基于LF2407A的并聯(lián)逆變電源設(shè)計(jì)

1 引言

　　逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行，不僅可實(shí)現(xiàn)功率合成，且易于組成積木式、冗余化、智能化的分布式大功率電源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是電源技術(shù)發(fā)展的重要方向?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)可以方便地構(gòu)建分布式逆變電源局域控制網(wǎng)，使得交流電源系統(tǒng)從傳統(tǒng)的集中式供電向分布式供電乃至智能電源系統(tǒng)供電模式發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化控制的有效手段。本文介紹一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的逆變電源的并聯(lián)，充分利用TI公司TMS320LF2407A DSP芯片的內(nèi)部資源，通過(guò)內(nèi)嵌的CAN總線從各并聯(lián)模塊獲取并解析現(xiàn)場(chǎng)控制數(shù)據(jù)，響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)實(shí)時(shí)性操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊工作的調(diào)度監(jiān)控。

　　2 逆變電源并聯(lián)技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行，其關(guān)鍵問(wèn)題在于各逆變電源要共同分擔(dān)負(fù)載電流，即要實(shí)現(xiàn)逆變電源的均流運(yùn)行。由于逆變電源模塊并聯(lián)運(yùn)行組成的是交流電源供電系統(tǒng)，各模塊輸出為交流信號(hào)，因而，它們之間的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)運(yùn)行復(fù)雜得多。逆變電源的并聯(lián)需要滿足5項(xiàng)條件[1]，即電壓、頻率、波形、相位和相序的相同，只有這樣才能消除環(huán)流、均分負(fù)載功率，達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)逆變電源并聯(lián)。電源電壓幅值與相位的差異都會(huì)引起逆變電源的電流差異，因此，同步運(yùn)行和電流輸出一致成為實(shí)現(xiàn)逆變電源并聯(lián)控制要根本解決的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌在TMS320LF2407A DSP芯片中的CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變電源的同步運(yùn)行和均流。

　　3 基于DSP的CAN總線設(shè)計(jì)

　　基于CAN總線的DSP控制逆變電源并聯(lián)控制的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如3-1所示。DSP根據(jù)采樣獲得的反饋值與給定值進(jìn)行比較，控制輸出PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)逆變橋功率開(kāi)關(guān)，輸出頻率、幅值、相位可調(diào)的正弦電壓。CAN控制器接收來(lái)自CAN總線的命令實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)逆變電源模塊的控制。

　　圖3-1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]CAN總線硬件設(shè)計(jì) #e#

　　3.1 CAN總線硬件設(shè)計(jì)

　　DSP芯片TMS320LF2407A中內(nèi)嵌了一個(gè)CAN控制器，CAN總線通訊在本文實(shí)現(xiàn)的逆變器并聯(lián)的實(shí)現(xiàn)中起到重要的作用，它為并聯(lián)運(yùn)行提供了同步信號(hào)以及電流給定值的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)與CAN總線接口時(shí)，必須配上CAN總線接受器[2]， DSP芯片TMS320LF2407A采用3.3V電源供電， TI公司專門(mén)為3.3 V供電的240x系列DSP設(shè)計(jì)了3種型號(hào)的CAN總線收發(fā)器，即SN65HVD230、SN65HVD231和SN65HVD232。它們都是采用3.3 V電源，總線上最多可連120個(gè)節(jié)點(diǎn)，溫度升高到一定值時(shí)，總線自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)上電或移去對(duì)總線上的其他節(jié)點(diǎn)沒(méi)有影響，該系列器件支持傳輸速率高達(dá)1Mbps。在本系統(tǒng)中就是選用了SN65HVD232作為CAN接受器，它的引腳分布如圖3-2所示。引腳1(D)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，引腳4(R)用于接收數(shù)據(jù)，它們應(yīng)分別連接到DSP芯片的CANTX/IOP6和CANTX/IOP7。

　　為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在兩個(gè)DSP的CAN通訊之間使用了高速光耦6N137構(gòu)成隔離電路如圖3-3，3-4所示。采用6N137高速光電耦合器，CAN的網(wǎng)絡(luò)速度可以達(dá)到和電阻網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)時(shí)的速度一樣[3]。數(shù)據(jù)發(fā)送隔離圖中CANTX和數(shù)據(jù)接收隔離電路中的CANRX均為DSP上的引腳，CANTX為CAN發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，CANRX為CAN接受數(shù)據(jù)引腳，電路中的R1為限流電阻，光耦6N137輸入電流不能小于7.5mA；電阻R2為上拉電阻；電阻R3為CAN總線網(wǎng)絡(luò)兩端的匹配電阻，這里選取的是120Ω電阻[4],匹配電阻起著相當(dāng)重要的作用，忽略掉它們，會(huì)使系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的抗干擾性大大降低甚至無(wú)法正常工作。

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　　3.2 CAN總線軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用爭(zhēng)主的主從控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)的通信。所有從模塊的同步信號(hào)、電流瞬時(shí)幅值基準(zhǔn)取自主模塊。為了適應(yīng)并聯(lián)冗余的要求，避免主模塊故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作癱瘓，主模塊是動(dòng)態(tài)確立的。每隔一定的時(shí)間，各個(gè)模塊都要廣播一個(gè)“爭(zhēng)主”請(qǐng)求，如果尚未確立主模塊、或者已經(jīng)確立的主模塊故障則最先發(fā)出“爭(zhēng)主”請(qǐng)求的模塊就可以成為新的主模塊。利用爭(zhēng)主主從控制的原則，在某一主模塊失效的情況下，由其他從模塊競(jìng)爭(zhēng)成為主模塊，代替原有主模塊的地位，這樣的機(jī)制可以保證整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)橐慌_(tái)通信主節(jié)點(diǎn)的癱瘓?jiān)斐烧麄€(gè)逆變模塊通信系統(tǒng)的癱瘓[5]。

　　對(duì)TMS320LF2407A的CAN控制器的編程主要是利用幾個(gè)郵箱進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，配置有6個(gè)郵箱，2個(gè)接收(0，1號(hào))，2個(gè)發(fā)送(4，5號(hào))，2個(gè)可配置(2，3號(hào))；每個(gè)郵箱數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8B。設(shè)置郵箱3為發(fā)送非廣播郵箱，郵箱2為接收非廣播信息郵箱，郵箱4為發(fā)送廣播的郵箱，郵箱0為接收廣播的郵箱。整個(gè)通信系統(tǒng)主要分為一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，其中郵箱4，在一定的時(shí)間定期以廣播的形式向總線發(fā)送爭(zhēng)主請(qǐng)求，以探測(cè)主節(jié)點(diǎn)是否工作正常。郵箱0的功能就是接收并區(qū)分這兩種信息，并判斷自身的地位，決定是否利用郵箱4發(fā)送反對(duì)爭(zhēng)主請(qǐng)求。郵箱2的主要功能是接收主節(jié)點(diǎn)的控制信息，并且通知郵箱3發(fā)送響應(yīng)的響應(yīng)信息。在圖3-5中給出了關(guān)于信息發(fā)送流程的描述。

　　4 實(shí)驗(yàn)

　　根據(jù)本文提出的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的逆變電源并聯(lián)的控制方案，在兩臺(tái)逆變電源上進(jìn)行了并聯(lián)實(shí)驗(yàn)。圖4-1為兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源輸出電壓，電壓幅值100V/格，圖4-2為兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源輸出電流，電流幅值10A/格，表明均流效果很好。圖4-3為從模塊跟蹤主模塊的同步信號(hào)，圖4-4顯示的是主模塊CAN總線發(fā)送的信號(hào)與從模塊的CAN總線接收的信號(hào)，信號(hào)在傳送過(guò)程中沒(méi)有丟失，一致性非常好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文的設(shè)計(jì)利用了LF2407A自身內(nèi)嵌CAN總線控制技術(shù)方便地構(gòu)建了分布式逆變電源局域控制網(wǎng)，不僅使逆變電源并聯(lián)方法簡(jiǎn)便，同時(shí)為各模塊提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信，支持逆變電源的熱插拔性，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、擴(kuò)容方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。