摘 要：提出將現(xiàn)場CAN總線引用到并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中的設(shè)計理念，對逆變器并聯(lián)技術(shù)進行分析，由此提出一種利用CAN總線實現(xiàn)各逆變單元的通信，最終實現(xiàn)消除各逆變器之間環(huán)流的方案。介紹CAN總線的特點，并利用DSP2407A實現(xiàn)逆變器的控制和CAN總線的通信，同時給出CAN總線的軟件設(shè)計。最后在Matlab平臺上對系統(tǒng)進行仿真，仿真實驗結(jié)果證明：利用CAN總線可以更好地實現(xiàn)該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

關(guān)鍵詞：CAN總線；并聯(lián)逆變電源；環(huán)流；DSP

中圖分類號：TM464文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2011303

Application of Field Bus in Parallel Operation System of Inverters

XIE Feng，SHEN Jinfei，LV Zhe，HAN Xinjian

(School of Communications and Control Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122，China)

Abstract：CAN bus is proposed to be utilized in the parallel operation system of inverters，and then the technology of parallel inverters is analyzed.A method of eliminating circulating current between inverters based on inverters′ communication on CAN bus is proposed.The characteristics of CAN bus are introduced and DSP2407A is used f_or inverters′ control and the communication of CAN bus.The design of CAN software is also listed in the paper.The experimental result shows that CAN bus can improve this system′s reliability and anti-jamming perf_ormance.

Keywords：CAN bus;inverters;parallel;circulating current;DSP

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對供電系統(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，它促使逆變電源向智能化，數(shù)字化的方向發(fā)展。為了實現(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)自動化領(lǐng)域的熱點，將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用在逆變電源系統(tǒng)上，無疑將更好地實現(xiàn)該系統(tǒng)的智能化。

1 逆變器并聯(lián)技術(shù)分析

多臺逆變器并聯(lián)^{［1，2］}運行時應(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，否則就會在各逆變器之間引起環(huán)流，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，甚至造成嚴重的事故。下面以2臺逆變電源對同一負載供電為例進行分析，等效電路圖如圖1所示。

設(shè)電源1的相位角為φ1，電源2的相位角為φ2，負載ZL兩端電壓為U0∠0。通過簡單的電路分析可以得出以下結(jié)論：逆變電源1的輸出電流I1=U1(cos φ1+jsin φ1)－U0jX1 ，輸出的無功功率Q1=U0(U1cos φ1－U0)X1。在通常情況下由于逆變器輸出電壓與系統(tǒng)電壓U0之間相位差φ1很小，可近似認為sin φ1φ1，cos φ11，則P1U1U0X1φ1，Q1U0(U1－U0)X1。同理可得逆變電源2輸出的有功功率P2U2U0X2φ2，Q2U0(U2－U0)X2。

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CAN總線來實現(xiàn)逆變電源系統(tǒng)各逆變單元均流的方案。

圖1 逆變器并聯(lián)分析

2 現(xiàn)場CAN總線簡介

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^{［3，4］}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、優(yōu)先級判別等工作。CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免總線沖突。CAN節(jié)點在出現(xiàn)嚴重錯誤的情況下，具有自動關(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)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點是：可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(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)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，同時8個字節(jié)不會占用過長的總線時間，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

3 基于DSP2407A的CAN總線設(shè)計

TMS320LF2407A（DSP2407A）是美國TI公司推出的新型高性能16位定點數(shù)字信號處理器，它專門為數(shù)字控制設(shè)計，其集DSP的高速信號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)存儲器、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備。TMS320LF2407A包含2個專用于電機控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器（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16位的外設(shè)模塊，該模塊完全支持CAN2.0 B協(xié)議，6個郵箱(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、超強的錯誤診斷、自動錯誤重發(fā)和遠程請求回應(yīng)、支持自測試模式等功能，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個郵箱（mail-box）完成，通過設(shè)置每個郵箱中的屏蔽寄存器可以對來自總線上的數(shù)據(jù)進行篩選，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，將每個逆變器的編號和輸出電流、電壓等信息在每個工頻周期中發(fā)送給位于總線上的其他逆變器，這樣每個逆變器都可以計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)這個值與自身實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

CAN總線收發(fā)器選用Microchip公司的MCP2551^［5］，MCP2551是一個可容錯的高速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標準，包括能滿足24 V電壓要求。它的工作速率高達1 Mb/s。 RS 引腳可選擇3種操作模式：高速、斜率控制、待機。在本系統(tǒng)中為了通過限制CANH和CANL的上升下降時間來進一步減少EMI，選用斜率控制模式。系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

MCP2551引腳圖如圖3所示。

圖3 芯片引腳圖

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

3.2 軟件設(shè)計

CAN節(jié)點通信的功能是將本節(jié)點的數(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，并且接受其他節(jié)點傳來的信息。因此軟件^［6］的設(shè)計可以分為3部分：系統(tǒng)的初始化、信息的定時發(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)中對模塊的輸出電流進行采樣，在一個工頻周期結(jié)束后，計算逆變器的輸出電流值和對各模塊進行編號，通過定時發(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，進入下個循環(huán)周期。在中斷接收程序中，存儲數(shù)據(jù)到接收緩沖區(qū)，供主程序使用。

4 仿真實驗結(jié)果

在Matlab 6.5軟件平臺上對上述方案進行仿真。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，并機數(shù)量為2臺。其中電流環(huán)采用P調(diào)節(jié)，電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，設(shè)定P=5。仿真算法采用變步長的ode23tb，仿真時間為0.05 s，采樣時間為0.002 s。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 并聯(lián)輸出電壓和環(huán)流波形

由圖4可看出，將CAN現(xiàn)場總線引入本系統(tǒng)中，可達到較好的均流效果。在圖5中，當(dāng)實現(xiàn)并機時，兩臺逆變器輸出電流分別為6.8 A，6.9 A， 可以很好地實現(xiàn)分擔(dān)負載的任務(wù)。

圖5 并聯(lián)輸出電流波形

5 結(jié) 語

本文將現(xiàn)場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。同時真正實現(xiàn)(N+X)并聯(lián)冗余，可以在不斷開負載的情況下通過熱插拔增加或減少并機模塊，利用CAN總線的特點，使得整個系統(tǒng)不受影響。

參考文獻

［1］陳良亮 肖嵐，胡文斌，等.雙閉環(huán)控制電壓源逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流特性研究\\.電工技術(shù)學(xué)報，2004，19(5):21-25.

［2］池從偉，秦娟英.可并聯(lián)逆變器中的同步控制技術(shù)及其實現(xiàn)［J］.通信電源技術(shù)，2003（4）:1-3.

［3］Keith Pazul.Controller Area Network (CAN) Basics.Microchip，AN713:1-9.

［4］鄔寬明.CAN總線的應(yīng)用與發(fā)展\\.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

［5］Pat Richards.A CAN Physical Layer Discussion.Microchip，AN2285-12.

［6］劉和平，王維俊.TMS320LF240xDSP C語言開發(fā)應(yīng)用\\.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

作者簡介 謝 峰 男，1983年出生，研究生。主要從事逆變器并聯(lián)技術(shù)方面的研究。

沈錦飛 男，1953年出生，教授。主要從事新型電力電子電路方面的研究。

呂 哲 男，1984年出生，碩士。主要從事光伏發(fā)電方面的研究。

韓新建 男，1983年出生，碩士。主要從事光伏并網(wǎng)方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文