引言

隨著電力電子學(xué)科的發(fā)展，逆變器控制技術(shù)與工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用范圍越來越廣，本系統(tǒng)成功應(yīng)用這兩項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了機(jī)車空調(diào)電源用逆變器控制系統(tǒng)。原有空調(diào)電源逆變器控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：不能根據(jù)設(shè)定溫度控制空調(diào)機(jī)組變頻運(yùn)行，體積大，各逆變器協(xié)調(diào)控制困難。本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)車空調(diào)機(jī)組用多逆變器控制系統(tǒng)，與原有空調(diào)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(yùn)行可靠、利于維修等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)工作原理

由圖1可知，上位微機(jī)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(chǎn)生不同頻率的SPWM信號(hào)控制逆變器工作；逆變器控制電路將各逆變器實(shí)際工作狀態(tài)、故障信號(hào)等通過CAN總線上報(bào)給上位微機(jī)控制電路。

圖1 逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)SPMC75F2413A。其內(nèi)部集成了能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM發(fā)生器、多功能捕獲比較模塊、BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用位置偵測(cè)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(shí)計(jì)數(shù)器等功能模塊，利用這些硬件模塊支持，SPMC75可以實(shí)現(xiàn)諸如家電用變頻驅(qū)動(dòng)器、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)器、多環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。SPMC75F2413A集成了兩個(gè)電機(jī)控制PWM輸出定時(shí)器—MCP（Motor Control PWM）定時(shí)器：MCP3、MCP4。每一個(gè)MCP定時(shí)器都可以獨(dú)立輸出三相六路的PWM波形，非常適合于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)等各種電機(jī)。選用此款單片機(jī)可極大縮小控制電路體積，從而減小整個(gè)空調(diào)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(shí)器MCP4輸出SPWM信號(hào)。

2.2 SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生

實(shí)行SPWM脈寬調(diào)制時(shí)，在一個(gè)調(diào)制信號(hào)（正弦波）周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱為載波頻率比N（亦即載波比）。在變頻過程中，即調(diào)制信號(hào)周期變化過程中，每個(gè)調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)載波個(gè)數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制，載波個(gè)數(shù)相應(yīng)變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。同步調(diào)制在輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，發(fā)熱量增加；另外，這種調(diào)制由于載波周期隨調(diào)制波周期連續(xù)變化而變化，在利用微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)字化技術(shù)控制時(shí)，帶來極大不便，難以實(shí)現(xiàn)。為此，本逆變器采用異步調(diào)制原理，避免了上述現(xiàn)象的發(fā)生。

在實(shí)際工程中，為方便單片機(jī)控制，采用查表法生成SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)。應(yīng)用工程軟件Matlab編程計(jì)算所需正弦表，將一個(gè)周期正弦波分成4096個(gè)數(shù)據(jù)，預(yù)先存入單片機(jī)存儲(chǔ)區(qū)中。由MCP4定時(shí)器產(chǎn)生周期溢出中斷，并在該中斷的中斷服務(wù)程序中讀取正弦表中的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每次查表后正弦表指針加1，滿周期后循環(huán)查詢，一個(gè)MCP4定時(shí)器周期等于一個(gè)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(shí)，只要它們的沖量即變量對(duì)時(shí)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(guān)器件（IPM）本身開關(guān)能力的限制，開關(guān)頻率越高，器件發(fā)熱量越大。綜合考慮器件開關(guān)損耗和輸出波形質(zhì)量的要求，通過設(shè)置定時(shí)器周期寄存器（P_TMR4_TPR）確定一個(gè)載波周期為6000個(gè)系統(tǒng)周期，若系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為24M，則載波周期為4K。單片機(jī)定時(shí)查詢CAN總線傳來的頻率給定信號(hào)，計(jì)算出查正弦表時(shí)所用的步進(jìn)值（查表時(shí)所用的步進(jìn)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(shí)器計(jì)數(shù)寄存器值比較輸出不同脈寬的調(diào)制波，具體原理如圖2所示，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器計(jì)數(shù)值（P_TMR0_TCNT）與比較匹配寄存器（P_TMR0_TGRA）值相等時(shí)輸出信號(hào)產(chǎn)生電平 翻轉(zhuǎn)。查表時(shí)A、B、C三相通過引入數(shù)據(jù)表地址指針偏移量實(shí)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(shí)查詢CAN總線傳來的工作模式給定信號(hào)，逆變器可輸出不同頻率的SPWM波，準(zhǔn)確控制空調(diào)機(jī)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(yīng)機(jī)車上復(fù)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(jìn)行控制信號(hào)、反饋信號(hào)的傳輸。

CAN總線特點(diǎn)：

◆ CAN采用多主方式工作模式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。

◆ CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)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(shí)間。

◆ CAN節(jié)點(diǎn)只需通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(yuǎn)可達(dá)10km；通信速率最高可達(dá)1Mbps。

◆ CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。

◆ CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

◆ CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

3.1 通訊系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

由圖5可知，上位微機(jī)CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件電路主要分為四個(gè)部分：單片機(jī)C8051F020、獨(dú)立CAN通訊控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250和高速光耦6N137。單片機(jī)C8051F020負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

圖5 通訊系統(tǒng)硬件電路框圖

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)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(gè)電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)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(diǎn)硬件電路與上位微機(jī)CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)置寄存器中的相應(yīng)位或使用發(fā)送使能引腳均可啟動(dòng)發(fā)送操作。通過讀取相應(yīng)的寄存器可以檢查通訊狀態(tài)和錯(cuò)誤。器件上有一個(gè)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(bào)文是否被接收并載入接收緩沖器。器件還有三個(gè)引腳，用來啟動(dòng)將裝載在三個(gè)發(fā)送緩沖器之一中的報(bào)文立即發(fā)送出去。

3.2 通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過軟件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的通訊功能。CAN節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)，通過調(diào)用CAN初始化程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作模式寄存器、波特率寄存器、驗(yàn)收屏蔽寄存器、驗(yàn)收濾波寄存器等的設(shè)置；當(dāng)節(jié)點(diǎn)上的CAN控制器接收到數(shù)據(jù)幀、產(chǎn)生中斷信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過調(diào)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(guān)的數(shù)據(jù)并釋放接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，通過調(diào)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(yīng)CAN控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，并設(shè)置發(fā)送請(qǐng)求以啟動(dòng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送；將保護(hù)信號(hào)和相關(guān)設(shè)定信號(hào)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(shè)定值時(shí)，便由上位微機(jī)通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀查詢相關(guān)的故障請(qǐng)求。

在制定相關(guān)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符時(shí)（系統(tǒng)中采用11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符）規(guī)定：標(biāo)識(shí)符的前四位標(biāo)識(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)幀的單元地址；標(biāo)識(shí)符的后4位標(biāo)識(shí)要接收數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)地址。按照上面的方法，規(guī)定上位微機(jī)的CAN節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)為4，逆變器1、2、3的節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)分別為1、2、3，可得到圖6中的各相關(guān)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)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(shè)置CAN控制器的驗(yàn)收屏蔽寄存器時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符的高7位（ID10-ID4）設(shè)置為驗(yàn)收濾波的無關(guān)位。這樣，CAN控制器在接收相關(guān)的數(shù)據(jù)幀時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)地址是不進(jìn)行驗(yàn)收濾波的，而僅僅對(duì)于數(shù)據(jù)幀接收節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行判斷。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符顯示本節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)地址時(shí)，便可進(jìn)行接收，數(shù)據(jù)幀接收后再對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志地址進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)收寄存器設(shè)置，可以十分靈活地實(shí)現(xiàn)前述的通訊協(xié)議，并在最大程度上減輕相關(guān)CAN節(jié)點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性，簡化程序，提高工作可靠性。

4 結(jié)語

上述設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以C8051F020和SPMC75F2413A為控制核心，以IPM集成模塊為主開關(guān)器件的空調(diào)電源逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是可行的。該逆變器控制系統(tǒng)控制方便、運(yùn)行可靠，能夠滿足機(jī)車車載空調(diào)電源的要求。清晰、優(yōu)化的軟件流程設(shè)計(jì)，使得該控制系統(tǒng)功能更強(qiáng)大、人性化。SPMC75F2413A的成功應(yīng)用，使得該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)化、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。