張雪松， 胡天友， 劉 倩， 王 海

(電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川成都611731)

0 引言

三相光伏逆變器一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是光伏陣列經(jīng)直流升壓后接三相全橋或半橋;另一種稱為組合式三相逆變器，是將三臺(tái)單相光伏逆變器進(jìn)行Y/△連接。相比第一種方式，第二種方式成本較高，但是不需要承受較高的直流母線電壓，抗不對(duì)稱三相負(fù)載能力更強(qiáng)，具有廣泛的研究前景［1-2］。

本設(shè)計(jì)的項(xiàng)目背景是某一基于第二種方式研制的組合式三相光伏逆變系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，光伏陣列經(jīng)直流變換后分別與3個(gè)單相逆變橋相連，三者采用三相四線制連接形成A、B、C三相電壓。考慮到三相的功率平衡，該系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)是放在靠近輸出端的逆變環(huán)節(jié)中進(jìn)行的。該系統(tǒng)共由4個(gè)DSP芯片控制:DSP_DC控制3個(gè)DC-DC環(huán)節(jié)的升壓，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊和AD轉(zhuǎn)換器對(duì)其中某一DC-DC環(huán)節(jié)的輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集作為后級(jí)MPPT控制的輸入?yún)?shù);DSP_A、DSP_B、DSP_C分別控制A、B、C三相的逆變橋。正弦參考信號(hào)的相位由電網(wǎng)采樣提供，而幅值則根據(jù)當(dāng)前光伏陣列的最大輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)MPPT控制，控制逆變橋的3個(gè)DSP需要從控制DC-DC環(huán)節(jié)的DSP中快速獲取直流側(cè)的實(shí)時(shí)輸出電壓、電流和功率數(shù)據(jù)。4個(gè)DSP之間需要進(jìn)行高速可靠的通信。為了便于觀測(cè)，還需要將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選用的 DSP芯片是 TI公司的TMS320LF2407A。TMS320LF2407A之間的通信一般有SCI串行通信、SPI串行通信和CAN總線通信三種方式。前兩種方式主要存在的問(wèn)題是SCI數(shù)據(jù)長(zhǎng)度只有8位，SPI會(huì)接收到偽數(shù)據(jù)［3］。第三種方式，其CAN總線通信使用普通的雙絞線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，理論上允許掛接多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)靈活方便，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，最高傳輸速率可達(dá)1Mb/s，允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，通信錯(cuò)誤率極低［4］，并且便于使用PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線通信廣泛應(yīng)用于汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［5］、逆變器并聯(lián)運(yùn)行［6］等需要多機(jī)通信的工程中。本設(shè)計(jì)也采用CAN總線進(jìn)行通信。

1 TMSLF2407A的內(nèi)嵌CAN模塊

TMS320LF2407A本身已經(jīng)內(nèi)嵌了一個(gè)16 bit的CAN模塊，支持 CAN2.0B協(xié)議。郵箱方式是TMS320LF2407A內(nèi)嵌CAN模塊的一大特點(diǎn)。它將芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)空間7200-7230的48×16位RAM分成6個(gè)郵箱，每個(gè)郵箱可以存儲(chǔ)8 Byte數(shù)據(jù)。郵箱0、1用于接收，4、5用于發(fā)送，2、3可以根據(jù)用戶需要定義為接收或者發(fā)送郵箱。每個(gè)郵箱都有獨(dú)立的標(biāo)識(shí)符和控制域［4］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PC機(jī)與CAN總線接口設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的通信原理圖如圖2所示。PC機(jī)的串口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，數(shù)據(jù)信息是以字節(jié)為單位傳送。而CAN總線信號(hào)是以幀為單位進(jìn)行傳送，一幀可能包含多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，因此PC機(jī)與CAN總線之間必須通過(guò)CAN卡連接［7］。目前應(yīng)用比較廣泛的CAN卡包括 PCI-CAN卡、CAN232接口卡和 USB-CAN卡等［8］。本設(shè)計(jì)選用的是武漢若比特公司生產(chǎn)的USBCAN V3通信模塊，該模塊附帶電氣隔離和PC機(jī)CAN通信調(diào)試軟件，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 系統(tǒng)通信原理圖

2.2 DSP與CAN總線接口設(shè)計(jì)

由于TMS320LF2407A已經(jīng)內(nèi)嵌了CAN模塊，因此，只需要一個(gè)CAN收發(fā)器就可以與其它CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在本設(shè)計(jì)中，CAN收發(fā)器選用PCA82C250［9］。 為 CANTX、 CANRX 端 口 與PCA82C250之間通過(guò)兩個(gè)高速光耦6N137進(jìn)行隔離［10-11］。6N137 的傳輸速率可達(dá) 10 Mb/s，完全滿足CAN總線的傳輸速率要求，并且可以大大提高系統(tǒng)信噪比［12］。由于CAN總線驅(qū)動(dòng)為電流型，總線間必須有終端電阻，一般取120Ω，為防止波形反射，終端電阻應(yīng)并聯(lián)在CAN收發(fā)器的CAN_H與CAN_L兩端之間［13］。綜上，硬件原理圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

CAN通信模型的三層結(jié)構(gòu)為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。在CAN2.0B協(xié)議中只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。因此系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要集中在應(yīng)用層上，包括CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)、CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送接收程序以及主程序設(shè)計(jì)［14］。

3.1 CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN2.0B協(xié)議下，CAN總線具有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種不同的幀格式。標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符為11 bit，擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符為29 bit。值得注意的是，標(biāo)識(shí)符的高7 bit不能全為1。當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，按照位仲裁的方式確定優(yōu)先級(jí)。如果標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀出現(xiàn)沖突，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先于擴(kuò)展幀。為了保證傳輸效率，本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)行傳輸，4個(gè)DSP內(nèi)嵌CAN模塊的標(biāo)識(shí)符設(shè)置如表1所示。

圖3 DSP與CAN總線接口硬件原理圖

表1 標(biāo)識(shí)符設(shè)置

3.2 CAN 控制器的初始化［4］

CAN控制器在使用前必須進(jìn)行初始化。首先要把復(fù)用I/O口IOPC6/CANTX和IOPC7/CANRX配置成CAN通信發(fā)送引腳和接收引腳。其次是對(duì)位定時(shí)器和郵箱的配置。位定時(shí)器主要由BCR1和BCR2兩個(gè)寄存器組成。BCR2寄存器定義了CAN控制器的波特率欲定標(biāo)值BRP及系統(tǒng)時(shí)鐘單位的時(shí)間量TQ，

式中，CLKOUT為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，本設(shè)計(jì)取40 MHz。

BCR1寄存器決定了CAN控制器的重同步方式、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)、時(shí)間段1(TSEG1)和時(shí)間段2(TSEG2)，并與BRP值共同決定CAN通信波特率B的大小，

式中N=(TSEG1+1)+(TSEG2+1)+1，表示1位信息所占用的TQ數(shù)。綜上，本設(shè)計(jì)定義:

*CANBCR2=0x0013;

*CANBCR1=0x0061。

將CAN控制器配置為下降沿重同步，同步跳轉(zhuǎn)寬度配置為0，采樣次數(shù)配置為1。CAN通信波特率在以上設(shè)置下為125 kb/s。在同一CAN總線進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)必須保證波特率和位長(zhǎng)度都相同［15］。因此本設(shè)計(jì)中所有CAN節(jié)點(diǎn)的位定時(shí)器配置都是相同的。具體配置可按圖4所示的流程圖進(jìn)行。

圖4 初始化位定時(shí)器

圖5 初始化郵箱

圖5 是郵箱的初始化流程圖。主要包括郵箱標(biāo)識(shí)符的設(shè)置、中斷優(yōu)先級(jí)、控制、工作模式以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的選擇。在配置郵箱前必須先禁止郵箱并置數(shù)據(jù)域改變請(qǐng)求位CDR為1，配置完成后對(duì)CDR位清零并使能郵箱進(jìn)入正常工作模式。郵箱的配置則需要根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行。

3.3 發(fā)送郵箱和接收郵箱的配置

由于TMSLF2407A中AD轉(zhuǎn)換器為10 bit。電壓、電流、功率各需要占用2 Byte的存儲(chǔ)空間。因此，定義所有郵箱的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為6 Byte。設(shè)置DSP_DC的郵箱4作為發(fā)送郵箱。DSP_A、DSP_B、DSP_C的郵箱0為接收郵箱，并設(shè)置其AME位為0，進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)識(shí)符匹配，此時(shí)本地接收屏蔽寄存器將失效。將郵箱4作為發(fā)送郵箱。在DSP_A、DSP_B、DSP_C中，禁止郵箱發(fā)送中斷，打開郵箱接收中斷，中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)。圖6和圖7分別是郵箱發(fā)送程序和接收程序的算法流程圖。

圖6 發(fā)送流程圖

圖7 接收流程圖

3.3 主程序設(shè)計(jì)

主程序的流程圖如圖8和圖9所示。本設(shè)計(jì)根據(jù)MPPT的采樣周期每隔一段時(shí)間由DSP_DC主動(dòng)向DSP_A、DSP_B、DSP_C各發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，包含數(shù)據(jù)采集模塊采集到的實(shí)時(shí)直流電壓、電流和功率。在DSP_DC中，使能定時(shí)器1周期中斷，定時(shí)周期為1ms，發(fā)生周期中斷時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序使能郵箱4發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。在DSP_A、DSP_B、DSP_C中，首先設(shè)置標(biāo)志位FLAG用于啟動(dòng)郵箱4發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)郵箱0接收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，將標(biāo)志位FLAG置1。同時(shí)，主程序不斷查詢FLAG的值，當(dāng)FLAG=1時(shí)，郵箱4讀取郵箱0接收到的數(shù)據(jù)并向PC機(jī)發(fā)送，發(fā)送完畢后將FLAG置0。

圖8 DSP_DC主程序流程圖

圖9 DSP_A、B、C 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

在PC機(jī)調(diào)試軟件中，設(shè)置串口波特率設(shè)置為9.8 kb/s，CAN總線傳輸速率為125 kb/s。調(diào)試軟件以16進(jìn)制的方式顯示接收到的報(bào)文標(biāo)識(shí)符。DATA0～1中存儲(chǔ)的是AD轉(zhuǎn)換器采集到的直流側(cè)電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，DATA2～3中是電流信號(hào)數(shù)據(jù)，DATA4～5中是功率信號(hào)數(shù)據(jù)。DATA6～7未使用，調(diào)試軟件默認(rèn)以0代替。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，DSP_DC發(fā)送的數(shù)據(jù)能迅速并且準(zhǔn)確無(wú)誤地被其余3個(gè)DSP接收。本設(shè)計(jì)能高速可靠地將直流側(cè)的電壓、電流和功率信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給逆變環(huán)節(jié)進(jìn)行MPPT控制，從而對(duì)輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，有利于提高控制精度，并且便于通過(guò)PC機(jī)實(shí)時(shí)快捷地監(jiān)控信號(hào)傳輸?shù)臓顩r。

圖10 通信數(shù)據(jù)

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