基于CAN總線和分布單元控制器實(shí)現(xiàn)高壓變頻分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來(lái)，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(dòng)機(jī)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)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(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，主要的問(wèn)題是利用耐壓有限的功率開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)速，解決的辦法是把低壓的開(kāi)關(guān)器件以一定的拓?fù)浣Y(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(fù)雜，功能相對(duì)局限且不易擴(kuò)展，很難實(shí)現(xiàn)控制的智能化。而分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理方式靈活，有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，其模塊化的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性，因此是高壓變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制的發(fā)展趨勢(shì)。

針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜的缺點(diǎn)，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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高壓，其高壓變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。圖中，24個(gè)分布的單元，每個(gè)單元均由相同的控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成?？刂茊卧捎肞WM控制方式調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的輸出電壓使之在0～540V之間變化。24個(gè)單元分成三相，每相由8個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以低壓的功率器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出。每組疊加出用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)高壓電機(jī)的控制要求。

分布單元驅(qū)動(dòng)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(gè)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(diǎn)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(dá)到了調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

2 、分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(wù)分工，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)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(dú)立控制等方面的問(wèn)題，減少了中央處理單元的負(fù)擔(dān)，而且擴(kuò)展了系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)了高壓變頻器的遠(yuǎn)程智能化監(jiān)視和控制，改進(jìn)了系統(tǒng)的性能，同時(shí)也更加符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)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(guò)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(shí)別的方法使系統(tǒng)的可替換性和伸縮性增強(qiáng)。

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(yuǎn)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(yùn)算能力設(shè)計(jì)的中央控制單元所要執(zhí)行的任務(wù)包括：高壓變頻系統(tǒng)電源控制、人機(jī)交互操作、GPRS遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)變頻器的異地監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定以及遠(yuǎn)程運(yùn)行控制等、電機(jī)的調(diào)速以及調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)控制。其中，電機(jī)的調(diào)速控制是系統(tǒng)的核心，保持分布式單元的實(shí)時(shí)同步、變頻控制算法實(shí)時(shí)運(yùn)算工作的合理分配是實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過(guò)中央單元的實(shí)時(shí)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(yùn)算任務(wù)分配的原則是中央控制單元處理人機(jī)交互信息中關(guān)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(gè)單元完成PWM算法實(shí)現(xiàn)電壓疊加和電機(jī)控制。任務(wù)分配的實(shí)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(shè)計(jì)的分布式控制單元，充分利用芯片豐富的外設(shè)模塊。CAN總線模塊實(shí)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(shí)現(xiàn)橋臂電壓和模塊過(guò)流等保護(hù)信號(hào)的監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)同步信息、誤差校正信息，以PWM電壓串聯(lián)的處理方法，計(jì)算本控制單元當(dāng)前時(shí)間的PWM電壓輸出的周期和占空比。每相的8個(gè)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(guò)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(shí)現(xiàn)無(wú)諧波的控制。

2.3 總線協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的中央控制單元與各個(gè)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(chǎng)的環(huán)境比較復(fù)雜，存在強(qiáng)電磁干擾，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光纖集線器，CAN總線的差分信號(hào)用光纖傳輸，進(jìn)一步加強(qiáng)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(mǎn)足分布系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求，本文設(shè)計(jì)了優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)分配機(jī)制和分時(shí)發(fā)送機(jī)制。CAN總線各節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)是由其標(biāo)志符決定的，標(biāo)志符的數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。利用CAN總線的這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)分配機(jī)制，標(biāo)志符的高5位作為優(yōu)先級(jí)分配位，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)已經(jīng)屏蔽不作為接收標(biāo)志;低6位作為接收標(biāo)志位，根據(jù)單元ID設(shè)定。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的分配方法：系統(tǒng)啟動(dòng)后所有節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)設(shè)為中間值11100，CAN總線發(fā)送后開(kāi)始動(dòng)態(tài)分配。當(dāng)本單元發(fā)送數(shù)據(jù)成功時(shí)，則降低本單元的優(yōu)先級(jí);當(dāng)本單元發(fā)送數(shù)據(jù)被總線仲裁為等待時(shí)，則提升本單元的優(yōu)先級(jí)繼續(xù)發(fā)送。雖然優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)分配解決了各單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠降刃詥?wèn)題，但系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)較多，使用CAN本身的仲裁機(jī)制仍會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)送等待。而各分布單元之間使用分時(shí)傳輸機(jī)制，在控制范圍內(nèi)沿時(shí)間軸展開(kāi)數(shù)據(jù)傳輸，這樣就減少了節(jié)點(diǎn)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(biāo)志本指令的內(nèi)容，源地址發(fā)送單元的標(biāo)志符，長(zhǎng)度標(biāo)志有效數(shù)據(jù)，接收單元根據(jù)長(zhǎng)度處理數(shù)據(jù)。指令分為網(wǎng)絡(luò)控制、運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置、同步監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)、報(bào)警監(jiān)測(cè)、故障處理等幾個(gè)類(lèi)別。CAN總線優(yōu)化的控制機(jī)制和應(yīng)用層協(xié)議以穩(wěn)定的總線網(wǎng)絡(luò)傳送控制信息，通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

高壓變頻系統(tǒng)因?yàn)槠鋺?yīng)用環(huán)境的特殊性，不能在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性的實(shí)驗(yàn)。本文根據(jù)高壓變頻系統(tǒng)控制的原理，模擬現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)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(cè)試系統(tǒng)拖動(dòng)380V/120W的三相交流電機(jī)，從控制準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性各方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

為了采集單元疊加波形，在測(cè)試系統(tǒng)的電壓輸出端用50kΩ/150kΩ的電阻分壓，測(cè)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(shè)計(jì)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(gè)控制單元的同步運(yùn)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(yùn)行過(guò)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(shuō)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間（測(cè)試時(shí)間為一周）運(yùn)行，變頻調(diào)速等各項(xiàng)功能穩(wěn)定正常。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和高壓驅(qū)動(dòng)部分均為弱電信號(hào)接口，測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試情況基本可以反映系統(tǒng)工業(yè)運(yùn)行情況，測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明了本文所設(shè)計(jì)的嵌入式分布控制策略實(shí)際應(yīng)用的可行性。

本文對(duì)高壓變頻提出了一種新的控制策略，成功地設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的高壓變頻分布式控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以電壓串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成電機(jī)的控制運(yùn)行，系統(tǒng)在模擬的試驗(yàn)環(huán)境下經(jīng)過(guò)測(cè)試，驗(yàn)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(yùn)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(jiǎn)單、有較強(qiáng)的伸縮性和可重構(gòu)性等優(yōu)點(diǎn)。而且具有很強(qiáng)的運(yùn)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(shè)計(jì)的高壓變頻分布控制系統(tǒng)適合應(yīng)用于電力、油田、造紙等行業(yè)中的高壓電機(jī)的控制。

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