一種新型的高壓變頻分布式控制系統的設計

近年來(lái),出于節約能源的迫切需要和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求,大容量電動(dòng)機的高壓變頻調速技術(shù)得到了廣泛的應用,在國內,基本覆蓋了電力、冶金、石油、化工、造紙等主要行業(yè)。因此國內變頻調速系統的研究非?；钴S,主要的問(wèn)題是利用耐壓有限的功率開(kāi)關(guān)器件實(shí)現高壓變頻調速,解決的辦法是把低壓的開(kāi)關(guān)器件以一定的拓撲結構連接,用低電壓串聯(lián)形成高電壓。傳統的控制系統采用集中式控制,系統安裝調試比較復雜,功能相對局限且不易擴展,很難實(shí)現控制的智能化。而分布式控制系統結構簡(jiǎn)單,數據處理方式靈活,有很強的擴展性,其模塊化的結構具有很強的容錯性,因此是高壓變頻系統實(shí)現智能控制的發(fā)展趨勢。

　　針對傳統控制系統過(guò)于復雜的缺點(diǎn),本文提出一種高壓變頻的分布式控制策略,系統采用“中央控制單元-總線(xiàn)-分布控制單元”的分布式控制。

1 分布式控制的原理

　　設計的高壓變頻器要求產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍之內,系統使用低壓功率器件,采用電壓串聯(lián)疊加的方法實(shí)現高壓^[1],其高壓變頻系統實(shí)現原理如圖1所示。圖中,24個(gè)分布的單元,每個(gè)單元均由相同的控制和驅動(dòng)系統組成?？刂茊卧捎肞WM控制方式調節驅動(dòng)單元的輸出電壓使之在0～540V之間變化。24個(gè)單元分成三相,每相由8個(gè)單元串聯(lián)連接,產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍。三組功率單元星形聯(lián)相形成分布式控制的拓撲結構,以低壓的功率器件實(shí)現高壓輸出。每組疊加出用于電機驅動(dòng)的一相電壓波形,相電壓之間的相位差為120°。這樣,線(xiàn)電壓可以控制在0～7500V,以適應高壓電機的控制要求。

　 分布單元驅動(dòng)電路如圖2所示,由三相橋式整流電路和方波逆變器組成。兩個(gè)方波逆變器的輸出電壓u_ao和u_bo是脈寬可調的方波,而兩橋臂中點(diǎn)a和b之間的電壓u_ab是u_ao和u_bo方波電壓的疊加,即u_ab＝u_ao-u_bo。假定u_ao和u_bo之間的相位角之差為180°+Φ,則調節Φ角即可調節輸出電壓的脈寬,因而使輸出電壓的基波分量和諧波分量的幅值也發(fā)生變化。這樣,既改善了輸出電壓的波形,也達到了調節輸出電壓的目的。

2 分布式控制系統的設計

　　本文設計的高壓變頻控制系統結構如圖3所示。分布式系統由中央控制單元、CAN總線(xiàn)光纖通信部分和分布單元控制器三部分組成。中央控制單元以CAN總線(xiàn)和分布單元控制器建立通信,建立任務(wù)分工,協(xié)調控制系統的運行。以分布式控制系統代替傳統的集中式的控制系統,解決了集中式控制方式在數據就地采集、處理和獨立控制等方面的問(wèn)題,減少了中央處理單元的負擔,而且擴展了系統功能,實(shí)現了高壓變頻器的遠程智能化監視和控制,改進(jìn)了系統的性能,同時(shí)也更加符合工業(yè)現場(chǎng)的應用;由于CAN總線(xiàn)的通信采用光纖作為介質(zhì),中央控制單元及分布式單元通過(guò)兩根光纖和HUB連接即可完成系統的組裝;由于分布單元結構相同,可采用硬件ID軟件識別的方法使系統的可替換性和伸縮性增強。

2.1中央控制單元

　　基于A(yíng)RM的嵌入式控制系統為核心的中央控制單元主要包括:I/O模塊、A/D數據采集模塊、液晶顯示模塊、GPRS遠程通信模塊、CAN總線(xiàn)通信模塊等外圍的功能模塊,其結構如圖4所示。采用分布式系統的功能劃分,并且利用ARM的32位的運算能力設計的中央控制單元所要執行的任務(wù)包括:高壓變頻系統電源控制、人機交互操作、GPRS遠程通信實(shí)現變頻器的異地監護和遠程參數設定以及遠程運行控制等、電機的調速以及調速系統的運行狀態(tài)控制。其中,電機的調速控制是系統的核心,保持分布式單元的實(shí)時(shí)同步、變頻控制算法實(shí)時(shí)運算工作的合理分配是實(shí)現調速控制的關(guān)鍵環(huán)節。本文通過(guò)中央單元的實(shí)時(shí)校正和總線(xiàn)協(xié)議的可靠性保證系統分布單元的同步性,運算任務(wù)分配的原則是中央控制單元處理人機交互信息中關(guān)于變頻調速的整體信息,并將此信息傳送給各分布式單元,由各個(gè)單元完成PWM算法實(shí)現電壓疊加和電機控制。任務(wù)分配的實(shí)現是以穩定高效的總線(xiàn)協(xié)議為前提的。

2.2 分布式控制單元

　　基于TI公司的DSP芯片TMS320F2407設計的分布式控制單元,充分利用芯片豐富的外設模塊。CAN總線(xiàn)模塊實(shí)現和中央控制單元的通信,接收并反饋控制信息;A/D轉換和數字輸入輸出口的配合使用,實(shí)現橋臂電壓和模塊過(guò)流等保護信號的監測和處理;事件模塊是分布單元控制的核心,根據中央控制單元發(fā)送的電壓頻率、實(shí)時(shí)同步信息、誤差校正信息,以PWM電壓串聯(lián)的處理方法,計算本控制單元當前時(shí)間的PWM電壓輸出的周期和占空比。每相的8個(gè)分布式單元輸出的PWM電壓串聯(lián)疊加波形如圖5所示。通過(guò)調整分布單元的PWM輸出波形,可以使疊加波形逼近完美的正弦波,使變頻系統實(shí)現無(wú)諧波的控制。

2.3 總線(xiàn)協(xié)議設計

　　系統的中央控制單元與各個(gè)分布控制單元之間采用CAN總線(xiàn)通信,這是分布式系統的樞紐。由于工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境比較復雜,存在強電磁干擾,因此,本系統設計了光纖集線(xiàn)器,CAN總線(xiàn)的差分信號用光纖傳輸,進(jìn)一步加強了CAN總線(xiàn)的抗干擾能力,保證了系統通信的穩定可靠。

　　為了滿(mǎn)足分布系統的強實(shí)時(shí)性要求,本文設計了優(yōu)先級動(dòng)態(tài)分配機制和分時(shí)發(fā)送機制。CAN總線(xiàn)各節點(diǎn)的優(yōu)先級是由其標志符決定的,標志符的數值越小優(yōu)先級越高。利用CAN總線(xiàn)的這一特點(diǎn),設計了優(yōu)先級動(dòng)態(tài)分配機制,標志符的高5位作為優(yōu)先級分配位,在數據傳輸時(shí)已經(jīng)屏蔽不作為接收標志;低6位作為接收標志位,根據單元ID設定。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級的分配方法:系統啟動(dòng)后所有節點(diǎn)優(yōu)先級設為中間值11100,CAN總線(xiàn)發(fā)送后開(kāi)始動(dòng)態(tài)分配。當本單元發(fā)送數據成功時(shí),則降低本單元的優(yōu)先級;當本單元發(fā)送數據被總線(xiàn)仲裁為等待時(shí),則提升本單元的優(yōu)先級繼續發(fā)送。雖然優(yōu)先級的動(dòng)態(tài)分配解決了各單元數據傳輸的平等性問(wèn)題,但系統節點(diǎn)較多,使用CAN本身的仲裁機制仍會(huì )有較長(cháng)時(shí)間的發(fā)送等待。而各分布單元之間使用分時(shí)傳輸機制,在控制范圍內沿時(shí)間軸展開(kāi)數據傳輸,這樣就減少了節點(diǎn)之間的總線(xiàn)沖突,提高了通信穩定性。

　　CAN傳輸的8字節數據域制定的協(xié)議格式如表1所示。表中,指令碼標志本指令的內容,源地址發(fā)送單元的標志符,長(cháng)度標志有效數據,接收單元根據長(cháng)度處理數據。指令分為網(wǎng)絡(luò )控制、運行狀態(tài)設置、同步監測和校準、報警監測、故障處理等幾個(gè)類(lèi)別。CAN總線(xiàn)優(yōu)化的控制機制和應用層協(xié)議以穩定的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送控制信息,通信的穩定性和實(shí)時(shí)性得到了實(shí)驗驗證。

3 實(shí)驗驗證

　　高壓變頻系統因為其應用環(huán)境的特殊性,不能在現場(chǎng)直接進(jìn)行穩定性和可靠性的實(shí)驗。本文根據高壓變頻系統控制的原理,模擬現場(chǎng)情況設計了測試系統。測試系統以帶載0～24V的控制單元電壓替換功率單元的0～540V電壓,測試系統拖動(dòng)380V/120W的三相交流電機,從控制準確性、穩定性和可靠性各方面對系統進(jìn)行驗證。

　　為了采集單元疊加波形,在測試系統的電壓輸出端用50kΩ/150kΩ的電阻分壓,測得的相電壓疊加波形如圖6(a)所示。分布式單元的輸出電壓按照理論設計的要求疊加,完全符合控制模型所要求的控制電壓波形,而且分布式嵌入控制系統中八個(gè)控制單元的同步運行正常。

　　圖6(b)所示的線(xiàn)電壓疊加波形為兩相相電壓矢量和。在系統運行過(guò)程中,變化輸出電壓的頻率和峰值、線(xiàn)電壓波形都保持正常,說(shuō)明分布式控制的各相之間的相位差控制算法正確。

　　系統在實(shí)驗環(huán)境下長(cháng)時(shí)間(測試時(shí)間為一周)運行,變頻調速等各項功能穩定正常。本文設計的系統和高壓驅動(dòng)部分均為弱電信號接口,測試平臺的測試情況基本可以反映系統工業(yè)運行情況,測試實(shí)驗證明了本文所設計的嵌入式分布控制策略實(shí)際應用的可行性。

本文對高壓變頻提出了一種新的控制策略,成功地設計了穩定的高壓變頻分布式控制系統測試平臺。該平臺實(shí)現了以電壓串聯(lián)的拓撲結構完成電機的控制運行,系統在模擬的試驗環(huán)境下經(jīng)過(guò)測試,驗證了系統的分布式策略以及通信協(xié)議、控制算法的正確性。且運行良好。

　　分布式控制系統與傳統的控制系統相比,其控制結構簡(jiǎn)單、有較強的伸縮性和可重構性等優(yōu)點(diǎn)。而且具有很強的運算能力,為控制算法的優(yōu)化和控制性能的提高留有很大的上升空間。本文所設計的高壓變頻分布控制系統適合應用于電力、油田、造紙等行業(yè)中的高壓電機的控制。