机车空调逆变电源控制系统及其实现

引言

随着电力电子学科的发展，逆变器控制技术与工业现场总线应用范围越来越广，本系统成功应用这两项技术，设计了机车空调电源用逆变器控制系统。原有空调电源逆变器控制系统的缺点是：不能根据设定温度控制空调机组变频运行，体积大，各逆变器协调控制困难。本文设计了一种机车空调机组用多逆变器控制系统，与原有空调电源逆变器控制系统相比，有体积小、重量轻、数据交换方便、运行可靠、利于维修等优点。

1 系统工作原理

由图1可知，上位微机控制电路是该系统的核心控制部分，通过CAN总线将控制指令传给逆变器控制电路，逆变器控制电路根据控制指令产生不同频率的SPWM信号控制逆变器工作；逆变器控制电路将各逆变器实际工作状态、故障信号等通过CAN总线上报给上位微机控制电路。

图1 逆变器控制系统结构图 2 逆变器控制电路及控制方案 2.1 逆变器控制电路 逆变器控制芯片选用凌阳科技公司2005年推出的新一代16位单片机SPMC75F2413A。其内部集成了能驱动电机的PWM发生器、多功能捕获比较模块、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，利用这些硬件模块支持，SPMC75可以实现诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱动器、多环伺服驱动系统等复杂应用。SPMC75F2413A集成了两个电机控制PWM输出定时器-MCP（Motor Control PWM）定时器：MCP3、MCP4。每一个MCP定时器都可以独立输出三相六路的PWM波形，非常适合于控制交流感应电机、无刷直流电机等各种电机。选用此款单片机可极大缩小控制电路体积，从而减小整个空调电源的体积，增加系统的集成性和可靠性。本系统选用定时器MCP4输出SPWM信号。 2.2 SPWM脉宽调制信号的产生 实行SPWM脉宽调制时，在一个调制信号（正弦波）周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比N（亦即载波比）。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，每个调制信号周期内载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数相应变化的调制称为异步调制。同步调制在输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，发热量增加；另外，这种调制由于载波周期随调制波周期连续变化而变化，在利用微处理机进行数字化技术控制时，带来极大不便，难以实现。为此，本逆变器采用异步调制原理，避免了上述现象的发生。 在实际工程中，为方便单片机控制，采用查表法生成SPWM脉宽调制信号。应用工程软件Matlab编程计算所需正弦表，将一个周期正弦波分成4096个数据，预先存入单片机存储区中。由MCP4定时器产生周期溢出中断，并在该中断的中断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，满周期后循环查询，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系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同)可知，载波频率越高，逆变器输出SPWM波谐波含量越小，越接近正弦波。但是载波频率受开关器件（IPM）本身开关能力的限制，开关频率越高，器件发热量越大。综合考虑器件开关损耗和输出波形质量的要求，通过设置定时器周期寄存器（P_TMR4_TPR）确定一个载波周期为6000个系统周期，若系统时钟频率为24M，则载波周期为4K。单片机定时查询CAN总线传来的频率给定信号，计算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波形频率越高）。查表所得值被载入比较匹配寄存器（P_TMR4_TGRA、P_TMR4_TGRB、P_TMR4_TGRC），与定时器计数寄存器值比较输出不同脉宽的调制波，具体原理如图2所示，当定时器计数寄存器计数值（P_TMR0_TCNT）与比较匹配寄存器（P_TMR0_TGRA）值相等时输出信号产生电平 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 脉宽比较输出原理图 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率的SPWM波，准确控制空调机组工作模式。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 通讯系统控制方案 为了适应机车上复杂的电磁环境，满足逆变器控制系统通讯的要求，本系统中使用工业现场总线（CAN总线）进行控制信号、反馈信号的传输。 CAN总线特点： ◆ CAN采用多主方式工作模式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。 ◆ CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 ◆ CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。 ◆ CAN的直接通信距离最远可达10km；通信速率最高可达1Mbps。 ◆ CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 ◆ CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ◆ CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。 3.1 通讯系统硬件电路设计 由图5可知，上位微机CAN总线节点硬件电路主要分为四个部分：单片机C8051F020、独立CAN通讯控制器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，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。