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隨著電力電子學科的發展，逆變器控制技術與工業現場總線應用范圍越來越廣，本系統成功應用這兩項技術，設計了機車空調電源用逆變器控制系統。原有空調電源逆變器控制系統的缺點是：不能根據設定溫度控制空調機組變頻運行，體積大，各逆變器協調控制困難。本文設計了一種機車空調機組用多逆變器控制系統，與原有空調電源逆變器控制系統相比，有體積小、重量輕、數據交換方便、運行可靠、利于維修等優點。 1 系統工作原理： 由圖1可知，上位微機控制電路是該系統的核心控制部分，通過CAN總線將控制指令傳給逆變器控制電路，逆變器控制電路根據控制指令產生不同頻率的SPWM信號控制逆變器工作；逆變器控制電路將各逆變器實際工作狀態、故障信號等通過CAN總線上報給上位微機控制電路。 圖1 逆變器控制系統結構圖 2 逆變器控制電路及控制方案 2.1 逆變器控制電路 逆變器控制芯片選用凌陽科技公司2005年推出的新一代16位單片機SPMC75F2413A。其內部集成了能驅動電機的PWM發生器、多功能捕獲比較模塊、BLDC電機驅動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口等硬件模塊，以及多功能I/O口、同步和異步串行口、ADC、定時計數器等功能模塊，利用這些硬件模塊支持，SPMC75可以實現諸如家電用變頻驅動器、標準工業變頻驅動器、多環伺服驅動系統等復雜應用。SPMC75F2413A集成了兩個電機控制PWM輸出定時器—MCP（Motor Control PWM）定時器：MCP3、MCP4。每一個MCP定時器都可以獨立輸出三相六路的PWM波形，非常適合于控制交流感應電機、無刷直流電機等各種電機。選用此款單片機可極大縮小控制電路體積，從而減小整個空調電源的體積，增加系統的集成性和可靠性。本系統選用定時器MCP4輸出SPWM信號。 2.2 SPWM脈寬調制信號的產生 實行SPWM脈寬調制時，在一個調制信號（正弦波）周期內所包含的三角載波的個數稱為載波頻率比N（亦即載波比）。在變頻過程中，即調制信號周期變化過程中，每個調制信號周期內載波個數不變的調制稱為同步調制，載波個數相應變化的調制稱為異步調制。同步調制在輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加，使負載電機產生較大的脈動轉矩和較強的噪聲，發熱量增加；另外，這種調制由于載波周期隨調制波周期連續變化而變化，在利用微處理機進行數字化技術控制時，帶來極大不便，難以實現。為此，本逆變器采用異步調制原理，避免了上述現象的發生。 在實際工程中，為方便單片機控制，采用查表法生成SPWM脈寬調制信號。應用工程軟件Matlab編程計算所需正弦表，將一個周期正弦波分成4096個數據，預先存入單片機存儲區中。由MCP4定時器產生周期溢出中斷，并在該中斷的中斷服務程序中讀取正弦表中的一個數據點，每次查表后正弦表指針加1，滿周期后循環查詢，一個MCP4定時器周期等于一個SPWM載波周期。根據沖量等效原理(大小、波形不同的窄脈沖變量作用于慣性系統時，只要它們的沖量即變量對時間的積分相等，其作用效果基本相同)可知，載波頻率越高，逆變器輸出SPWM波諧波含量越小，越接近正弦波。但是載波頻率受開關器件（IPM）本身開關能力的限制，開關頻率越高，器件發熱量越大。綜合考慮器件開關損耗和輸出波形質量的要求，通過設置定時器周期寄存器（P_TMR4_TPR）確定一個載波周期為6000個系統周期，若系統時鐘頻率為24M，則載波周期為4K。單片機定時查詢CAN總線傳來的頻率給定信號，計算出查正弦表時所用的步進值（查表時所用的步進值越大，輸出SPWM波形頻率越高）。查表所得值被載入比較匹配寄存器（P_TMR4_TGRA、P_TMR4_TGRB、P_TMR4_TGRC），與定時器計數寄存器值比較輸出不同脈寬的調制波，具體原理如圖2所示，當定時器計數寄存器計數值（P_TMR0_TCNT）與比較匹配寄存器（P_TMR0_TGRA）值相等時輸出信號產生電平 翻轉。查表時A、B、C三相通過引入數據表地址指針偏移量實現三相互差波形輸出。 圖2 脈寬比較輸出原理圖 通過定時查詢CAN總線傳來的工作模式給定信號，逆變器可輸出不同頻率的SPWM波，準確控制空調機組工作模式。逆變器輸出波形如圖3、圖4所示。 圖3 未濾波逆變器輸出波形 圖4 濾波后逆變器輸出波形 3 通訊系統控制方案 為了適應機車上復雜的電磁環境，滿足逆變器控制系統通訊的要求，本系統中使用工業現場總線（CAN總線）進行控制信號、反饋信號的傳輸。 CAN總線特點： ◆ CAN采用多主方式工作模式，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從。 ◆ CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息出現沖突時，優先級較低的節點會主動地退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。 ◆ CAN節點只需通過對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。 ◆ CAN的直接通信距離最遠可達10km；通信速率最高可達1Mbps。 ◆ CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。 ◆ CAN的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 ◆ CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響。 3.1 通訊系統硬件電路設計 由圖5可知，上位微機CAN總線節點硬件電路主要分為四個部分：單片機C8051F020、獨立CAN通訊控制器SJA1000、CAN總線驅動器82C250和高速光耦6N137。單片機C8051F020負責SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實現數據的接收和發送等通信任務。 圖5 通訊系統硬件電路框圖 為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好的實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯了兩個小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。 逆變器CAN總線節點硬件電路與上位微機CAN總線節點硬件電路結構基本相同，只有CAN通訊控制器選用MCP2515代替了SJA1000，逆變器控制芯片SPMC75F2413A通過SPI接口與該器件連接。使用標準的SPI讀/寫指令以及專門的SPI命令來讀/寫所有的寄存器。通過SPI接口設置寄存器中的相應位或使用發送使能引腳均可啟動發送操作。通過讀取相應的寄存器可以檢查通訊狀態和錯誤。器件上有一個多用途中斷引腳及各接收緩沖器的專用中斷引腳，用于指示有效報文是否被接收并載入接收緩沖器。器件還有三個引腳，用來啟動將裝載在三個發送緩沖器之一中的報文立即發送出去。 3.2 通訊系統軟件設計 通過軟件設計，完成系統的通訊功能。CAN節點初始化時，通過調用CAN初始化程序，實現對工作模式寄存器、波特率寄存器、驗收屏蔽寄存器、驗收濾波寄存器等的設置；當節點上的CAN控制器接收到數據幀、產生中斷信號時，單片機通過調用數據接收子程序，從CAN控制器的接收數據緩沖區中讀出相關的數據并釋放接收數據緩沖區；當CAN節點需要發送數據幀時，通過調用數據發送子程序，將要發送的數據寫入相應CAN控制器的數據發送緩沖區，并設置發送請求以啟動數據幀的發送；將保護信號和相關設定信號使用不同的數據幀加以傳送，如果逆變器數據幀的發送間隔超過了系統中的設定值時，便由上位微機通過發送遠程幀查詢相關的故障請求。 在制定相關數據幀的標識符時（系統中采用11位標準標識符）規定：標識符的前四位標識發出數據幀的單元地址；標識符的后4位標識要接收數據幀的節點地址。按照上面的方法，規定上位微機的CAN節點地址標識為4，逆變器1、2、3的節點地址標識分別為1、2、3，可得到圖6中的各相關數據幀的標識符。 圖6 系統CAN數據流程圖 CAN控制器初始化程序中，在設置CAN控制器的驗收屏蔽寄存器時，將標準標識符的高7位（ID10-ID4）設置為驗收濾波的無關位。這樣，CAN控制器在接收相關的數據幀時，對數據幀的發送節點的標識地址是不進行驗收濾波的，而僅僅對于數據幀接收節點的標識符進行判斷。當接收到的數據幀的標識符顯示本節點的標識地址時，便可進行接收，數據幀接收后再對發送節點的標志地址進行驗收，判斷數據幀的來源；否則不接收數據幀。采取這樣的驗收寄存器設置，可以十分靈活地實現前述的通訊協議，并在最大程度上減輕相關CAN節點在軟件設計上的復雜性，簡化程序，提高工作可靠性。 4 結語 上述設計方案和實驗結果表明，以C8051F020和SPMC75F2413A為控制核心，以IPM集成模塊為主開關器件的空調電源逆變器控制系統設計方案是可行的。該逆變器控制系統控制方便、運行可靠，能夠滿足機車車載空調電源的要求。清晰、優化的軟件流程設計，使得該控制系統功能更強大、人性化。SPMC75F2413A的成功應用，使得該控制系統具有結構簡單、性能優化、動態響應速度快和可靠性高等優點。 |
