現場總線在并聯逆變電源系統中的應用

2008-04-12 00:00:00謝峰沈錦飛呂哲韓新建

現代電子技術 2008年20期

摘要：提出將現場CAN總線引用到并聯逆變電源系統中的設計理念，對逆變器并聯技術進行分析，由此提出一種利用CAN總線實現各逆變單元的通信，最終實現消除各逆變器之間環流的方案。介紹CAN總線的特點，并利用DSP2407A實現逆變器的控制和CAN總線的通信，同時給出CAN總線的軟件設計。最后在Matlab平臺上對系統進行仿真，仿真實驗結果證明：利用CAN總線可以更好地實現該電源系統的穩定性和抗干擾性。

關鍵詞：CAN總線；并聯逆變電源；環流；DSP

中圖分類號：TM464文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2011303

Application of Field Bus in Parallel Operation System of Inverters

XIE Feng，SHEN Jinfei，LV Zhe，HAN Xinjian

(School of Communications and Control Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122，China)

Abstract：CAN bus is proposed to be utilized in the parallel operation system of inverters，and then the technology of parallel inverters is analyzed.A method of eliminating circulating current between inverters based on inverters′ communication on CAN bus is proposed.The characteristics of CAN bus are introduced and DSP2407A is used f_or inverters′ control and the communication of CAN bus.The design of CAN software is also listed in the paper.The experimental result shows that CAN bus can improve this system′s reliability and anti-jamming perf_ormance.

Keywords：CAN bus;inverters;parallel;circulating current;DSP

隨著現代社會經濟的迅猛發展，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足需要，新型的分布式供電模式成為當今電源技術發展的趨勢，它促使逆變電源向智能化，數字化的方向發展。為了實現穩定可靠的分布式電源系統，逆變器的并聯技術顯得尤為重要。現場總線技術最早用于過程控制領域，現在已漸漸成為工業自動化領域的熱點，將現場總線技術應用在逆變電源系統上，無疑將更好地實現該系統的智能化。

1 逆變器并聯技術分析

多臺逆變器并聯^［1，2］運行時應滿足下列條件：各逆變器的交流輸出電壓要保證同頻、同相、同幅，否則就會在各逆變器之間引起環流，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行分析，等效電路圖如圖1所示。

設電源1的相位角為φ1，電源2的相位角為φ2，負載ZL兩端電壓為U0∠0。通過簡單的電路分析可以得出以下結論：逆變電源1的輸出電流I1=U1(cos φ1+jsin φ1)－U0jX1 ，輸出的無功功率Q1=U0(U1cos φ1－U0)X1。在通常情況下由于逆變器輸出電壓與系統電壓U0之間相位差φ1很小，可近似認為sin φ1φ1，cos φ11，則P1U1U0X1φ1，Q1U0(U1－U0)X1。同理可得逆變電源2輸出的有功功率P2U2U0X2φ2，Q2U0(U2－U0)X2。

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，從而形成有功環流；各逆變單元輸出電壓的幅值差將導致無功功率的差異，從而形成無功環流。在相位同步的前提下，本文提出了一種利用現場CAN總線來實現逆變電源系統各逆變單元均流的方案。

圖1 逆變器并聯分析

2 現場CAN總線簡介

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

CAN總線^［3，4］是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1 MB/s。它的總線通信接口中集成了CAN協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、循環冗余檢驗、優先級判別等工作。CAN采用非破壞性仲裁技術，當兩個節點同時向網絡上傳送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，有效避免總線沖突。CAN節點在出現嚴重錯誤的情況下，具有自動關閉輸出的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上其他操作不受影響。

CAN通信協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點是：可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義211或229個不同的數據塊。這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，同時8個字節不會占用過長的總線時間，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用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總線設計

TMS320LF2407A（DSP2407A）是美國TI公司推出的新型高性能16位定點數字信號處理器，它專門為數字控制設計，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個專用于電機控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器（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16位的外設模塊，該模塊完全支持CAN2.0 B協議，6個郵箱(其中0，1用于接收；4，5用于發送；2，3可配置為接收或發送)每次可以傳送0~8個字節的數據，具有可編程的局部接收屏蔽、位傳輸速率、中斷方案和總線喚醒事件、超強的錯誤診斷、自動錯誤重發和遠程請求回應、支持自測試模式等功能，因此選擇該DSP芯片作為CAN總線的控制器。收發總線上的數據將由CAN控制器中的6個郵箱（mail-box）完成，通過設置每個郵箱中的屏蔽寄存器可以對來自總線上的數據進行篩選，丟棄一些無用的信息。利用CAN總線作為并聯逆變器系統的通訊總線，將每個逆變器的編號和輸出電流、電壓等信息在每個工頻周期中發送給位于總線上的其他逆變器，這樣每個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。根據這個值與自身實際輸出電壓值的誤差，來調節各單元的輸出電壓值，最終實現并聯逆變電源的均流控制。

3.1 系統硬件結構設計

CAN總線收發器選用Microchip公司的MCP2551^［5］，MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協議控制器和物理總線接口。MCP2551可為CAN協議控制器提供差分收發能力，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿足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限制CANH和CANL的上升下降時間來進一步減少EMI，選用斜率控制模式。系統硬件設計圖如圖2所示。

圖2 系統硬件設計圖

MCP2551引腳圖如圖3所示。

圖3 芯片引腳圖

為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，MCP2551與DSP 2407A的CAN控制器之間加一個光耦隔離6N137，這樣可以很好地實現CAN總線節點間的電氣隔離。

3.2 軟件設計

CAN節點通信的功能是將本節點的數據信息通過CAN總線以廣播形式傳給網絡上的其他節點，并且接受其他節點傳來的信息。因此軟件^［6］的設計可以分為3部分：系統的初始化、信息的定時發送和中斷接收。主程序在完成初始化后打開中斷，在TMS32LF2407A的數據采集中斷服務中對模塊的輸出電流進行采樣，在一個工頻周期結束后，計算逆變器的輸出電流值和對各模塊進行編號，通過定時發送程序，每隔2 ms就向CAN總線上發送1次，按照既定的均流算法，進入下個循環周期。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 仿真實驗結果

在Matlab 6.5軟件平臺上對上述方案進行仿真。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控制，L=2.7 mH，C=4.5 μF，并機數量為2臺。其中電流環采用P調節，電壓環采用PI調節，設定P=5。仿真算法采用變步長的ode23tb，仿真時間為0.05 s，采樣時間為0.002 s。仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 并聯輸出電壓和環流波形

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

圖5 并聯輸出電流波形

5 結語

本文將現場CAN總線引用到并聯逆變電源系統中，較好地解決了并聯逆變電源普遍存在的環流問題，提高了系統的穩定性和抗干擾性。同時真正實現(N+X)并聯冗余，可以在不斷開負載的情況下通過熱插拔增加或減少并機模塊，利用CAN總線的特點，使得整個系統不受影響。

參考文獻

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