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| 一种新型的高压变频分布式控制系统（下） |
| 2008年7月16日 10:57
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徐 东 王田苗 刘敬猛 魏洪兴
2.2 分布式控制单元
基于TI公司的DSP芯片TMS320F2407设计的分布式控制单元，充分利用芯片丰富的外设模块。CAN总线模块实现和中央控制单元的通信，接收并反馈控制信息;A/D转换和数字输入输出口的配合使用，实现桥臂电压和模块过流等保护信号的监测和处理;事件模块是分布单元控制的核心，根据中央控制单元发送的电压频率、实时同步信息、误差校正信息，以PWM电压串联的处理方法，计算本控制单元当前时间的PWM电压输出的周期和占空比。每相的8个分布式单元输出的PWM电压串联叠加波形如图5所示。通过调整分布单元的PWM输出波形，可以使叠加波形逼近完美的正弦波，使变频系统实现无谐波的控制。
2.3 总线协议设计
系统的中央控制单元与各个分布控制单元之间采用CAN总线通信，这是分布式系统的枢纽。由于工业现场的环境比较复杂，存在强电磁干扰，因此，本系统设计了光纤集线器，CAN总线的差分信号用光纤传输，进一步加强了CAN总线的抗干扰能力，保证了系统通信的稳定可靠。
为了满足分布系统的强实时性要求，本文设计了优先级动态分配机制和分时发送机制。CAN总线各节点的优先级是由其标志符决定的，标志符的数值越小优先级越高。利用CAN总线的这一特点，设计了优先级动态分配机制，标志符的高5位作为优先级分配位，在数据传输时已经屏蔽不作为接收标志;低6位作为接收标志位，根据单元ID设定。动态优先级的分配方法:系统启动后所有节点优先级设为中间值11100，CAN总线发送后开始动态分配。当本单元发送数据成功时，则降低本单元的优先级;当本单元发送数据被总线仲裁为等待时，则提升本单元的优先级继续发送。虽然优先级的动态分配解决了各单元数据传输的平等性问题，但系统节点较多，使用CAN本身的仲裁机制仍会有较长时间的发送等待。而各分布单元之间使用分时传输机制，在控制范围内沿时间轴展开数据传输，这样就减少了节点之间的总线冲突，提高了通信稳定性。
CAN传输的8字节数据域制定的协议格式如表1所示。表中，指令码标志本指令的内容，源地址发送单元的标志符，长度标志有效数据，接收单元根据长度处理数据。指令分为网络控制、运行状态设置、同步监测和校准、报警监测、故障处理等几个类别。CAN总线优化的控制机制和应用层协议以稳定的总线网络传送控制信息，通信的稳定性和实时性得到了实验验证。
3 实验验证
高压变频系统因为其应用环境的特殊性，不能在现场直接进行稳定性和可靠性的实验。本文根据高压变频系统控制的原理，模拟现场情况设计了测试系统。测试系统以带载0～24V的控制单元电压替换功率单元的0～540V电压，测试系统拖动380V/120W的三相交流电机，从控制准确性、稳定性和可靠性各方面对系统进行验证。
为了采集单元叠加波形，在测试系统的电压输出端用50kΩ/150kΩ的电阻分压，测得的相电压叠加波形如图6（a）所示。分布式单元的输出电压按照理论设计的要求叠加，完全符合控制模型所要求的控制电压波形，而且分布式嵌入控制系统中八个控制单元的同步运行正常。
图6（b）所示的线电压叠加波形为两相相电压矢量和。在系统运行过程中，变化输出电压的频率和峰值、线电压波形都保持正常，说明分布式控制的各相之间的相位差控制算法正确。
系统在实验环境下长时间（测试时间为一周）运行，变频调速等各项功能稳定正常。本文设计的系统和高压驱动部分均为弱电信号接口，测试平台的测试情况基本可以反映系统工业运行情况，测试实验证明了本文所设计的嵌入式分布控制策略实际应用的可行性。
本文对高压变频提出了一种新的控制策略，成功地设计了稳定的高压变频分布式控制系统测试平台。该平台实现了以电压串联的拓扑结构完成电机的控制运行，系统在模拟的试验环境下经过测试，验证了系统的分布式策略以及通信协议、控制算法的正确性。且运行良好。
分布式控制系统与传统的控制系统相比，其控制结构简单、有较强的伸缩性和可重构性等优点。而且具有很强的运算能力，为控制算法的优化和控制性能的提高留有很大的上升空间。本文所设计的高压变频分布控制系统适合应用于电力、油田、造纸等行业中的高压电机的控制。
http://www.chuandong.com/publish/tech/thesis/2008/7/thesis_0_43_3736.html
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