一種新型的高壓變頻分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計

近年來,出于節(jié)約能源的迫切需要和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求,大容量電動機的高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應用,在國內(nèi),基本覆蓋了電力、冶金、石油、化工、造紙等主要行業(yè)。因此國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S,主要的問題是利用耐壓有限的功率開關(guān)器件實現(xiàn)高壓變頻調(diào)速,解決的辦法是把低壓的開關(guān)器件以一定的拓撲結(jié)構(gòu)連接,用低電壓串聯(lián)形成高電壓。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用集中式控制,系統(tǒng)安裝調(diào)試比較復雜,功能相對局限且不易擴展,很難實現(xiàn)控制的智能化。而分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,數(shù)據(jù)處理方式靈活,有很強的擴展性,其模塊化的結(jié)構(gòu)具有很強的容錯性,因此是高壓變頻系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制的發(fā)展趨勢。

　　針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)計的高壓變頻器要求產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍之內(nèi),系統(tǒng)使用低壓功率器件,采用電壓串聯(lián)疊加的方法實現(xiàn)高壓^[1],其高壓變頻系統(tǒng)實現(xiàn)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(qū)動系統(tǒng)組成。控制單元采用PWM控制方式調(diào)節(jié)驅(qū)動單元的輸出電壓使之在0～540V之間變化。24個單元分成三相,每相由8個單元串聯(lián)連接,產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍。三組功率單元星形聯(lián)相形成分布式控制的拓撲結(jié)構(gòu),以低壓的功率器件實現(xiàn)高壓輸出。每組疊加出用于電機驅(qū)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(qū)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u_ao和u_bo是脈寬可調(diào)的方波,而兩橋臂中點a和b之間的電壓u_ab是u_ao和u_bo方波電壓的疊加,即u_ab＝u_ao-u_bo。假定u_ao和u_bo之間的相位角之差為180°+Φ,則調(diào)節(jié)Φ角即可調(diào)節(jié)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(fā)生變化。這樣,既改善了輸出電壓的波形,也達到了調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

2 分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　本文設(shè)計的高壓變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。分布式系統(tǒng)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(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行。以分布式控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式的控制系統(tǒng),解決了集中式控制方式在數(shù)據(jù)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(tǒng)功能,實現(xiàn)了高壓變頻器的遠程智能化監(jiān)視和控制,改進了系統(tǒng)的性能,同時也更加符合工業(yè)現(xiàn)場的應用;由于CAN總線的通信采用光纖作為介質(zhì),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(tǒng)的組裝;由于分布單元結(jié)構(gòu)相同,可采用硬件ID軟件識別的方法使系統(tǒng)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(tǒng)為核心的中央控制單元主要包括:I/O模塊、A/D數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖4所示。采用分布式系統(tǒng)的功能劃分,并且利用ARM的32位的運算能力設(shè)計的中央控制單元所要執(zhí)行的任務包括:高壓變頻系統(tǒng)電源控制、人機交互操作、GPRS遠程通信實現(xiàn)變頻器的異地監(jiān)護和遠程參數(shù)設(shè)定以及遠程運行控制等、電機的調(diào)速以及調(diào)速系統(tǒng)的運行狀態(tài)控制。其中,電機的調(diào)速控制是系統(tǒng)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(xiàn)調(diào)速控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過中央單元的實時校正和總線協(xié)議的可靠性保證系統(tǒng)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(guān)于變頻調(diào)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(xiàn)電壓疊加和電機控制。任務分配的實現(xiàn)是以穩(wěn)定高效的總線協(xié)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(shè)計的分布式控制單元,充分利用芯片豐富的外設(shè)模塊。CAN總線模塊實現(xiàn)和中央控制單元的通信,接收并反饋控制信息;A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字輸入輸出口的配合使用,實現(xiàn)橋臂電壓和模塊過流等保護信號的監(jiān)測和處理;事件模塊是分布單元控制的核心,根據(jù)中央控制單元發(fā)送的電壓頻率、實時同步信息、誤差校正信息,以PWM電壓串聯(lián)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(lián)疊加波形如圖5所示。通過調(diào)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(tǒng)實現(xiàn)無諧波的控制。

2.3 總線協(xié)議設(shè)計

　　系統(tǒng)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(tǒng)的樞紐。由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較復雜,存在強電磁干擾,因此,本系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)通信的穩(wěn)定可靠。

　　為了滿足分布系統(tǒng)的強實時性要求,本文設(shè)計了優(yōu)先級動態(tài)分配機制和分時發(fā)送機制。CAN總線各節(jié)點的優(yōu)先級是由其標志符決定的,標志符的數(shù)值越小優(yōu)先級越高。利用CAN總線的這一特點,設(shè)計了優(yōu)先級動態(tài)分配機制,標志符的高5位作為優(yōu)先級分配位,在數(shù)據(jù)傳輸時已經(jīng)屏蔽不作為接收標志;低6位作為接收標志位,根據(jù)單元ID設(shè)定。動態(tài)優(yōu)先級的分配方法:系統(tǒng)啟動后所有節(jié)點優(yōu)先級設(shè)為中間值11100,CAN總線發(fā)送后開始動態(tài)分配。當本單元發(fā)送數(shù)據(jù)成功時,則降低本單元的優(yōu)先級;當本單元發(fā)送數(shù)據(jù)被總線仲裁為等待時,則提升本單元的優(yōu)先級繼續(xù)發(fā)送。雖然優(yōu)先級的動態(tài)分配解決了各單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠降刃詥栴},但系統(tǒng)節(jié)點較多,使用CAN本身的仲裁機制仍會有較長時間的發(fā)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(nèi)沿時間軸展開數(shù)據(jù)傳輸,這樣就減少了節(jié)點之間的總線沖突,提高了通信穩(wěn)定性。

　　CAN傳輸?shù)?字節(jié)數(shù)據(jù)域制定的協(xié)議格式如表1所示。表中,指令碼標志本指令的內(nèi)容,源地址發(fā)送單元的標志符,長度標志有效數(shù)據(jù),接收單元根據(jù)長度處理數(shù)據(jù)。指令分為網(wǎng)絡控制、運行狀態(tài)設(shè)置、同步監(jiān)測和校準、報警監(jiān)測、故障處理等幾個類別。CAN總線優(yōu)化的控制機制和應用層協(xié)議以穩(wěn)定的總線網(wǎng)絡傳送控制信息,通信的穩(wěn)定性和實時性得到了實驗驗證。

3 實驗驗證

　　高壓變頻系統(tǒng)因為其應用環(huán)境的特殊性,不能在現(xiàn)場直接進行穩(wěn)定性和可靠性的實驗。本文根據(jù)高壓變頻系統(tǒng)控制的原理,模擬現(xiàn)場情況設(shè)計了測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)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(tǒng)拖動380V/120W的三相交流電機,從控制準確性、穩(wěn)定性和可靠性各方面對系統(tǒng)進行驗證。

　　為了采集單元疊加波形,在測試系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)在實驗環(huán)境下長時間(測試時間為一周)運行,變頻調(diào)速等各項功能穩(wěn)定正常。本文設(shè)計的系統(tǒng)和高壓驅(qū)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(tǒng)工業(yè)運行情況,測試實驗證明了本文所設(shè)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(shè)計了穩(wěn)定的高壓變頻分布式控制系統(tǒng)測試平臺。該平臺實現(xiàn)了以電壓串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)完成電機的控制運行,系統(tǒng)在模擬的試驗環(huán)境下經(jīng)過測試,驗證了系統(tǒng)的分布式策略以及通信協(xié)議、控制算法的正確性。且運行良好。

　　分布式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比,其控制結(jié)構(gòu)簡單、有較強的伸縮性和可重構(gòu)性等優(yōu)點。而且具有很強的運算能力,為控制算法的優(yōu)化和控制性能的提高留有很大的上升空間。本文所設(shè)計的高壓變頻分布控制系統(tǒng)適合應用于電力、油田、造紙等行業(yè)中的高壓電機的控制。