現(xiàn)場(chǎng)總線在并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)供電系統(tǒng)的容量和可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)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(dāng)今電源技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，它促使逆變電源向智能化，數(shù)字化的方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的分布式電源系統(tǒng)，逆變器的并聯(lián)技術(shù)顯得尤為重要�，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)最早用于過程控制領(lǐng)域，現(xiàn)在已漸漸成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用在逆變電源系統(tǒng)上，無疑將更好地實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的智能化。

1 逆變器并聯(lián)技術(shù)分析

多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)應(yīng)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(huì)在各逆變器之間引起環(huán)流，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成嚴(yán)重的事故。下面以2臺(tái)逆變電源對(duì)同一負(fù)載供電為例進(jìn)行分析，等效電路圖如圖1所示。

設(shè)X1=X2，則由上述公式可得出結(jié)論：在逆變電源系統(tǒng)中，各逆變單元的相位角之差將導(dǎo)致有功功率的差異，從而形成有功環(huán)流；各逆變單元輸出電壓的幅值差將導(dǎo)致無功功率的差異，從而形成無功環(huán)流。在相位同步的前提下，本文提出了一種利用現(xiàn)場(chǎng)CAN總線來實(shí)現(xiàn)逆變電源系統(tǒng)各逆變單元均流的方案。

2 現(xiàn)場(chǎng)CAN總線簡(jiǎn)介

控制器局部網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。

CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1 MB／s。它的總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等工作。CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免總線沖突。CAN節(jié)點(diǎn)在出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響。

CAN通信協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，同時(shí)8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用過長(zhǎng)的總線時(shí)間，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

3 基于DSP2407A的CAN總線設(shè)計(jì)

TMS320LF2407A(DSP2407A)是美國(guó)TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它專門為數(shù)字控制設(shè)計(jì)，其集DSP的高速信號(hào)處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。TMS320LF2407A系統(tǒng)組成包括：40 MHz，40 MIPS的低電壓3.3 V CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備。TMS320LF2407A包含2個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)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(gè)16位的外設(shè)模塊，該模塊完全支持CAN2.0 B協(xié)議，6個(gè)郵箱(其中0，1用于接收；4，5用于發(fā)送；2，3可配置為接收或發(fā)送)每次可以傳送0～8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，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(qiáng)的錯(cuò)誤診斷、自動(dòng)錯(cuò)誤重發(fā)和遠(yuǎn)程請(qǐng)求回應(yīng)、支持自測(cè)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(fā)總線上的數(shù)據(jù)將由CAN控制器中的6個(gè)郵箱(mail-box)完成，通過設(shè)置每個(gè)郵箱中的屏蔽寄存器可以對(duì)來自總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，丟棄一些無用的信息。利用CAN總線作為并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的通訊總線，將每個(gè)逆變器的編號(hào)和輸出電流、電壓等信息在每個(gè)工頻周期中發(fā)送給位于總線上的其他逆變器，這樣每個(gè)逆變器都可以計(jì)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(jù)這個(gè)值與自身實(shí)際輸出電壓值的誤差，來調(diào)節(jié)各單元的輸出電壓值，最終實(shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變電源的均流控制。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CAN總線收發(fā)器選用Microchip公司的MCP2551，MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，包括能滿足24 V電壓要求。它的工作速率高達(dá)1 Mb／s。RS引腳可選擇3種操作模式：高速、斜率控制、待機(jī)。在本系統(tǒng)中為了通過限制CANH和CANL的上升下降時(shí)間來進(jìn)一步減少EMI，選用斜率控制模式。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

MCP2551引腳圖如圖3所示。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，MCP2551與DSP 2407A的CAN控制器之間加一個(gè)光耦隔離6N137，這樣可以很好地實(shí)現(xiàn)CAN總線節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)通信的功能是將本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息通過CAN總線以廣播形式傳給網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)，并且接受其他節(jié)點(diǎn)傳來的信息。因此軟件的設(shè)計(jì)可以分為3部分：系統(tǒng)的初始化、信息的定時(shí)發(fā)送和中斷接收。主程序在完成初始化后打開中斷，在TMS32LF2407A的數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)中對(duì)模塊的輸出電流進(jìn)行采樣，在一個(gè)工頻周期結(jié)束后，計(jì)算逆變器的輸出電流值和對(duì)各模塊進(jìn)行編號(hào)，通過定時(shí)發(fā)送程序，每隔2 ms就向CAN總線上發(fā)送1次，按照既定的均流算法，進(jìn)入下個(gè)循環(huán)周期。在中斷接收程序中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到接收緩沖區(qū)，供主程序使用。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在Matlab 6.5軟件平臺(tái)上對(duì)上述方案進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如下：輸入電壓為DC48 V，輸入電流為14 A(220 VDC，3 kVA)，單臺(tái)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(huán)控制，L=2.7 mH，C=4.5 μF，并機(jī)數(shù)量為2臺(tái)。其中電流環(huán)采用P調(diào)節(jié)，電壓環(huán)采用P1調(diào)節(jié)，設(shè)定P=5。仿真算法采用變步長(zhǎng)的ode23tb，仿真時(shí)間為0.05 s，采樣時(shí)間為0.002 s。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可看出，將CAN現(xiàn)場(chǎng)總線引入本系統(tǒng)中，可達(dá)到較好的均流效果。在圖5中，當(dāng)實(shí)現(xiàn)并機(jī)時(shí)，兩臺(tái)逆變器輸出電流分別為6.8 A，6.9 A，可以很好地實(shí)現(xiàn)分擔(dān)負(fù)載的任務(wù)。

5 結(jié) 語

本文將現(xiàn)場(chǎng)CAN總線引用到并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中，較好地解決了并聯(lián)逆變電源普遍存在的環(huán)流問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。同時(shí)真正實(shí)現(xiàn)(N+X)并聯(lián)冗余，可以在不斷開負(fù)載的情況下通過熱插拔增加或減少并機(jī)模塊，利用CAN總線的特點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)不受影響。

作者：謝峰，沈錦飛，呂哲，韓新建 (江南大學(xué) 通信與控制工程學(xué)院 江蘇 無錫 214122) ■