摘 要： 根據單元串聯式高壓變頻" title="高壓變頻">高壓變頻控制的原理，建立了分布式控制" title="分布式控制">分布式控制的電路拓撲結構，提出了“中央控制單元" title="控制單元">控制單元-總線-分布單元”模式的一種新的控制策略。設計的高壓變頻分布式控制系統" title="控制系統">控制系統，以低壓功率開關元件實現了高壓控制，實驗結果驗證了設計的正確性。
關鍵詞： 分布式控制 高壓變頻? ARM? DSP
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近年來,出于節約能源的迫切需要和產品質量不斷提高的要求,大容量電動機的高壓變頻調速技術得到了廣泛的應用,在國內,基本覆蓋了電力、冶金、石油、化工、造紙等主要行業。因此國內變頻調速系統的研究非?；钴S,主要的問題是利用耐壓有限的功率開關器件實現高壓變頻調速,解決的辦法是把低壓的開關器件以一定的拓撲結構連接,用低電壓串聯形成高電壓。傳統的控制系統采用集中式控制,系統安裝調試比較復雜,功能相對局限且不易擴展,很難實現控制的智能化。而分布式控制系統結構簡單,數據處理方式靈活,有很強的擴展性,其模塊化的結構具有很強的容錯性,因此是高壓變頻系統實現智能控制的發展趨勢。
針對傳統控制系統過于復雜的缺點,本文提出一種高壓變頻的分布式控制策略,系統采用“中央控制單元-總線-分布控制單元”的分布式控制。
1 分布式控制的原理
設計的高壓變頻器要求產生的相電壓的變化在0～4 320V范圍之內,系統使用低壓功率器件,采用電壓串聯疊加的方法實現高壓[1],其高壓變頻系統實現原理如圖1所示。圖中,24個分布的單元,每個單元均由相同的控制和驅動系統組成?？刂茊卧捎肞WM控制方式調節驅動單元的輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓使之在0～540V之間變化。24個單元分成三相,每相由8個單元串聯連接,產生的相電壓的變化在0～4 320V范圍。三組功率單元星形聯相形成分布式控制的拓撲結構,以低壓的功率器件實現高壓輸出。每組疊加出用于電機驅動的一相電壓波形,相電壓之間的相位差為120°。這樣,線電壓可以控制在0～7500V,以適應高壓電機的控制要求。
分布單元驅動電路如圖2所示,由三相橋式整流電路和方波逆變器組成。兩個方波逆變器的輸出電壓uao和ubo是脈寬可調的方波,而兩橋臂中點a和b之間的電壓uab是uao和ubo方波電壓的疊加,即uab＝uao-ubo。假定uao和ubo之間的相位角之差為180°+Φ,則調節Φ角即可調節輸出電壓的脈寬,因而使輸出電壓的基波分量和諧波分量的幅值也發生變化。這樣,既改善了輸出電壓的波形,也達到了調節輸出電壓的目的。
2 分布式控制系統的設計
本文設計的高壓變頻控制系統結構如圖3所示。分布式系統由中央控制單元、CAN總線光纖通信部分和分布單元控制器三部分組成。中央控制單元以CAN總線和分布單元控制器建立通信,建立任務分工,協調控制系統的運行。以分布式控制系統代替傳統的集中式的控制系統,解決了集中式控制方式在數據就地采集、處理和獨立控制等方面的問題,減少了中央處理單元的負擔,而且擴展了系統功能,實現了高壓變頻器的遠程智能化監視和控制,改進了系統的性能,同時也更加符合工業現場的應用;由于CAN總線的通信采用光纖作為介質,中央控制單元及分布式單元通過兩根光纖和HUB連接即可完成系統的組裝;由于分布單元結構相同,可采用硬件ID軟件識別的方法使系統的可替換性和伸縮性增強。
2.1中央控制單元
基于ARM的嵌入式控制系統為核心的中央控制單元主要包括:I/O模塊、A/D數據采集模塊、液晶顯示模塊、GPRS遠程通信模塊、CAN總線通信模塊等外圍的功能模塊,其結構如圖4所示。采用分布式系統的功能劃分,并且利用ARM的32位的運算能力設計的中央控制單元所要執行的任務包括:高壓變頻系統電源控制、人機交互操作、GPRS遠程通信實現變頻器的異地監護和遠程參數設定以及遠程運行控制等、電機的調速以及調速系統的運行狀態控制。其中,電機的調速控制是系統的核心,保持分布式單元的實時同步、變頻控制算法實時運算工作的合理分配是實現調速控制的關鍵環節。本文通過中央單元的實時校正和總線協議的可靠性保證系統分布單元的同步性,運算任務分配的原則是中央控制單元處理人機交互信息中關于變頻調速的整體信息,并將此信息傳送給各分布式單元,由各個單元完成PWM算法實現電壓疊加和電機控制。任務分配的實現是以穩定高效的總線協議為前提的。
2.2 分布式控制單元
基于TI公司的DSP芯片TMS320F2407設計的分布式控制單元,充分利用芯片豐富的外設模塊。CAN總線模塊實現和中央控制單元的通信,接收并反饋控制信息;A/D轉換和數字輸入輸出口的配合使用,實現橋臂電壓和模塊過流等保護信號的監測和處理;事件模塊是分布單元控制的核心,根據中央控制單元發送的電壓頻率、實時同步信息、誤差校正信息,以PWM電壓串聯的處理方法,計算本控制單元當前時間的PWM電壓輸出的周期和占空比。每相的8個分布式單元輸出的PWM電壓串聯疊加波形如圖5所示。通過調整分布單元的PWM輸出波形,可以使疊加波形逼近完美的正弦波,使變頻系統實現無諧波的控制。
2.3 總線協議設計
系統的中央控制單元與各個分布控制單元之間采用CAN總線通信,這是分布式系統的樞紐。由于工業現場的環境比較復雜,存在強電磁干擾,因此,本系統設計了光纖集線器,CAN總線的差分信號用光纖傳輸,進一步加強了CAN總線的抗干擾能力,保證了系統通信的穩定可靠。
為了滿足分布系統的強實時性要求,本文設計了優先級動態分配機制和分時發送機制。CAN總線各節點的優先級是由其標志符決定的,標志符的數值越小優先級越高。利用CAN總線的這一特點,設計了優先級動態分配機制,標志符的高5位作為優先級分配位,在數據傳輸時已經屏蔽不作為接收標志;低6位作為接收標志位,根據單元ID設定。動態優先級的分配方法:系統啟動后所有節點優先級設為中間值11100,CAN總線發送后開始動態分配。當本單元發送數據成功時,則降低本單元的優先級;當本單元發送數據被總線仲裁為等待時,則提升本單元的優先級繼續發送。雖然優先級的動態分配解決了各單元數據傳輸的平等性問題,但系統節點較多,使用CAN本身的仲裁機制仍會有較長時間的發送等待。而各分布單元之間使用分時傳輸機制,在控制范圍內沿時間軸展開數據傳輸,這樣就減少了節點之間的總線沖突,提高了通信穩定性。
CAN傳輸的8字節數據域制定的協議格式如表1所示。表中,指令碼標志本指令的內容,源地址發送單元的標志符,長度標志有效數據,接收單元根據長度處理數據。指令分為網絡控制、運行狀態設置、同步監測和校準、報警監測、故障處理等幾個類別。CAN總線優化的控制機制和應用層協議以穩定的總線網絡傳送控制信息,通信的穩定性和實時性得到了實驗驗證。
| 參數 | 指令碼 | 源地址 | 長度 | 數據位 |
| 長度（字節） | 1 | 1 | 1 | 4 |
| 備注 | 低位 | ? | ? | 高位 |
3 實驗驗證
高壓變頻系統因為其應用環境的特殊性,不能在現場直接進行穩定性和可靠性的實驗。本文根據高壓變頻系統控制的原理,模擬現場情況設計了測試系統。測試系統以帶載0～24V的控制單元電壓替換功率單元的0～540V電壓,測試系統拖動380V/120W的三相交流電機,從控制準確性、穩定性和可靠性各方面對系統進行驗證。
為了采集單元疊加波形,在測試系統的電壓輸出端用50kΩ/150kΩ的電阻分壓,測得的相電壓疊加波形如圖6(a)所示。分布式單元的輸出電壓按照理論設計的要求疊加,完全符合控制模型所要求的控制電壓波形,而且分布式嵌入控制系統中八個控制單元的同步運行正常。
圖6(b)所示的線電壓疊加波形為兩相相電壓矢量和。在系統運行過程中,變化輸出電壓的頻率和峰值、線電壓波形都保持正常,說明分布式控制的各相之間的相位差控制算法正確。
系統在實驗環境下長時間(測試時間為一周)運行,變頻調速等各項功能穩定正常。本文設計的系統和高壓驅動部分均為弱電信號接口,測試平臺的測試情況基本可以反映系統工業運行情況,測試實驗證明了本文所設計的嵌入式分布控制策略實際應用的可行性。
?本文對高壓變頻提出了一種新的控制策略,成功地設計了穩定的高壓變頻分布式控制系統測試平臺。該平臺實現了以電壓串聯的拓撲結構完成電機的控制運行,系統在模擬的試驗環境下經過測試,驗證了系統的分布式策略以及通信協議、控制算法的正確性。且運行良好。
分布式控制系統與傳統的控制系統相比,其控制結構簡單、有較強的伸縮性和可重構性等優點。而且具有很強的運算能力,為控制算法的優化和控制性能的提高留有很大的上升空間。本文所設計的高壓變頻分布控制系統適合應用于電力、油田、造紙等行業中的高壓電機的控制。
參考文獻
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