一种新型的高压变频分布式控制系统的设计

    近年来,出于节约能源的迫切需要和产品质量不断提高的要求,大容量电动机的高压变频调速技术得到了广泛的应用,在国内,基本覆盖了电力、冶金、石油、化工、造纸等主要行业。因此国内变频调速系统的研究非常活跃,主要的问题是利用耐压有限的功率开关器件实现高压变频调速,解决的办法是把低压的开关器件以一定的拓扑结构连接,用低电压串联形成高电压。传统的控制系统采用集中式控制,系统安装调试比较复杂,功能相对局限且不易扩展,很难实现控制的智能化。而分布式控制系统结构简单,数据处理方式灵活,有很强的扩展性,其模块化的结构具有很强的容错性,因此是高压变频系统实现智能控制的发展趋势。

　　针对传统控制系统过于复杂的缺点,本文提出一种高压变频的分布式控制策略,系统采用“中央控制单元-总线-分布控制单元”的分布式控制。

1 分布式控制的原理

　　设计的高压变频器要求产生的相电压的变化在0～4 320V范围之内,系统使用低压功率器件,采用电压串联叠加的方法实现高压[1],其高压变频系统实现原理如图1所示。图中,24个分布的单元,每个单元均由相同的控制和驱动系统组成。控制单元采用PWM控制方式调节驱动单元的输出电压使之在0～540V之间变化。24个单元分成三相,每相由8个单元串联连接,产生的相电压的变化在0～4 320V范围。三组功率单元星形联相形成分布式控制的拓扑结构,以低压的功率器件实现高压输出。每组叠加出用于电机驱动的一相电压波形,相电压之间的相位差为120°。这样,线电压可以控制在0～7500V,以适应高压电机的控制要求。

　  分布单元驱动电路如图2所示,由三相桥式整流电路和方波逆变器组成。两个方波逆变器的输出电压uao和ubo是脉宽可调的方波,而两桥臂中点a和b之间的电压uab是uao和ubo方波电压的叠加,即uab＝uao-ubo。假定uao和ubo之间的相位角之差为180°+Φ,则调节Φ角即可调节输出电压的脉宽,因而使输出电压的基波分量和谐波分量的幅值也发生变化。这样,既改善了输出电压的波形,也达到了调节输出电压的目的。

2 分布式控制系统的设计

　　本文设计的高压变频控制系统结构如图3所示。分布式系统由中央控制单元、CAN总线光纤通信部分和分布单元控制器三部分组成。中央控制单元以CAN总线和分布单元控制器建立通信,建立任务分工,协调控制系统的运行。以分布式控制系统代替传统的集中式的控制系统,解决了集中式控制方式在数据就地采集、处理和独立控制等方面的问题,减少了中央处理单元的负担,而且扩展了系统功能,实现了高压变频器的远程智能化监视和控制,改进了系统的性能,同时也更加符合工业现场的应用;由于CAN总线的通信采用光纤作为介质,中央控制单元及分布式单元通过两根光纤和HUB连接即可完成系统的组装;由于分布单元结构相同,可采用硬件ID软件识别的方法使系统的可替换性和伸缩性增强。

2.1中央控制单元

　　基于ARM的嵌入式控制系统为核心的中央控制单元主要包括:I/O模块、A/D数据采集模块、液晶显示模块、GPRS远程通信模块、CAN总线通信模块等外围的功能模块,其结构如图4所示。采用分布式系统的功能划分,并且利用ARM的32位的运算能力设计的中央控制单元所要执行的任务包括:高压变频系统电源控制、人机交互操作、GPRS远程通信实现变频器的异地监护和远程参数设定以及远程运行控制等、电机的调速以及调速系统的运行状态控制。其中,电机的调速控制是系统的核心,保持分布式单元的实时同步、变频控制算法实时运算工作的合理分配是实现调速控制的关键环节。本文通过中央单元的实时校正和总线协议的可靠性保证系统分布单元的同步性,运算任务分配的原则是中央控制单元处理人机交互信息中关于变频调速的整体信息,并将此信息传送给各分布式单元,由各个单元完成PWM算法实现电压叠加和电机控制。任务分配的实现是以稳定高效的总线协议为前提的。

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。

参数指令码源地址长度数据位长度（字节）1114备注低位  高位

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。