿(mǎn)足24 V電壓要求。它的工作速率高達1 Mb／s。RS引腳可選擇3種操作模式：高速、斜率控制、待機。在本系統中為了通過(guò)限制CANH和CANL的上升下降時(shí)間來(lái)進(jìn)一步減少EMI，選用斜率控制模式。系統硬件設計圖如圖2所示。

MCP2551引腳圖如圖3所示。

為了增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，MCP2551與DSP 2407A的CAN控制器之間加一個(gè)光耦隔離6N137，這樣可以很好地實(shí)現CAN總線(xiàn)節點(diǎn)間的電氣隔離。

3.2 軟件設計

CAN節點(diǎn)通信的功能是將本節點(diǎn)的數據信息通過(guò)CAN總線(xiàn)以廣播形式傳給網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)，并且接受其他節點(diǎn)傳來(lái)的信息。因此軟件的設計可以分為3部分：系統的初始化、信息的定時(shí)發(fā)送和中斷接收。主程序在完成初始化后打開(kāi)中斷，在TMS32LF2407A的數據采集中斷服務(wù)中對模塊的輸出電流進(jìn)行采樣，在一個(gè)工頻周期結束后，計算逆變器的輸出電流值和對各模塊進(jìn)行編號，通過(guò)定時(shí)發(fā)送程序，每隔2 ms就向CAN總線(xiàn)上發(fā)送1次，按照既定的均流算法，進(jìn)入下個(gè)循環(huán)周期。在中斷接收程序中，存儲數據到接收緩沖區，供主程序使用。

4 仿真實(shí)驗結果

在Matlab 6.5軟件平臺上對上述方案進(jìn)行仿真。仿真參數如下：輸入電壓為DC48 V，輸入電流為14 A(220 VDC，3 kVA)，單臺輸出電流為14 A，輸出頻率為50 Hz。逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，L=2.7 mH，C=4.5 μF，并機數量為2臺。其中電流環(huán)采用P調節，電壓環(huán)采用P1調節，設定P=5。仿真算法采用變步長(cháng)的ode23tb，仿真時(shí)間為0.05 s，采樣時(shí)間為0.002 s。仿真結果如圖4、圖5所示。

由圖4可看出，將CAN現場(chǎng)總線(xiàn)引入本系統中，可達到較好的均流效果。在圖5中，當實(shí)現并機時(shí)，兩臺逆變器輸出電流分別為6.8 A，6.9 A，可以很好地實(shí)現分擔負載的任務(wù)。

5 結 語(yǔ)

本文將現場(chǎng)CAN總線(xiàn)引用到并聯(lián)逆變電源系統中，較好地解決了并聯(lián)逆變電源普遍存在的環(huán)流問(wèn)題，提高了系統的穩定性和抗干擾性。同時(shí)真正實(shí)現(N+X)并聯(lián)冗余，可以在不斷開(kāi)負載的情況下通過(guò)熱插拔增加或減少并機模塊，利用CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)，使得整個(gè)系統不受影響。