基于CAN總線和LabVIEW的直流/直流變流器監控上位機

張狄林，劉軼強，肖飛，楊國潤

?

基于CAN總線和LabVIEW的直流/直流變流器監控上位機

張狄林1，劉軼強1，肖飛2，楊國潤2

(1.海軍駐湖南地區軍事代表室，湖南湘潭 411101；2.海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033)

為了實現中壓直流電網至低壓直流電網的能量傳送，設計了一種帶隔離的中頻中壓大容量三電平H橋變流器，簡稱DC/DC變流器。變流器采用先逆變，后通過中頻變壓器降壓，再整流的拓撲結構，需要觀測的電氣量較多，為此設計了基于CAN總線和LabVIEW的監控上位機。實驗驗證了CAN總線通訊的實時性和可靠性以及上位機的功能。

直流/直流變流器 CAN總線LabVIEW 監控上位機

0 引言

三電平H橋[1]直流直流變流器的主電路結構如圖1所示。輸入直流電壓為d，輸出直流電壓為o，前端d1和d2為直流均壓電容，電容大小相等，其后為二極管箝位型三電平H橋結構，G1-G8為8個IGBT，D1-D8為反并聯二極管，Dc1-Dc4為箝位二極管，Dr1-Dr4為整流二極管。H橋輸出通過中頻變壓器降壓后由不控整流橋整流后經LCL濾波器濾波輸出到下級電網。

變流器需要觀測的電量如表1所示：

表1 變流器需要觀測的電量

為了實時觀測表1所列的電量，同時實現控制變流器的啟停機等功能，設計了基于CAN總線和LabVIEW的監控上位機。

1 CAN總線特性分析

CAN是Controller Area Net的縮寫，即控制器局部網絡[2]，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。

CAN總線具有以下優點[3]：

1） 信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，傳輸時間短，受干擾的概率低；

2） 采用非破壞性總線仲裁技術，可以避免總線沖突，當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響，抗干擾能力較強的；

3） 支持多主工作方式，支持點對點、一點對多點及全局廣播等多種數據收發方式；

4） 具有完善的錯誤檢測機制，能夠滿足構建高性能、高實時性系統的要求；

5） 接口簡單、編程方便、開發系統價格便宜。

2 LabVIEW特性分析

LabVIEW[4]是一個使用圖形符號來編寫程序的編程環境。在這一點上，它不同于傳統的編程語言，如C，C++或Java，這些語言使用文本方式編程。然而，LabVIEW不僅僅是一種編程語言，它還是一種編程開發環境和運行系統。

LabVIEW包含特定的應用程序庫代碼，如：數據采集(DAQ)[5]、通用功能接口總線(GPIB)、串行口儀器控制、數據分析、數據顯示、數據存儲、Internet通信。分析庫包含了大量實用的函數，包括信號產生、信號處理、濾波器、窗口、統計、回歸、線性代數、矩陣運算。

一個LabVIEW程序由一個或多個虛擬儀器(VI)組成。之所以稱之為虛擬儀器是因為它們的外觀和操作通常都是模擬了實際的物理儀器。然而，在這些面板之后，還有類似于流行的編程語言如C或BASIC中的主程序、函數、子程序。LabVIEW程序稱為“VI”。

每一個VI都由三個主要部分組成：前面板、框圖和圖標。

前面板是VI的交互式界面；框圖是實際可執行的程序；圖標是VI的圖形表示，會在另外的VI框圖中作為一個對象使用。

為了直觀理解上述概念，表2中列出了一些LabVIEW術語及其等效的常規語言術語。

表2 LabVIEW術語及其等效的常規語言術語

3 上位機平臺構建及實驗驗證

上位機通過以太網與CAN卡連接，CAN卡通過CAN總線與DSP進行通信。

實驗中采用戴爾T3500作為上位機，CAN卡采用的是周立功的CANET-200T[6]，DSP采用的是TI的F28335。上位機與CAN卡之間通過網線連接，CAN卡與DSP之間通過屏蔽雙絞線連接。

圖3 CAN總線上的數據幀波形

實驗中，DSP將傳感器采集到的電量通過CAN總線發送到CAN卡，示波器采集到的總線上的數據幀如圖3所示。DSP的發送策略是一次發送8幀數據，這與圖3顯示的幀數一致，證明了發送策略的有效性。CAN卡再將接收到的數據轉發給上位機，上位機按照一定的協議將這些數據顯示為實時的波形，如圖4所示，實現了對變流器電量的監控。

5 結論

本文針對三電平H橋直流直流變流器的拓撲結構和技術特點以及控制要求，設計了基于CAN總線和LabVIEW的監控上位機。CAN總線的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾的概率低。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，采用LabVIEW編寫的上位機顯示直觀，操作方便。實驗驗證了CAN總線通訊的實時性和可靠性以及上位機的功能。

圖4 變流器電量顯示

[1] Nabea A, Takahashi I, Akag H I. A new neutral-point clamped PWM inverter[J]. IEEE Trans. Ind. Applicat.,1981, IA-17 (5): 518-523.

[2] 楊春杰, 王曙光, 亢紅波. CAN總線技術[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2010.

[3] 宋曉強. CAN bus高層協議CANopen的研究以及在模塊化CAN控制器上的實現[D]. 碩士學位論文.天津大學, 2005.

[4] Jeffrey Travis, JimKring著, 喬瑞萍等譯. LabVIEW大學實用教程(第三版)[M]. 北京:電子工業出版社, 2008.6.

[5] 易新強, 張狄林, 劉繼祖, 蘇振中. 基于LabVIEW的電機轉子無線測溫系統性能研究[J]. 船電技術, 2011, 31(2):21-25.

[6] CANET-100T/200T以太網CAN-bus數據轉換器. 廣州致遠電子有限公司,2010.8.

A Supervisory Software of DC/DC Converter Based on CAN Bus and LabVIEW

Zhang Dilin1, Liu Yiqiang1, Xiao Fei2, Yang Guorun2

(1. Naval Representatives’ Office of in Hunan, Xiangtan 411101, China; 2. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2013）04-0049-02

2012-12-24

國家自然科學基金創新研究群體基金項目(50721063)；國家自然科學基金資助(51077130)。

張狄林(1968-)，男，高級工程師。專業方向：電力電子與電力傳動方面。