引言

隨著電力電子學科的發(fā)展，逆變器控制技術與工業(yè)現(xiàn)場總線應用范圍越來越廣，本系統(tǒng)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(tǒng)。原有空調電源逆變器控制系統(tǒng)的缺點是：不能根據(jù)設定溫度控制空調機組變頻運行，體積大，各逆變器協(xié)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(tǒng)，與原有空調電源逆變器控制系統(tǒng)相比，有體積小、重量輕、數(shù)據(jù)交換方便、運行可靠、利于維修等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)工作原理

由圖1可知，上位微機控制電路是該系統(tǒng)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(jù)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(tài)、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(tǒng)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(fā)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(shù)器等功能模塊，利用這些硬件模塊支持，SPMC75可以實現(xiàn)諸如家電用變頻驅動器、標準工業(yè)變頻驅動器、多環(huán)伺服驅動系統(tǒng)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(tǒng)的集成性和可靠性。本系統(tǒng)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(shù)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(shù)不變的調制稱為同步調制，載波個數(shù)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(fā)熱量增加；另外，這種調制由于載波周期隨調制波周期連續(xù)變化而變化，在利用微處理機進行數(shù)字化技術控制時，帶來極大不便，難以實現(xiàn)。為此，本逆變器采用異步調制原理，避免了上述現(xiàn)象的發(fā)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(shù)據(jù)，預先存入單片機存儲區(qū)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(shù)據(jù)點，每次查表后正弦表指針加1，滿周期后循環(huán)查詢，一個MCP4定時器周期等于一個SPWM載波周期。根據(jù)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)周期，若系統(tǒng)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(shù)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(shù)寄存器計數(shù)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(shù)據(jù)表地址指針偏移量實現(xiàn)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(tǒng)控制方案

為了適應機車上復雜的電磁環(huán)境，滿足逆變器控制系統(tǒng)通訊的要求，本系統(tǒng)中使用工業(yè)現(xiàn)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(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。

◆ CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。

◆ CAN節(jié)點只需通過對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

◆ 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(jié)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(jié)點的操作不受影響。

3.1 通訊系統(tǒng)硬件電路設計

由圖5可知，上位微機CAN總線節(jié)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(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務。

圖5 通訊系統(tǒng)硬件電路框圖

為了增強CAN總線節(jié)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(xiàn)了總線上各CAN節(jié)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(lián)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(jié)點硬件電路與上位微機CAN總線節(jié)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(fā)送使能引腳均可啟動發(fā)送操作。通過讀取相應的寄存器可以檢查通訊狀態(tài)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(fā)送緩沖器之一中的報文立即發(fā)送出去。

3.2 通訊系統(tǒng)軟件設計

通過軟件設計，完成系統(tǒng)的通訊功能。CAN節(jié)點初始化時，通過調用CAN初始化程序，實現(xiàn)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(jié)點上的CAN控制器接收到數(shù)據(jù)幀、產生中斷信號時，單片機通過調用數(shù)據(jù)接收子程序，從CAN控制器的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀出相關的數(shù)據(jù)并釋放接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；當CAN節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，通過調用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入相應CAN控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，并設置發(fā)送請求以啟動數(shù)據(jù)幀的發(fā)送；將保護信號和相關設定信號使用不同的數(shù)據(jù)幀加以傳送，如果逆變器數(shù)據(jù)幀的發(fā)送間隔超過了系統(tǒng)中的設定值時，便由上位微機通過發(fā)送遠程幀查詢相關的故障請求。

在制定相關數(shù)據(jù)幀的標識符時（系統(tǒng)中采用11位標準標識符）規(guī)定：標識符的前四位標識發(fā)出數(shù)據(jù)幀的單元地址；標識符的后4位標識要接收數(shù)據(jù)幀的節(jié)點地址。按照上面的方法，規(guī)定上位微機的CAN節(jié)點地址標識為4，逆變器1、2、3的節(jié)點地址標識分別為1、2、3，可得到圖6中的各相關數(shù)據(jù)幀的標識符。

圖6 系統(tǒng)CAN數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀時，對數(shù)據(jù)幀的發(fā)送節(jié)點的標識地址是不進行驗收濾波的，而僅僅對于數(shù)據(jù)幀接收節(jié)點的標識符進行判斷。當接收到的數(shù)據(jù)幀的標識符顯示本節(jié)點的標識地址時，便可進行接收，數(shù)據(jù)幀接收后再對發(fā)送節(jié)點的標志地址進行驗收，判斷數(shù)據(jù)幀的來源；否則不接收數(shù)據(jù)幀。采取這樣的驗收寄存器設置，可以十分靈活地實現(xiàn)前述的通訊協(xié)議，并在最大程度上減輕相關CAN節(jié)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(tǒng)設計方案是可行的。該逆變器控制系統(tǒng)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(yōu)化的軟件流程設計，使得該控制系統(tǒng)功能更強大、人性化。SPMC75F2413A的成功應用，使得該控制系統(tǒng)具有結構簡單、性能優(yōu)化、動態(tài)響應速度快和可靠性高等優(yōu)點。