CAN总线在基于DSP 的逆变器并联运行控制中的应用

引　言
 
　　采用模块化的逆变电源并联运行构成大容量的备用电源系统具有一系列优点:首先从使用者的角度来看,第一是扩容方便,因而在系统设计选型时可以比较随意;第二是维护简便,当某个模块发生故障时只需用新模块将其替换下来即可,而不影响系统的输出,因而在使用过程中可以节约人力物力。其次从生产者的角度来看,标准化的模块便于生产的规模化,从而更容易降低产品的设计、生产和调试成本,提高竞争力。

1 逆变器并联运行控制的方法

　　逆变器是直流输入、交流输出的电能变换器。多个逆变器并联运行时必须保证各逆变器的交流输出电压保持严格的同频率、同相位和等幅值,否则就会在不同逆变器之间产生环流,从而降低系统的输出容量,甚至烧毁逆变器。然而,绝对的同频、同相和等幅值是无法实现的,因而有必要对环流进行分析,从而找出抑制环流,确保系统运行稳定、安全的控制措施。理论分析表明:并联系统中各单元的输出电压的相位差主要造成有功功率的差异,使得在各并联单元之间形成有功环流;而输出电压的幅值差则主要导致无功功率的差异,使各并联单元之间形成无功环流;而且如果两个逆变器之间的相位差很小的话,可以近似认为有功功率差与相位差成正比,无功功率差与幅值差成正比。

　　由此出发,目前有两种均流控制方法:一种是以各模块的平均无功功率作为每个模块无功功率的给定值,求出偏差并以此为据调整模块输出的幅值;以各模块的平均有功功率作为每个模块有功功率的给定值,求出偏差并以此为据调整模块输出的相位角。另一种均流控制方法是:采用“基于抢占与并发的同步控制方式” 控制各并联单元的输出相位(这种方法可以达到很高的同步精度,使得系统中的有功环流可以忽略不计) ,然后直接依据各单元的输出电流与系统平均输出电流的偏差调节各单元的输出电压幅值,以实现各模块输出的均流和负载的均衡分配。

　　显然,无论采用哪一种方法进行均流控制,都必须保证在各并联单元之间有稳定、可靠的数据通讯。在这方面,现场总线CAN 无疑是非常适合的。

2 CAN总线的特点介绍

　　控制器局域网CAN (Cont roller Area Network)最初是为汽车的监测、控制系统而开发的一种串行通信协议。由于它具有良好的功能特性、很强的抗干扰能力和极高的可靠性,所以在各种监测、控制系统中获得了广泛的应用。

2. 1 CAN总线的特点
　　具体来讲,CAN具有如下特点
　　①结构简单,只需两根信号线,介质可以采用双绞线、同轴电缆或光导纤维。
　　②通信方式灵活,以多主方式工作,网络上的任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息。
　　③网络上的节点信息可以分成不同的优先级,从而满足不同的实时性要求。
　　④采用短帧格式通信,每帧最多8个字节数据,不会占用总线很长时间,从而保证了通信的实时性,同时也可以满足通常的工业控制领域中的数据通讯要求。
　　⑤采用无破坏性的基于优先权的总线仲裁技术,当两个节点同时向总线上发送数据时,优先级低的节点主动停止数据发送,而优先级高的节点可以不受影响地继续发送数据。
　　⑥通信距离可达10 km(速率5 kb/s以下) ,通讯速率可达1 Mb/s(距离40m以下) 。
　　⑦采用CRC校验,并且提供了相应的错误处理机制,从而保证了数据通信的可靠性。

2. 2 CAN协议的数据帧格式
　　一个有效的CAN数据帧由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、校验域、应答域和帧结束组成。在CAN2.0B中存在两种不同的帧格式,它们的区别在于标识符的长度不同:标准帧的标识符有11位,扩展帧的标识符有29位。标准帧的结构为图1 所示。

图1 标准帧的结构 [page]

　　扩展帧的结构为图2 所示。CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可以使网络内的节点数在实际应用中几乎不用考虑;数据块的标识符可以由11位或29位二进制数组成,因此可以定义211或229个不同的数据块。这种按数据块编码的方式,还可以使不同的节点接收到相同的数据,这一点在分布式控制系统中非常有用。 

图2 扩展帧的结构

　　总之,CAN总线由于其卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计,特别适合工业工程监控设备的互连,因此,越来越受到工业界的重视,并已成为公认的最有前途的现场总线之一。

3  基于DSP 的逆变器并联运行控制器中的CAN通信应用

　　我们以TI 公司的数字信号处理器DSP TMS320LF2407A 为核心设计制作了逆变器并联运行控制器,采用了“基于抢占与并发的同步控制方式”,利用CAN总线在各逆变器之间进行数据通信,传递各模块的模块号和输出电流有效值,然后各模块计算出单个模块的理想输出电流值,再根据自己的实际输出值与理想值之间的误差来调节模块输出电压的大小,从而实现均流控制。我们称这种方法为“直接电流均流法”。

3. 1 DSP TMS320LF2407A 的CAN模块简介
　　TMS320LF2407A 是德州仪器公司TI 的一种16 位定点数字信号处理器。它在芯片里集成了几种先进的外设,包括事件管理器、模数转换器、串行外设接口、串行通信接口和CAN 控制器等,成为真正的单芯片控制器。

　　该DSP 中内嵌的CAN 控制器模块是一个完整的、完全支持CAN2.0B协议的CAN控制器。它集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可以完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作。它具有6个邮箱,每个邮箱的数据长度为0～8个字节。这6个邮箱中2个为接收邮箱,2个为发送邮箱,还有2个可以配置为接收或者发送邮箱;每个接收邮箱都设有局部接收屏蔽寄存器用以控制对总线上的数据进行有选择的接收;有可编程的位定时器,用以确定数据的传输速率;有可编程的CAN总线唤醒功能;具有自动回复远程请求的功能;当发送出现错误或仲裁中丢失数据的时候,CAN控制器模块具有自动重发的功能;此外,它还有总线错误诊断功能;有可以编程配置的中断系统。它的应用也非常简单,只要在初始化时按照设计好的工作方式和工作参数设置相应的控制寄存器,然后在程序中需要发送数据地方把数据写到某个发送邮箱,再把发送控制位置位,即可完成数据输出;数据输入可以采用中断方式实现。

3. 2 系统的硬件结构
　　系统的硬件结构如图3所示。图3中只画出了一个单元的结构, 不同单元之间通过同步母线、CAN 总线和交流输出母线连接起来。

图3 系统硬件结构图

　　在每个单元中,逆变器输出电流的检测信号经过线性光隔进行光电隔离后进入DSP,在数据采集中断服务程序控制下,经内部的10位A/D转换器转换成数字量,用于计算电流有效值;DSP按照控制算法输出具有一定相位和幅值的正弦波数字量,经过D/A 转换,变换成模拟信号送给逆变器作为SPWM调制的基准信号。DSP的CAN模块通过外接的驱动器连到总线上,与其它单元通讯。

3. 3 软件结构
　　本系统的软件结构如图4 所示。主程序在完成初始化后就打开中断。在同步中断服务程序中进行同步处理,在数据采集中断服务程序中进行数据采集和正弦波给定输出(同步以后) 。当一个周期结束以后,就计算出此周期的电流有效值,并通过CAN总线发送给其它模块。不同单元的数据通过模块号予以区别。然后再按照控制策略进行数据通信和均流控制,进入下一个周期。数据采集利用定时器中断进行定时,在每个交流电周期的256个固定点上对输出电流进行采样,供主程序中计算有效值使用;然后根据同步是否正常确定是否输出正弦波给定。在CAN 中断接收服务程序中,把接收到的数据按照不同单元的模块号存放到一张模块数据表中的相应位置,供主程序计算时使用。

图4 系统软件流程图

4 结　论

　　我们采用“基于抢占与并发的同步控制方式”和“直接电流均流法”的控制策略,利用DSP 内嵌的CAN 控制器模块实现不同逆变器之间的数据通信,开发制作了DSP控制器,并分别进行了2台和3台单相3kVA 逆变器的并联实验。实验证明:不论是在纯阻性负载或者是带有电抗性的负载,或者是整流性负载的情况下,都可以有效地抑制环流,较好地实现了负载的均分。实验结果表明:这种方法是有效和可靠的。