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[分享] 机车空调逆变电源控制系统及其实现

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发表于 2015-8-11 10:48:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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副标题#e#                          引言:
  随着电力电子学科的发展,逆变器控制技术与工业现场总线应用范围越来越广,本系统成功应用这两项技术,设计了电源用逆变器控制系统。原有空调电源逆变器控制系统的缺点是:不能根据设定温度控制空调机组变频运行,体积大,各逆变器协调控制困难。本文设计了一种机车空调机组用多逆变器控制系统,与原有空调电源逆变器控制系统相比,有体积小、重量轻、数据交换方便、运行可靠、利于维修等优点。
  1 系统工作原理:
  由图1可知,上位微机控制电路是该系统的核心控制部分,通过总线将控制指令传给逆变器控制电路,逆变器控制电路根据控制指令产生不同频率的SPWM信号控制逆变器工作;逆变器控制电路将各逆变器实际工作状态、故障信号等通过CAN总线上报给上位微机控制电路。

逆变器控制系统结构图

逆变器控制系统结构图

图1 逆变器控制系统结构图

  2 逆变器控制电路及控制方案
  2.1 逆变器控制电路
  逆变器控制芯片选用凌阳科技公司2005年推出的新一代16位单片机SPMC75F2413A。其内部集成了能驱动电机的PWM发生器、多功能捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等硬件模块,以及多功能I/O口、同步和异步串行口、ADC、定时计数器等功能模块,利用这些硬件模块支持,SPMC75可以实现诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱动器、多环伺服驱动系统等复杂应用。SPMC75F2413A集成了两个电机控制PWM输出定时器—MCP(Motor Control PWM)定时器:MCP3、MCP4。每一个MCP定时器都可以独立输出三相六路的PWM波形,非常适合于控制交流感应电机、无刷直流电机等各种电机。选用此款单片机可极大缩小控制电路体积,从而减小整个空调电源的体积,增加系统的集成性和可靠性。本系统选用定时器MCP4输出SPWM信号。
  2.2 SPWM脉宽调制信号的产生
  实行SPWM脉宽调制时,在一个调制信号(正弦波)周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比N(亦即载波比)。在变频过程中,即调制信号周期变化过程中,每个调制信号周期内载波个数不变的调制称为同步调制,载波个数相应变化的调制称为异步调制。同步调制在输出频率很低时,由于相邻两脉冲间的间距增大,谐波会显著增加,使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声,发热量增加;另外,这种调制由于载波周期随调制波周期连续变化而变化,在利用微处理机进行数字化技术控制时,带来极大不便,难以实现。为此,本逆变器采用异步调制原理,避免了上述现象的发生。
  在实际工程中,为方便单片机控制,采用查表法生成SPWM脉宽调制信号。应用工程软件Matlab编程计算所需正弦表,将一个周期正弦波分成4096个数据,预先存入单片机存储区中。由MCP4定时器产生周期溢出中断,并在该中断的中断服务程序中读取正弦表中的一个数据点,每次查表后正弦表指针加1,满周期后循环查询,一个MCP4定时器周期等于一个SPWM载波周期。根据冲量等效原理(大小、波形不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时,只要它们的冲量即变量对时间的积分相等,其作用效果基本相同)可知,载波频率越高,逆变器输出SPWM波谐波含量越小,越接近正弦波。但是载波频率受开关器件(IPM)本身开关能力的限制,开关频率越高,器件发热量越大。综合考虑器件开关损耗和输出波形质量的要求,通过设置定时器周期寄存器(P_TMR4_TPR)确定一个载波周期为6000个系统周期,若系统时钟频率为24M,则载波周期为4K。单片机定时查询CAN总线传来的频率给定信号,计算出查正弦表时所用的步进值(查表时所用的步进值越大,输出SPWM波形频率越高)。查表所得值被载入比较匹配寄存器(P_TMR4_TGRA、P_TMR4_TGRB、P_TMR4_TGRC),与定时器计数寄存器值比较输出不同脉宽的调制波,具体原理如图2所示,当定时器计数寄存器计数值(P_TMR0_TCNT)与比较匹配寄存器(P_TMR0_TGRA)值相等时输出信号产生电平   翻转。查表时A、B、C三相通过引入数据表地址指针偏移量实现三相互差波形输出。

脉宽比较输出原理图

脉宽比较输出原理图

图2 脉宽比较输出原理图

  通过定时查询CAN总线传来的工作模式给定信号,逆变器可输出不同频率的SPWM波,准确控制空调机组工作模式。逆变器输出波形如图3、图4所示。

未滤波逆变器输出波形

未滤波逆变器输出波形

图3 未滤波逆变器输出波形

滤波后逆变器输出波形

滤波后逆变器输出波形

图4 滤波后逆变器输出波形

  3 通讯系统控制方案
  为了适应机车上复杂的电磁环境,满足逆变器控制系统通讯的要求,本系统中使用工业现场总线(CAN总线)进行控制信号、反馈信号的传输。
  CAN总线特点:
  ◆ CAN采用多主方式工作模式,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从。
  ◆ CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

  ◆ CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。
  ◆ CAN的直接通信距离最远可达10km;通信速率最高可达1Mbps。
  ◆ CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,具有极好的检错效果。
  ◆ CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。
  ◆ CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。
                        #p#副标题#e#  3.1 通讯系统硬件电路设计
  由图5可知,上位微机总线节点硬件电路主要分为四个部分:单片机C8051F020、独立CAN通讯控制器SJA1000、CAN总线驱动器82C250和高速光耦6N137。单片机C8051F020负责SJA1000的初始化,通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。

通讯系统硬件电路框图

通讯系统硬件电路框图

图5 通讯系统硬件电路框图

  为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连,而是通过高速光耦6N137后与82C250相连,这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。
  逆变器CAN总线节点硬件电路与上位微机CAN总线节点硬件电路结构基本相同,只有CAN通讯控制器选用MCP2515代替了SJA1000,逆变器控制芯片SPMC75F2413A通过SPI接口与该器件连接。使用标准的SPI读/写指令以及专门的SPI命令来读/写所有的寄存器。通过SPI接口设置寄存器中的相应位或使用发送使能引脚均可启动发送操作。通过读取相应的寄存器可以检查通讯状态和错误。器件上有一个多用途中断引脚及各接收缓冲器的专用中断引脚,用于指示有效报文是否被接收并载入接收缓冲器。器件还有三个引脚,用来启动将装载在三个发送缓冲器之一中的报文立即发送出去。
  3.2 通讯系统软件设计
  通过软件设计,完成系统的通讯功能。CAN节点初始化时,通过调用CAN初始化程序,实现对工作模式寄存器、波特率寄存器、验收屏蔽寄存器、验收滤波寄存器等的设置;当节点上的CAN控制器接收到数据帧、产生中断信号时,单片机通过调用数据接收子程序,从CAN控制器的接收数据缓冲区中读出相关的数据并释放接收数据缓冲区;当CAN节点需要发送数据帧时,通过调用数据发送子程序,将要发送的数据写入相应CAN控制器的数据发送缓冲区,并设置发送请求以启动数据帧的发送;将保护信号和相关设定信号使用不同的数据帧加以传送,如果逆变器数据帧的发送间隔超过了系统中的设定值时,便由上位微机通过发送远程帧查询相关的故障请求。
  在制定相关数据帧的标识符时(系统中采用11位标准标识符)规定:标识符的前四位标识发出数据帧的单元地址;标识符的后4位标识要接收数据帧的节点地址。按照上面的方法,规定上位微机的CAN节点地址标识为4,逆变器1、2、3的节点地址标识分别为1、2、3,可得到图6中的各相关数据帧的标识符。

系统CAN数据流程图

系统CAN数据流程图

图6 系统CAN数据流程图

  CAN控制器初始化程序中,在设置CAN控制器的验收屏蔽寄存器时,将标准标识符的高7位(ID10-ID4)设置为验收滤波的无关位。这样,CAN控制器在接收相关的数据帧时,对数据帧的发送节点的标识地址是不进行验收滤波的,而仅仅对于数据帧接收节点的标识符进行判断。当接收到的数据帧的标识符显示本节点的标识地址时,便可进行接收,数据帧接收后再对发送节点的标志地址进行验收,判断数据帧的来源;否则不接收数据帧。采取这样的验收寄存器设置,可以十分灵活地实现前述的通讯协议,并在最大程度上减轻相关CAN节点在软件设计上的复杂性,简化程序,提高工作可靠性。
  4 结语
  上述设计方案和实验结果表明,以C8051F020和SPMC75F2413A为控制核心,以IPM集成模块为主开关器件的电源逆变器控制系统设计方案是可行的。该逆变器控制系统控制方便、运行可靠,能够满足车载空调电源的要求。清晰、优化的软件流程设计,使得该控制系统功能更强大、人性化。SPMC75F2413A的成功应用,使得该控制系统具有结构简单、性能优化、动态响应速度快和可靠性高等优点。
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