雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)勵磁功率單元的研制

韓雪晶，郭嘉，李志軍

（河北工業(yè)大學(xué) 電工廠，天津 300130）

1 引言

勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機的關(guān)鍵控制設(shè)備，其性能優(yōu)劣與可靠性高低直接影響發(fā)電機與電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行［1］。而勵磁功率單元又是構(gòu)成勵磁系統(tǒng)的重要一環(huán)，為同步發(fā)電機提供從空載到滿載及過載時所需的勵磁電流。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的勵磁功率單元普遍存在檢測功能不全、信息傳送、控制和檢測技術(shù)落后等問題，這勢必影響到勵磁系統(tǒng)整體性能的提高，從而妨礙電力系統(tǒng)整體性能的提升。

本文介紹的基于dsPIC30F6014A的勵磁功率單元具有完備的檢測、控制、網(wǎng)絡(luò)功能。為了提升CAN總線在勵磁控制系統(tǒng)中通訊的可靠性，提出了一種基于dsPIC的雙路CAN總線冗余通訊設(shè)計方案［2］，最后通過試驗，驗證了CAN總線勵磁功率單元的可行性。

2 功率單元系統(tǒng)原理及功能特點

同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)，一般采用多個功率整流單元并聯(lián)運行，功率整流單元采用三相全控橋式接線，當有1條支路退出運行時，應(yīng)保證發(fā)電機在所有工況下連續(xù)運行；當并聯(lián)支路等于或大于4，而有1／2的并聯(lián)支路退出運行時，應(yīng)保證發(fā)電機帶額定負荷連續(xù)運行。1個功率單元的額定輸出能力不單受晶閘管元件參數(shù)的限制，更重要的是取決于散熱系統(tǒng)的散熱能力。采取有效措施，限制交直流側(cè)過電壓，對功率單元的運行工況進行全面監(jiān)測，提高并聯(lián)功率單元之間的均流等都是功率單元設(shè)計應(yīng)考慮的問題。

本文提出的網(wǎng)絡(luò)化功率單元系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。三相晶閘管全控橋是功率單元的主要部分，而控制它按照調(diào)節(jié)器的要求輸出勵磁電流成為了關(guān)鍵，本設(shè)計中每個功率單元內(nèi)安裝有一套嵌入式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主機單元、通訊接口、數(shù)字IO單元、A／D單元、D／A單元、傳感器、以及相應(yīng)的輸入輸出接口電路等。本設(shè)計方案首先通過CAN總線通訊接受調(diào)節(jié)器的控制，根據(jù)此控制信號及同步電壓信號產(chǎn)生調(diào)節(jié)器要求的脈沖信號，經(jīng)過放大及隔離電路送到晶閘管的控制極控制勵磁電流的大小。同時將本功率單元的輸出電流值通過CAN通訊發(fā)送給調(diào)節(jié)器，以便于調(diào)節(jié)器檢測控制及多功率柜之間的均流。控制系統(tǒng)對功率單元的檢測是全方位的，檢測功能包括：橋臂電流和單橋總輸出電流，六相脈沖檢測，快熔狀態(tài)，進風口和出風口溫度檢測，風機開停狀態(tài)，風機是否斷相，風壓檢測，交、直流側(cè)開關(guān)位置狀態(tài)，脈沖電源投切狀態(tài)。保證了用戶在使用本產(chǎn)品的過程中及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，實現(xiàn)了功率單元的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。本系統(tǒng)采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)，當其中1個網(wǎng)絡(luò)通訊故障時，由另一網(wǎng)絡(luò)接管。

圖1 功率單元系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of power unit system

3 冗余CAN總線的設(shè)計方案和硬件實現(xiàn)

在硬件設(shè)計中，根據(jù)勵磁功率單元的特點，設(shè)計了以dsPIC30F6014A單片機為控制核心的外圍硬件電路包括同步電壓形成電路（如圖2所示），模擬量信號處理電路（如圖3所示），移相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路和通訊電路等。由于系統(tǒng)采用了冗余CAN總線通訊技術(shù)，因此冗余CAN總線接口設(shè)計是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。這里主要介紹CAN總線電路設(shè)計［3］。

雖然CAN協(xié)議自身有比較強的檢錯和糾錯能力，但是在工業(yè)控制現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境中，機械和電磁的噪聲等都會影響CAN總線的可靠通信，進而使系統(tǒng)的整體可靠性大大降低，冗余是提高可靠性的較好方法，也是一個成功的經(jīng)驗［4］。

圖2 同步電壓形成電路Fig.2 Diagram of synchronous voltage formation

圖3 電壓信號處理電路Fig.3 Diagram of voltage signal processing circuit

圖4 CAN總線接口電路Fig.4 CAN bus interface circuit

采用dsPIC30F6014A芯片為控制核心的CAN接口硬件原理實現(xiàn)圖如圖4所示。由于dsPIC30F－6014A芯片內(nèi)部集成了2個和CAN2.0B標準兼容的CAN總線模塊，支持CAN協(xié)議的CAN2.0A，CAN2.0B的主動和被動版本［5］，這些突出的特點使dsPIC30F非常適宜冗余CAN總線通訊系統(tǒng)的硬件設(shè)計。鑒于dsPIC30F內(nèi)部已經(jīng)集成了雙路CAN控制模塊，因此我們只設(shè)計了其接口驅(qū)動電路。以單路CAN為例說明，另一路完全相同。選用HVD1050器件作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，對CAN協(xié)議控制器提供差動接收能力，對傳輸總線提供差動發(fā)送能力。圖4中在HVD1050與dsPIC30F之間接入光電隔離主要是出于安全角度，以便提高系統(tǒng)的可靠性，這里選用高速光電隔離芯片6N137實現(xiàn)。

4 冗余CAN總線通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本勵磁功率柜控制器的軟件設(shè)計中，主要的設(shè)計思想有3個方面：一是軟件必須滿足實時控制的需要；二是軟件要充分發(fā)揮dsPIC30F的指令和硬件特點；三是軟件要有很強的靈活性、通用性和可靠性。根據(jù)所要完成的功能不同，我們將整個勵磁控制器的軟件劃分為以下模塊：開關(guān)量輸入輸出、A／D轉(zhuǎn)換、脈沖形成與脈沖移相、通訊（包括CAN和UART）、輸入捕捉、輸出比較、檢測程序等。這里只介紹CAN通訊程序設(shè)計。

本系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要包括節(jié)點初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序以及CAN總線切換等。限于篇幅僅介紹CAN總線冗余切換程序設(shè)計思路。系統(tǒng)采用雙CAN冗余方式運行，系統(tǒng)中2路CAN總線同時工作，2路總線都正常時，它們每一時刻在勵磁裝置中傳遞同樣的數(shù)據(jù)，每個節(jié)點對2路總線發(fā)來的數(shù)據(jù)都會接收到，各節(jié)點對傳輸數(shù)據(jù)進行比較，判斷為正確信號后再進行控制和計算。按照CAN總線出現(xiàn)的錯誤類型，系統(tǒng)通訊故障可分為通道通訊故障和總線通訊故障，處理器利用CAN總線控制器的故障界定狀態(tài)機制判斷通訊故障，并向處理器發(fā)送故障狀態(tài)。每個節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測功能，當一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時會自動退出，同時另一網(wǎng)絡(luò)仍可保證勵磁系統(tǒng)正常運行。CAN總線控制程序框圖如圖5所示。

圖5 CAN總線控制程序框圖Fig.5 Block diagram of CAN bus control

5 系統(tǒng)注意的問題

系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題如下。

1）CAN總線驅(qū)動為電流型，總線兩端的2個120Ω的電阻，對于匹配總線阻抗，起著相當重要的作用。若忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低。

2）在使用雙層屏蔽線的雙絞線時，使用者必須注意：電纜的外屏蔽層只能通過1個連接器的外殼連接到大地上。

3）CAN總線信號傳輸介質(zhì)使用雙絞線，信號傳輸方式采用差動發(fā)送和差動接收的方式。CAN系統(tǒng)內(nèi)2個任意節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，位速率為1Mb／s時，最大總線長度40m，位速率為500kb／s時，最大總線長度130m，位速率為250kb／s時，最大總線長度270 m，位速率為125kb／s時，最大總線長度530m。實際應(yīng)用中，考慮到現(xiàn)場干擾等因素，總線長度一般不可能用到極限。

4）在軟件設(shè)計時，CAN總線定時器的設(shè)置非常關(guān)鍵，CAN總線上的所有控制器必須有相同的波特率和位長度。然而，不同的控制器并不要求使用相同的主振蕩器時鐘。如果各個控制器的時鐘頻率不同，必須通過調(diào)節(jié)各段的時間份額數(shù)調(diào)節(jié)波特率。下面是時間段編程的一些要求：①傳播段＋ 相位緩沖段1≥相位緩沖段2；②相位緩沖段2＞同步跳轉(zhuǎn)寬度。

通常，位的采樣應(yīng)當發(fā)生在位時間的60%～70%左右，取決于系統(tǒng)參數(shù)。實際應(yīng)用表明，通常使用本文推薦的接口參數(shù)能延伸到更長的距離。

6 試驗結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)化功率單元應(yīng)用于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中［6］。現(xiàn)將其在1臺同步三相發(fā)電機上進行試驗，試驗系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 試驗系統(tǒng)圖Fig.6 Diagram of test system

實驗中采用的三相同步發(fā)電機的具體參數(shù)如表1所示。

表1 三相同步發(fā)電機參數(shù)Tab.1 Three－phase synchronous generators parameters

6.1 起勵試驗及調(diào)壓范圍試驗

發(fā)電機達到額定轉(zhuǎn)速，AVR投入，設(shè)定發(fā)電機電壓給定值為80%額定機端電壓，按投勵按鈕，記錄起勵過程，圖7為錄波裝置測得的起勵波形圖。按減磁按鈕將發(fā)電機端電壓降至20%額定電壓，按增磁按鈕調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓至110%額定電壓。測得發(fā)電機電壓給定范圍為70%～110%額定電壓，發(fā)電機勵磁電流給定范圍為20%～110%額定勵磁電流，滿足國家標準要求。

圖7 起勵波形圖Fig.7 Waveforms of the excitation flashing

6.2 逆變試驗

發(fā)電機空載額定情況下，按逆變按鈕，記錄逆變過程，滅磁過程迅速，平穩(wěn)。

6.310 %階躍試驗

發(fā)電機空載情況下（90% 額定機端電壓），進行10%階躍試驗，記錄階躍過程。圖8為錄波裝置測得的＋10%階躍波形圖。波形圖表明，該調(diào)節(jié)性能完全能滿足國家標準要求，證明了CAN網(wǎng)絡(luò)功率單元的實時性和可行性。

圖8 ＋10%階躍試驗Fig.8 ＋10%step experiment

6.4 電壓／頻率特性試驗

調(diào)節(jié)器自動運行方式，發(fā)電機達空載額定電壓，調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為額定轉(zhuǎn)速的95%到1.03倍。試驗測定發(fā)電機電壓的變化不大于額定值的±0.23%。

6.5 并網(wǎng)試驗及帶負荷調(diào)節(jié)試驗

發(fā)電機并網(wǎng)后，發(fā)電機在不同的有功負荷下調(diào)節(jié)勵磁，無功功率在低勵限制值到額定勵磁電流的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)平穩(wěn)，勵磁電壓無明顯晃動和異常信號。

6.6 甩負荷試驗

發(fā)電機并網(wǎng)帶額定無功功率負荷，由中控人員人為斷開發(fā)電機出口開關(guān)，發(fā)電機甩負荷。發(fā)電機電壓維持在空載額定值，電壓超調(diào)量小于15%額定值，振蕩次數(shù)不超過3到5次，調(diào)節(jié)時間小于10s。

7 結(jié)論

試驗證明本文提出的雙冗余容錯的CAN網(wǎng)絡(luò)勵磁功率單元各種指標均能滿足國家標準要求，且硬件簡單、運行可靠，具有很高的推廣價值。目前已在多個電站應(yīng)用，運行效果良好。

［1］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機整流器勵磁系統(tǒng)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］Microchip Technology Inc.dsPIC30F6014Datasheet［DB／OL］.2004.

［3］BOSCH.CAN SPECIFICATTON（Version 2.0）［DB／OL］.1991.

［4］禹春來，許化龍，劉根旺，等.CAN總線冗余方法研究［J］.測控技術(shù)，2003，22（10）：28－30，41.

［5］Philps Semiconductors.PCA82C250CAN Transceiver for 24VSystems［DB／OL］.2000.

［6］汪慶年，李斌，張廣棟.基于DSP的新型柴油發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)研究［J］.電氣傳動，2010，40（5）：63－66.