基于CANopen協議的三相逆變器并聯控制系統設計

摘 要：本文在討論三相逆變器的集中并聯控制方法基礎上，提出基于CAN總線的分散邏輯并聯控制和下垂控制相結合的三相逆變器并聯控制系統的設計方案。該系統能夠滿足三相逆變器并聯控制對處理速度、通信速率和靈活性的要求。

關鍵詞：CANopen協議；CAN總線；逆變器并聯；控制系統

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-02

一、需求分析

隨著新能源和電力電子技術的研究和應用的不斷深入，對分布式發電技術的需求變得日益廣泛。逆變器的并聯控制技術，是分布式發電技術的核心。要實現兩臺或多臺三相逆變器的并聯運行，不但要求它們每一相輸出的電壓幅值相等，而且要求輸出電壓信號的頻率和相位嚴格一致，這是最理想的工作狀態。但是，在實際的逆變器并聯系統中，由于電路參數的差異和負載的經常變化或因為控制系統的固有特性問題，不同逆變器之間的這三個參數不可能完全相等，導致彼此之間存在一定的電壓差，從而在系統內部形成環流。環流會引起設備的損壞。因此在逆變器控制上必須解決逆變器之間的同步與均流控制問題。本文在比較了多種逆變器并聯的控制方式后，選擇了結合分散邏輯并聯控制和無互連線并聯控制的控制方案，研究適用于該方案的控制系統實現方法。

二、并聯控制方法的選擇

逆變器并聯的控制方式一般分為集中控制、主從控制、分散邏輯控制和無互連線控制四種控制策略。結合分散邏輯并聯控制和無互連線并聯控制兩者的優勢相互結合，得到了較好的控制效果。本文將研究適用于此并聯控制方法的控制系統實現方案。該方案主要特點如下：（1）控制系統以TMS320F2812 DSP為核心，實現逆變器的數字控制；（2）單臺逆變器可以實現了外特性的下垂特性控制，即使是在網絡失效的情況下，也可以實現逆變器之間的并聯運行，不會帶來系統的風險或停機；（3）多個逆變器之間的同步和均流信號同時經過CAN總線通信實現，進一步增強系統的穩定性和可靠性。

三、控制系統的硬件結構

整個控制系統以DSP為核心，結合外圍的采樣與輸入輸出電路和CAN總線通信電路，實現逆變器的數字控制，硬件結構框圖如1圖所示。

（一）DSP芯片選用TI公司的定點控制芯片TMS320F2812，具有150MHz的高速處理能力，依賴于其專門針對變流器設計的事件管理器EV，完成變流器的閉環控制、同步信號捕獲及PWM脈沖產生。同時TI公司提供了專用的浮點數學函數庫，能夠在定點處理器上方便地實現浮點運算，并支持C與C++編程語言，便于軟件開發以及代碼的更新與維護。

（二）數字信號輸出電路和數字信號輸入電路采用74HC245、74HC373、74HC244等通用芯片實現與DSP的地址和數據總線接口，由DSP進行讀取和控制相關數字量。

（三）模擬輸入調理電路主要由跟隨器組成，完成信號的電平變換和對外部輸入信號的高阻抗和對內部ADC芯片的低阻抗特性。ADC芯片為AD7938芯片，該芯片為8通道12位并行接口的模數轉換芯片，內部自帶采樣保持器和排序器，采樣速率最大1.5MSPS。模擬輸出調理電路采用AD7226和運算放大器組成。模擬信號捕獲電路由若干個比較器組成，用于得到輸入傳感器信號的過零信號的判斷。

（四）232接口用于調試和控制、狀態信息的傳輸。PWM脈沖輸出為IGBT的開關信號，通過TMS320F2812內部的事件管理器的PWM模塊產生。PWM脈沖信號輸出至IGBT的驅動板后最終驅動IGBT的導通與關斷。

（五）TMS320F2812片上提供了增強型CAN總線控制器eCAN模塊，性能較之前的DSP內嵌CAN控制器有較大的提高，數據傳輸更加靈活方便，可靠性更高，功能更加完備。CAN驅動器使用TI公司的SN65HVD232芯片，該芯片是驅動CAN控制器和實際CAN物理總線的接口，提供對總線的差動發送和接收功能。SN65HVD232可以由3.3V電源供電，TMS320F2812也是用3.3V供電，兩者可以直接連接。

四、通信協議設計

本系統中各個逆變器控制器之間交換數據采用CAN總線完成。為了更加方便的在各個逆變器之間進行數據交換，在本系統中基于CANopen協議設計了逆變器之間的通信協議。如圖2所示。

在CANopen協議的數據傳輸中共定義了4類對象（通訊模式），分別為網絡管理對象（NMT）、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（PDO）和特殊功能對象。CANopen設備之間的通訊具有三種通訊模型，主從（master/slave）模型、客戶端/服務器（client/server）模型和生產者/消費者（producer/consumer）模型。在本系統中，要求各個逆變器之間以確定且固定的速率傳輸各自的狀態，因此選擇生產者/消費者模型作為本系統的CAN總線通訊模型。該模型中為了管理各個節點之間數據的收發，CANopen提供了一種同步（SYNC）協議。該協議中，Sync-Producer（同步生產者）為Sync-Consumer（同步消費者）提供同步信號。當Sync-Consumer接收到該信號時，它們開始執行他們的同步任務，如圖所示。在本系統中，任務就是收到對應同步信號的生產者將有功功率和無功功率等信號通過PDO報文傳輸出去，由其它逆變器接收。如圖3所示。

從圖中可以看出，在本系統中除了各個需要并聯的逆變器需要連接到CAN總線意外，還需要一個Sync-Producer（同步生產者）來按照固定頻率來發送SYNC報文。為了減少逆變器控制系統設計的復雜性，在本系統中專門設置了一臺監控計算機作為CANopen主站設備。該計算機上安裝了具備PCI總線接口的CANopen網卡PCI-5010P。

以下的表格為在四臺逆變器并聯控制系統中采用CANopen協議的節點、對象字典和TPDO、RPDO的配置和定義情況。

五、結束語

本文在討論了三相逆變器的集中并聯控制方法基礎上，提出了基于CAN總線的分散邏輯并聯控制和下垂控制相結合的三相逆變器并聯控制系統的設計方案。該控制系統硬件上基于TMS320F2812 DSP作為主控芯片，文中描述了其它相關接口的實現方法。作為逆變器間交換控制相關數據的方法，針對CAN總線本身協議不完整的缺點，提出了基于CANopen協議實現的適用于本系統的通信協議，給出了通訊參數、映射參數和對象字典等。該系統能夠滿足三相逆變器并聯控制對處理速度、通信速率和靈活性的要求。

參考文獻：

[1]郭景.基于CAN總線的主從式三相逆變電源并聯控制技術研究[D].燕山大學，2006.

[2]Zhang.Y.Ma，H.Theoretical and Experimental Investigation of Networked Control for Parallel Operation of Inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics.2012，59（04）.

[作者簡介]熊彪（1981.08-），男，工程師，本科，研究方向：鐵道供電。