机车空调逆变电源把握体系及其实现

http://www.intl-sensor.com 时间:2010/9/19 15:58:36 点击2234次

引言：

　　跟着电力电子学科的开展，逆变器把握技术与工业现场总线使用范围越来越广，本体系成功使用这两项技术，设计了机车空调电源用逆变器把握体系。原有空调电源逆变器把握体系的缺点是：不能根据设定温度把握空调机组变频运行，体积大，各逆变器调和把握难题。本文设计了一种机车空调机组用多逆变器把握体系，与原有空调电源逆变器把握体系比拟，有体积小、分量轻、数据交流便当、运行可靠、利于维修等长处。

　　1 体系工作原理：

　　由图1可知，上位微机把握电路是该体系的核心把握局部，通过CAN总线将把握指令传给逆变器把握电路，逆变器把握电路根据把握指令发生不同频次的SPWM信号把握逆变器工作；逆变器把握电路将各逆变器实际工作形态、故障信号等通过CAN总线上报给上位微机把握电路。

图1 逆变器把握体系结构图

　　2 逆变器把握电路及把握计划

　　2.1 逆变器把握电路

　　逆变器把握芯片选用凌阳科技公司2005年推出的新一代16位单片机SPMC75F2413A。其外部集成了能驱动电机的PWM发生发火器、多功能捕获比照模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等硬件模块，以及多功能I/O口、同步和异步串行口、ADC、定时计数器等功能模块，应用这些硬件模块支持，SPMC75能够实现诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱动器、多环伺服驱动体系等繁杂使用。SPMC75F2413A集成了两个电机把握PWM输出定时器—MCP（Motor Control PWM）定时器：MCP3、MCP4。每一个MCP定时器都能够独立输出三相六路的PWM波形，非常合适于把握交流感应电机、无刷直流电机等各种电机。选用此款单片机可极大缩小把握电路体积，从而减小整个空调电源的体积，添加体系的集成性和可靠性。本体系选用定时器MCP4输出SPWM信号。

　　2.2 SPWM脉宽调制信号的发生

　　施行SPWM脉宽调制时，在一个调制信号（正弦波）周期内所包孕的三角载波的个数称为载波频次比N（亦即载波比）。在变频历程中，即调制信号周期变动历程中，每个调制信号周期内载波个数不变的调制称为同步伐制，载波个数相应变动的调制称为异步伐制。同步伐制在输出频次很低时，因为相邻两脉冲间的间距增大，谐波会分明添加，使负载电机发生较大的脉动转矩和较强的噪声，发烧量添加；另外，这种调制因为载波周期随调制波周期延续变动而变动，在应用微处置机进行数字化技术把握时，带来极大不便，难以实现。为此，本逆变器驳回异步伐制原理，防止了上述景象的发生发火。

　　在实际工程中，为便当单片机把握，驳回查表法生成SPWM脉宽调制信号。使用工程软件Matlab编程算计所需正弦表，将一个周期正弦波分成4096个数据，事后取出单片机存储区中。由MCP4定时器发生周期溢出中缀，并在该中缀的中缀服务程序中读取正弦表中的一个数据点，每次查表后正弦表指针加1，满周期后轮回查询，一个MCP4定时器周期等于一个SPWM载波周期。根据冲量等效原理(大小、波形不同的窄脉冲变量作用于惯性体系时，只需它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用功效基真相同)可知，载波频次越高，逆变器输出SPWM波谐波含量越小，越接近正弦波。然而载波频次受开关器件（IPM）自身开关才能的限度，开关频次越高，器件发烧量越大。综合考虑器件开关损耗和输出波形品质的请求，通过设置定时器周期存放器（P_TMR4_TPR）肯定一个载波周期为6000集体系周期，若体系时钟频次为24M，则载波周期为4K。单片机定时查询CAN总线传来的频次给定信号，算计出查正弦表时所用的步进值（查表时所用的步进值越大，输出SPWM波形频次越高）。查表所得值被载入比照婚配存放器（P_TMR4_TGRA、P_TMR4_TGRB、P_TMR4_TGRC），与定时器计数存放器值比照输出不同脉宽的调制波，详细原理如图2所示，当定时器计数存放器计数值（P_TMR0_TCNT）与比照婚配存放器（P_TMR0_TGRA）值相等时输出信号发生电平翻转。查表时A、B、C三相通过引入数据表地址指针偏移量实现三相互差波形输出。

图2 脉宽比照输出原理图

　　通过定时查询CAN总线传来的工作模式给定信号，逆变器可输出不同频次的SPWM波，准确把握空调机组工作模式。逆变器输出波形如图3、图4所示。

图3 未滤波逆变器输出波形

图4 滤波后逆变器输出波形

　　3 通信体系把握计划

　　为了顺应机车上繁杂的电磁环境，满意逆变器把握体系通信的请求，本体系中使用工业现场总线（CAN总线）进行把握信号、反馈信号的传输。

　　CAN总线个性：

　　◆ CAN驳回多主方法工作模式，网络就职一节点均可在恣意时辰自动地向网络上其余节点发送信息，而不分主从。

　　◆ CAN驳回非损坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现抵触时，优先级较低的节点会自动地退启程送，而最高优先级的节点可不受影响地继承传输数据，从而大大俭省了总线抵触仲裁时间。

　　◆ CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局播送等几种方法传递接纳数据。

　　◆ CAN的间接通信间隔最远可达10km；通信速率最高可达1Mbps。

　　◆ CAN的每帧信息都有CRC校验及其余检错办法，具备极好的检错功效。

　　◆ CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，挑选灵便。

　　◆ CAN节点在过失严重的情形下具备自动封闭输出功能，以使总线上其余节点的操作不受影响。

　　3.1 通信体系硬件电路设计

　　由图5可知，上位微机CAN总线节点硬件电路次要分为四个局部：单片机C8051F020、独立CAN通信把握器SJA1000、CAN总线驱动器82C250和高速光耦6N137。单片机C8051F020负责SJA1000的初始化，通过把握SJA1000实现数据的接纳和发送等通置信务。

图5 通信体系硬件电路框图

　　为了增强CAN总线节点的抗干扰才能，SJA1000的TX0和RX0并不是间接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。82C250与CAN总线的接口局部也驳回了必然的平安和抗干扰办法。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，电阻可起到必然的限流作用，掩护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个小电容，能够起到滤除总线上的高频干扰和必然的防电磁辐射的才能。

　　逆变器CAN总线节点硬件电路与上位微机CAN总线节点硬件电路结构基真相同，只需CAN通信把握器选用MCP2515代替了SJA1000，逆变器把握芯片SPMC75F2413A通过SPI接口与该器件衔接。使用标准的SPI读/写指令以及特地的SPI命令来读/写所有的存放器。通过SPI接口设置存放器中的相应位或使用发送使能引脚均可启动发送操作。通过读取相应的存放器能够检查通信形态和过失。器件上有一个多用处中缀引脚及各接纳缓冲器的专用中缀引脚，用于唆使无效报文是否被接纳并载入接纳缓冲器。器件还有三个引脚，用来启动将装载在三个发送缓冲器之一中的报文当即发送进来。

　　3.2 通信体系软件设计

　　通过软件设计，实现体系的通信功能。CAN节点初始化时，通过调用CAN初始化程序，实现对工作模式存放器、波特率存放器、验收屏蔽存放器、验收滤波存放器等的设置；当节点上的CAN把握器接纳到数据帧、发生中缀信号时，单片机通过调用数据接纳子程序，从CAN把握器的接纳数据缓冲区中读出相干的数据并释放接纳数据缓冲区；当CAN节点需要发送数据帧时，通过调用数据发送子程序，将要发送的数据写入相应CAN把握器的数据发送缓冲区，并设置发送请求以启动数据帧的发送；将掩护信号和相干设定信号使用不同的数据帧加以传递，假如逆变器数据帧的发送间隔超过了体系中的设定值时，便由上位微机通过发送远程帧查询相干的故障请求。

　　在制订相干数据帧的标识符时（体系中驳回11位标准标识符）划定：标识符的前四位标识发出数据帧的单元地址；标识符的后4位标识要接纳数据帧的节点地址。遵照上面的法子，划定上位微机的CAN节点地址标识为4，逆变器1、2、3的节点地址标识别离为1、2、3，可获得图6中的各相干数据帧的标识符。

图6 体系CAN数据流程图

　　CAN把握器初始化程序中，在设置CAN把握器的验收屏蔽存放器时，将标准标识符的高7位（ID10-ID4）设置为验收滤波的有关位。这样，CAN把握器在接纳相干的数据帧时，对数据帧的发送节点的标识地址是不进行验收滤波的，而仅仅对于数据帧接纳节点的标识符进行判断。当接纳到的数据帧的标识符显示本节点的标识地址时，便可进行接纳，数据帧接纳后再对发送节点的标记地址进行验收，判断数据帧的根源；否则不接纳数据帧。采用这样的验收存放器设置，能够非常灵便地实现前述的通信协议，并在最大程度上加重相干CAN节点在软件设计上的繁杂性，简化程序，进步工作可靠性。

　　4 结语

　　上述设计计划和实验后果表明，以C8051F020和SPMC75F2413A为把握核心，以IPM集成模块为主开关器件的空调电源逆变器把握体系设计计划是可行的。该逆变器把握体系把握便当、运行可靠，能够满意机车车载空调电源的请求。清晰、优化的软件流程设计，使得该把握体系功能更弱小、人性化。SPMC75F2413A的成功使用，使得该把握体系具备结构简单、机能优化、动态呼应速度快和可靠性高等长处。

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