基于CAN總線和分布單元控制器實現(xiàn)高壓變頻分布式控制系統(tǒng)的設計

近年來，出于節(jié)約能源的迫切需要和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，大容量電動機的高壓變頻調(diào)速技術得到了廣泛的應用，在國內(nèi)，基本覆蓋了電力、冶金、石油、化工、造紙等主要行業(yè)。因此國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，主要的問題是利用耐壓有限的功率開關器件實現(xiàn)高壓變頻調(diào)速，解決的辦法是把低壓的開關器件以一定的拓撲結(jié)構(gòu)連接，用低電壓串聯(lián)形成高電壓。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用集中式控制，系統(tǒng)安裝調(diào)試比較復雜，功能相對局限且不易擴展，很難實現(xiàn)控制的智能化。而分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)處理方式靈活，有很強的擴展性，其模塊化的結(jié)構(gòu)具有很強的容錯性，因此是高壓變頻系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制的發(fā)展趨勢。

針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)過于復雜的缺點，本文提出一種高壓變頻的分布式控制策略，系統(tǒng)采用“中央控制單元-總線-分布控制單元”的分布式控制。

1 、分布式控制的原理

設計的高壓變頻器要求產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍之內(nèi)，系統(tǒng)使用低壓功率器件，采用電壓串聯(lián)疊加的方法實現(xiàn)高壓，其高壓變頻系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1所示。圖中，24個分布的單元，每個單元均由相同的控制和驅(qū)動系統(tǒng)組成?？刂茊卧捎肞WM控制方式調(diào)節(jié)驅(qū)動單元的輸出電壓使之在0～540V之間變化。24個單元分成三相，每相由8個單元串聯(lián)連接，產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍。三組功率單元星形聯(lián)相形成分布式控制的拓撲結(jié)構(gòu)，以低壓的功率器件實現(xiàn)高壓輸出。每組疊加出用于電機驅(qū)動的一相電壓波形，相電壓之間的相位差為120°。這樣，線電壓可以控制在0～7500V，以適應高壓電機的控制要求。

分布單元驅(qū)動電路如圖2所示，由三相橋式整流電路和方波逆變器組成。兩個方波逆變器的輸出電壓uao和ubo是脈寬可調(diào)的方波，而兩橋臂中點a和b之間的電壓uab是uao和ubo方波電壓的疊加，即uab＝uao-ubo。假定uao和ubo之間的相位角之差為180°+Φ，則調(diào)節(jié)Φ角即可調(diào)節(jié)輸出電壓的脈寬，因而使輸出電壓的基波分量和諧波分量的幅值也發(fā)生變化。這樣，既改善了輸出電壓的波形，也達到了調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

2 、分布式控制系統(tǒng)的設計

本文設計的高壓變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。分布式系統(tǒng)由中央控制單元、CAN總線光纖通信部分和分布單元控制器三部分組成。中央控制單元以CAN總線和分布單元控制器建立通信，建立任務分工，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行。以分布式控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式的控制系統(tǒng)，解決了集中式控制方式在數(shù)據(jù)就地采集、處理和獨立控制等方面的問題，減少了中央處理單元的負擔，而且擴展了系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了高壓變頻器的遠程智能化監(jiān)視和控制，改進了系統(tǒng)的性能，同時也更加符合工業(yè)現(xiàn)場的應用;由于CAN總線的通信采用光纖作為介質(zhì)，中央控制單元及分布式單元通過兩根光纖和HUB連接即可完成系統(tǒng)的組裝;由于分布單元結(jié)構(gòu)相同，可采用硬件ID軟件識別的方法使系統(tǒng)的可替換性和伸縮性增強。

2.1中央控制單元

基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)為核心的中央控制單元主要包括：I/O模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、GPRS遠程通信模塊、CAN總線通信模塊等外圍的功能模塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用分布式系統(tǒng)的功能劃分，并且利用ARM的32位的運算能力設計的中央控制單元所要執(zhí)行的任務包括：高壓變頻系統(tǒng)電源控制、人機交互操作、GPRS遠程通信實現(xiàn)變頻器的異地監(jiān)護和遠程參數(shù)設定以及遠程運行控制等、電機的調(diào)速以及調(diào)速系統(tǒng)的運行狀態(tài)控制。其中，電機的調(diào)速控制是系統(tǒng)的核心，保持分布式單元的實時同步、變頻控制算法實時運算工作的合理分配是實現(xiàn)調(diào)速控制的關鍵環(huán)節(jié)。本文通過中央單元的實時校正和總線協(xié)議的可靠性保證系統(tǒng)分布單元的同步性，運算任務分配的原則是中央控制單元處理人機交互信息中關于變頻調(diào)速的整體信息，并將此信息傳送給各分布式單元，由各個單元完成PWM算法實現(xiàn)電壓疊加和電機控制。任務分配的實現(xiàn)是以穩(wěn)定高效的總線協(xié)議為前提的。

2.2 分布式控制單元

基于TI公司的DSP芯片TMS320F2407設計的分布式控制單元，充分利用芯片豐富的外設模塊。CAN總線模塊實現(xiàn)和中央控制單元的通信，接收并反饋控制信息;A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字輸入輸出口的配合使用，實現(xiàn)橋臂電壓和模塊過流等保護信號的監(jiān)測和處理;事件模塊是分布單元控制的核心，根據(jù)中央控制單元發(fā)送的電壓頻率、實時同步信息、誤差校正信息，以PWM電壓串聯(lián)的處理方法，計算本控制單元當前時間的PWM電壓輸出的周期和占空比。每相的8個分布式單元輸出的PWM電壓串聯(lián)疊加波形如圖5所示。通過調(diào)整分布單元的PWM輸出波形，可以使疊加波形逼近完美的正弦波，使變頻系統(tǒng)實現(xiàn)無諧波的控制。

2.3 總線協(xié)議設計

系統(tǒng)的中央控制單元與各個分布控制單元之間采用CAN總線通信，這是分布式系統(tǒng)的樞紐。由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較復雜，存在強電磁干擾，因此，本系統(tǒng)設計了光纖集線器，CAN總線的差分信號用光纖傳輸，進一步加強了CAN總線的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定可靠。

為了滿足分布系統(tǒng)的強實時性要求，本文設計了優(yōu)先級動態(tài)分配機制和分時發(fā)送機制。CAN總線各節(jié)點的優(yōu)先級是由其標志符決定的，標志符的數(shù)值越小優(yōu)先級越高。利用CAN總線的這一特點，設計了優(yōu)先級動態(tài)分配機制，標志符的高5位作為優(yōu)先級分配位，在數(shù)據(jù)傳輸時已經(jīng)屏蔽不作為接收標志;低6位作為接收標志位，根據(jù)單元ID設定。動態(tài)優(yōu)先級的分配方法：系統(tǒng)啟動后所有節(jié)點優(yōu)先級設為中間值11100，CAN總線發(fā)送后開始動態(tài)分配。當本單元發(fā)送數(shù)據(jù)成功時，則降低本單元的優(yōu)先級;當本單元發(fā)送數(shù)據(jù)被總線仲裁為等待時，則提升本單元的優(yōu)先級繼續(xù)發(fā)送。雖然優(yōu)先級的動態(tài)分配解決了各單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠降刃詥栴}，但系統(tǒng)節(jié)點較多，使用CAN本身的仲裁機制仍會有較長時間的發(fā)送等待。而各分布單元之間使用分時傳輸機制，在控制范圍內(nèi)沿時間軸展開數(shù)據(jù)傳輸，這樣就減少了節(jié)點之間的總線沖突，提高了通信穩(wěn)定性。

CAN傳輸?shù)?字節(jié)數(shù)據(jù)域制定的協(xié)議格式如表1所示。表中，指令碼標志本指令的內(nèi)容，源地址發(fā)送單元的標志符，長度標志有效數(shù)據(jù)，接收單元根據(jù)長度處理數(shù)據(jù)。指令分為網(wǎng)絡控制、運行狀態(tài)設置、同步監(jiān)測和校準、報警監(jiān)測、故障處理等幾個類別。CAN總線優(yōu)化的控制機制和應用層協(xié)議以穩(wěn)定的總線網(wǎng)絡傳送控制信息，通信的穩(wěn)定性和實時性得到了實驗驗證。

3 、實驗驗證

高壓變頻系統(tǒng)因為其應用環(huán)境的特殊性，不能在現(xiàn)場直接進行穩(wěn)定性和可靠性的實驗。本文根據(jù)高壓變頻系統(tǒng)控制的原理，模擬現(xiàn)場情況設計了測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)以帶載0～24V的控制單元電壓替換功率單元的0～540V電壓，測試系統(tǒng)拖動380V/120W的三相交流電機，從控制準確性、穩(wěn)定性和可靠性各方面對系統(tǒng)進行驗證。

為了采集單元疊加波形，在測試系統(tǒng)的電壓輸出端用50kΩ/150kΩ的電阻分壓，測得的相電壓疊加波形如圖6（a）所示。分布式單元的輸出電壓按照理論設計的要求疊加，完全符合控制模型所要求的控制電壓波形，而且分布式嵌入控制系統(tǒng)中八個控制單元的同步運行正常。

圖6（b）所示的線電壓疊加波形為兩相相電壓矢量和。在系統(tǒng)運行過程中，變化輸出電壓的頻率和峰值、線電壓波形都保持正常，說明分布式控制的各相之間的相位差控制算法正確。

系統(tǒng)在實驗環(huán)境下長時間（測試時間為一周）運行，變頻調(diào)速等各項功能穩(wěn)定正常。本文設計的系統(tǒng)和高壓驅(qū)動部分均為弱電信號接口，測試平臺的測試情況基本可以反映系統(tǒng)工業(yè)運行情況，測試實驗證明了本文所設計的嵌入式分布控制策略實際應用的可行性。

本文對高壓變頻提出了一種新的控制策略，成功地設計了穩(wěn)定的高壓變頻分布式控制系統(tǒng)測試平臺。該平臺實現(xiàn)了以電壓串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)完成電機的控制運行，系統(tǒng)在模擬的試驗環(huán)境下經(jīng)過測試，驗證了系統(tǒng)的分布式策略以及通信協(xié)議、控制算法的正確性。且運行良好。

分布式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，其控制結(jié)構(gòu)簡單、有較強的伸縮性和可重構(gòu)性等優(yōu)點。而且具有很強的運算能力，為控制算法的優(yōu)化和控制性能的提高留有很大的上升空間。本文所設計的高壓變頻分布控制系統(tǒng)適合應用于電力、油田、造紙等行業(yè)中的高壓電機的控制。

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