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引 言
采用模塊化的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行構(gòu)成大容量的備用電源系統(tǒng)具有一系列優(yōu)點(diǎn)：首先從使用者的角度來看，第一是擴(kuò)容方便，因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)可以比較隨意;第二是維護(hù)簡便，當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)只需用新模塊將其替換下來即可，而不影響系統(tǒng)的輸出，因而在使用過程中可以節(jié)約人力物力。其次從生產(chǎn)者的角度來看，標(biāo)準(zhǔn)化的模塊便于生產(chǎn)的規(guī)模化，從而更容易降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)試成本，提高競爭力。
1、逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制的方法
逆變器是直流輸入、交流輸出的電能變換器。多個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)必須保證各逆變器的交流輸出電壓保持嚴(yán)格的同頻率、同相位和等幅值，否則就會(huì)在不同逆變器之間產(chǎn)生環(huán)流，從而降低系統(tǒng)的輸出容量，甚至燒毀逆變器。然而，絕對的同頻、同相和等幅值是無法實(shí)現(xiàn)的，因而有必要對環(huán)流進(jìn)行分析，從而找出抑制環(huán)流，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全的控制措施。理論分析表明：并聯(lián)系統(tǒng)中各單元的輸出電壓的相位差主要造成有功功率的差異，使得在各并聯(lián)單元之間形成有功環(huán)流;而輸出電壓的幅值差則主要導(dǎo)致無功功率的差異，使各并聯(lián)單元之間形成無功環(huán)流;而且如果兩個(gè)逆變器之間的相位差很小的話，可以近似認(rèn)為有功功率差與相位差成正比，無功功率差與幅值差成正比。
由此出發(fā)，目前有兩種均流控制方法：一種是以各模塊的平均無功功率作為每個(gè)模塊無功功率的給定值，求出偏差并以此為據(jù)調(diào)整模塊輸出的幅值;以各模塊的平均有功功率作為每個(gè)模塊有功功率的給定值，求出偏差并以此為據(jù)調(diào)整模塊輸出的相位角。另一種均流控制方法是：采用“基于搶占與并發(fā)的同步控制方式” 控制各并聯(lián)單元的輸出相位（這種方法可以達(dá)到很高的同步精度，使得系統(tǒng)中的有功環(huán)流可以忽略不計(jì)） ，然后直接依據(jù)各單元的輸出電流與系統(tǒng)平均輸出電流的偏差調(diào)節(jié)各單元的輸出電壓幅值，以實(shí)現(xiàn)各模塊輸出的均流和負(fù)載的均衡分配。
顯然，無論采用哪一種方法進(jìn)行均流控制，都必須保證在各并聯(lián)單元之間有穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)通訊。在這方面，現(xiàn)場總線CAN 無疑是非常適合的。
2 、CAN總線的特點(diǎn)介紹
控制器局域網(wǎng)CAN （Cont roller Area Network）最初是為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。由于它具有良好的功能特性、很強(qiáng)的抗干擾能力和極高的可靠性，所以在各種監(jiān)測、控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
2. 1 CAN總線的特點(diǎn)
具體來講，CAN具有如下特點(diǎn)
①結(jié)構(gòu)簡單，只需兩根信號線，介質(zhì)可以采用雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。
②通信方式靈活，以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。
③網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可以分成不同的優(yōu)先級，從而滿足不同的實(shí)時(shí)性要求。
④采用短幀格式通信，每幀最多8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，不會(huì)占用總線很長時(shí)間，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也可以滿足通常的工業(yè)控制領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)通訊要求。
⑤采用無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
⑥通信距離可達(dá)10 km（速率5 kb/s以下） ，通訊速率可達(dá)1 Mb/s（距離40m以下） 。
⑦采用CRC校驗(yàn)，并且提供了相應(yīng)的錯(cuò)誤處理機(jī)制，從而保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
2. 2 CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式
一個(gè)有效的CAN數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)域、應(yīng)答域和幀結(jié)束組成。在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式，它們的區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符的長度不同：標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符有11位，擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符有29位。標(biāo)準(zhǔn)幀的結(jié)構(gòu)為圖1 所示。
擴(kuò)展幀的結(jié)構(gòu)為圖2 所示。CAN 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)是可以使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中幾乎不用考慮;數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)符可以由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，還可以使不同的節(jié)點(diǎn)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。
總之，CAN總線由于其卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)工程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已成為公認(rèn)的最有前途的現(xiàn)場總線之一。
3、基于DSP的逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制器中的CAN通信應(yīng)用
我們以TI 公司的數(shù)字信號處理器DSP TMS320LF2407A 為核心設(shè)計(jì)制作了逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制器，采用了“基于搶占與并發(fā)的同步控制方式”，利用CAN總線在各逆變器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳遞各模塊的模塊號和輸出電流有效值，然后各模塊計(jì)算出單個(gè)模塊的理想輸出電流值，再根據(jù)自己的實(shí)際輸出值與理想值之間的誤差來調(diào)節(jié)模塊輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)均流控制。我們稱這種方法為“直接電流均流法”。
3. 1 DSP TMS320LF2407A 的CAN模塊簡介
TMS320LF2407A 是德州儀器公司TI 的一種16 位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。它在芯片里集成了幾種先進(jìn)的外設(shè)，包括事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行外設(shè)接口、串行通信接口和CAN 控制器等，成為真正的單芯片控制器。
該DSP 中內(nèi)嵌的CAN 控制器模塊是一個(gè)完整的、完全支持CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器。它集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可以完成對通信數(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)先級判別等工作。它具有6個(gè)郵箱，每個(gè)郵箱的數(shù)據(jù)長度為0～8個(gè)字節(jié)。這6個(gè)郵箱中2個(gè)為接收郵箱，2個(gè)為發(fā)送郵箱，還有2個(gè)可以配置為接收或者發(fā)送郵箱;每個(gè)接收郵箱都設(shè)有局部接收屏蔽寄存器用以控制對總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行有選擇的接收;有可編程的位定時(shí)器，用以確定數(shù)據(jù)的傳輸速率;有可編程的CAN總線喚醒功能;具有自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請求的功能;當(dāng)發(fā)送出現(xiàn)錯(cuò)誤或仲裁中丟失數(shù)據(jù)的時(shí)候，CAN控制器模塊具有自動(dòng)重發(fā)的功能;此外，它還有總線錯(cuò)誤診斷功能;有可以編程配置的中斷系統(tǒng)。它的應(yīng)用也非常簡單，只要在初始化時(shí)按照設(shè)計(jì)好的工作方式和工作參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器，然后在程序中需要發(fā)送數(shù)據(jù)地方把數(shù)據(jù)寫到某個(gè)發(fā)送郵箱，再把發(fā)送控制位置位，即可完成數(shù)據(jù)輸出;數(shù)據(jù)輸入可以采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。
3. 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中只畫出了一個(gè)單元的結(jié)構(gòu)， 不同單元之間通過同步母線、CAN 總線和交流輸出母線連接起來。
在每個(gè)單元中，逆變器輸出電流的檢測信號經(jīng)過線性光隔進(jìn)行光電隔離后進(jìn)入DSP，在數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)程序控制下，經(jīng)內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，用于計(jì)算電流有效值;DSP按照控制算法輸出具有一定相位和幅值的正弦波數(shù)字量，經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換，變換成模擬信號送給逆變器作為SPWM調(diào)制的基準(zhǔn)信號。DSP的CAN模塊通過外接的驅(qū)動(dòng)器連到總線上，與其它單元通訊。
3. 3 軟件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。主程序在完成初始化后就打開中斷。在同步中斷服務(wù)程序中進(jìn)行同步處理，在數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和正弦波給定輸出（同步以后） 。當(dāng)一個(gè)周期結(jié)束以后，就計(jì)算出此周期的電流有效值，并通過CAN總線發(fā)送給其它模塊。不同單元的數(shù)據(jù)通過模塊號予以區(qū)別。然后再按照控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和均流控制，進(jìn)入下一個(gè)周期。數(shù)據(jù)采集利用定時(shí)器中斷進(jìn)行定時(shí)，在每個(gè)交流電周期的256個(gè)固定點(diǎn)上對輸出電流進(jìn)行采樣，供主程序中計(jì)算有效值使用;然后根據(jù)同步是否正常確定是否輸出正弦波給定。在CAN 中斷接收服務(wù)程序中，把接收到的數(shù)據(jù)按照不同單元的模塊號存放到一張模塊數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)位置，供主程序計(jì)算時(shí)使用。
4 、結(jié) 論
我們采用“基于搶占與并發(fā)的同步控制方式”和“直接電流均流法”的控制策略，利用DSP 內(nèi)嵌的CAN 控制器模塊實(shí)現(xiàn)不同逆變器之間的數(shù)據(jù)通信，開發(fā)制作了DSP控制器，并分別進(jìn)行了2臺(tái)和3臺(tái)單相3kVA 逆變器的并聯(lián)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明：不論是在純阻性負(fù)載或者是帶有電抗性的負(fù)載，或者是整流性負(fù)載的情況下，都可以有效地抑制環(huán)流，較好地實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的均分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種方法是有效和可靠的。
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