基于CANopen协议的三相逆变器并联控制系统设计

摘 要：本文在讨论三相逆变器的集中并联控制方法基础上，提出基于CAN总线的分散逻辑并联控制和下垂控制相结合的三相逆变器并联控制系统的设计方案。该系统能够满足三相逆变器并联控制对处理速度、通信速率和灵活性的要求。

关键词：CANopen协议；CAN总线；逆变器并联；控制系统

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-02

一、需求分析

随着新能源和电力电子技术的研究和应用的不断深入，对分布式发电技术的需求变得日益广泛。逆变器的并联控制技术，是分布式发电技术的核心。要实现两台或多台三相逆变器的并联运行，不但要求它们每一相输出的电压幅值相等，而且要求输出电压信号的频率和相位严格一致，这是最理想的工作状态。但是，在实际的逆变器并联系统中，由于电路参数的差异和负载的经常变化或因为控制系统的固有特性问题，不同逆变器之间的这三个参数不可能完全相等，导致彼此之间存在一定的电压差，从而在系统内部形成环流。环流会引起设备的损坏。因此在逆变器控制上必须解决逆变器之间的同步与均流控制问题。本文在比较了多种逆变器并联的控制方式后，选择了结合分散逻辑并联控制和无互连线并联控制的控制方案，研究适用于该方案的控制系统实现方法。

二、并联控制方法的选择

逆变器并联的控制方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互连线控制四种控制策略。结合分散逻辑并联控制和无互连线并联控制两者的优势相互结合，得到了较好的控制效果。本文将研究适用于此并联控制方法的控制系统实现方案。该方案主要特点如下：（1）控制系统以TMS320F2812 DSP为核心，实现逆变器的数字控制；（2）单台逆变器可以实现了外特性的下垂特性控制，即使是在网络失效的情况下，也可以实现逆变器之间的并联运行，不会带来系统的风险或停机；（3）多个逆变器之间的同步和均流信号同时经过CAN总线通信实现，进一步增强系统的稳定性和可靠性。

三、控制系统的硬件结构

整个控制系统以DSP为核心，结合外围的采样与输入输出电路和CAN总线通信电路，实现逆变器的数字控制，硬件结构框图如1图所示。

（一）DSP芯片选用TI公司的定点控制芯片TMS320F2812，具有150MHz的高速处理能力，依赖于其专门针对变流器设计的事件管理器EV，完成变流器的闭环控制、同步信号捕获及PWM脉冲产生。同时TI公司提供了专用的浮点数学函数库，能够在定点处理器上方便地实现浮点运算，并支持C与C++编程语言，便于软件开发以及代码的更新与维护。

（二）数字信号输出电路和数字信号输入电路采用74HC245、74HC373、74HC244等通用芯片实现与DSP的地址和数据总线接口，由DSP进行读取和控制相关数字量。

（三）模拟输入调理电路主要由跟随器组成，完成信号的电平变换和对外部输入信号的高阻抗和对内部ADC芯片的低阻抗特性。ADC芯片为AD7938芯片，该芯片为8通道12位并行接口的模数转换芯片，内部自带采样保持器和排序器，采样速率最大1.5MSPS。模拟输出调理电路采用AD7226和运算放大器组成。模拟信号捕获电路由若干个比较器组成，用于得到输入传感器信号的过零信号的判断。

（四）232接口用于调试和控制、状态信息的传输。PWM脉冲输出为IGBT的开关信号，通过TMS320F2812内部的事件管理器的PWM模块产生。PWM脉冲信号输出至IGBT的驱动板后最终驱动IGBT的导通与关断。

（五）TMS320F2812片上提供了增强型CAN总线控制器eCAN模块，性能较之前的DSP内嵌CAN控制器有较大的提高，数据传输更加灵活方便，可靠性更高，功能更加完备。CAN驱动器使用TI公司的SN65HVD232芯片，该芯片是驱动CAN控制器和实际CAN物理总线的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。SN65HVD232可以由3.3V电源供电，TMS320F2812也是用3.3V供电，两者可以直接连接。

四、通信协议设计

本系统中各个逆变器控制器之间交换数据采用CAN总线完成。为了更加方便的在各个逆变器之间进行数据交换，在本系统中基于CANopen协议设计了逆变器之间的通信协议。如图2所示。

在CANopen协议的数据传输中共定义了4类对象（通讯模式），分别为网络管理对象（NMT）、服务数据对象（SDO）、过程数据对象（PDO）和特殊功能对象。CANopen设备之间的通讯具有三种通讯模型，主从（master/slave）模型、客户端/服务器（client/server）模型和生产者/消费者（producer/consumer）模型。在本系统中，要求各个逆变器之间以确定且固定的速率传输各自的状态，因此选择生产者/消费者模型作为本系统的CAN总线通讯模型。该模型中为了管理各个节点之间数据的收发，CANopen提供了一种同步（SYNC）协议。该协议中，Sync-Producer（同步生产者）为Sync-Consumer（同步消费者）提供同步信号。当Sync-Consumer接收到该信号时，它们开始执行他们的同步任务，如图所示。在本系统中，任务就是收到对应同步信号的生产者将有功功率和无功功率等信号通过PDO报文传输出去，由其它逆变器接收。如图3所示。

从图中可以看出，在本系统中除了各个需要并联的逆变器需要连接到CAN总线意外，还需要一个Sync-Producer（同步生产者）来按照固定频率来发送SYNC报文。为了减少逆变器控制系统设计的复杂性，在本系统中专门设置了一台监控计算机作为CANopen主站设备。该计算机上安装了具备PCI总线接口的CANopen网卡PCI-5010P。

以下的表格为在四台逆变器并联控制系统中采用CANopen协议的节点、对象字典和TPDO、RPDO的配置和定义情况。

五、结束语

本文在讨论了三相逆变器的集中并联控制方法基础上，提出了基于CAN总线的分散逻辑并联控制和下垂控制相结合的三相逆变器并联控制系统的设计方案。该控制系统硬件上基于TMS320F2812 DSP作为主控芯片，文中描述了其它相关接口的实现方法。作为逆变器间交换控制相关数据的方法，针对CAN总线本身协议不完整的缺点，提出了基于CANopen协议实现的适用于本系统的通信协议，给出了通讯参数、映射参数和对象字典等。该系统能够满足三相逆变器并联控制对处理速度、通信速率和灵活性的要求。

参考文献：

[1]郭景.基于CAN总线的主从式三相逆变电源并联控制技术研究[D].燕山大学，2006.

[2]Zhang.Y.Ma，H.Theoretical and Experimental Investigation of Networked Control for Parallel Operation of Inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics.2012，59（04）.

[作者简介]熊彪（1981.08-），男，工程师，本科，研究方向：铁道供电。

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