CAN總線通信在組合式三相光伏逆變器中的應用

張雪松， 胡天友， 劉 倩， 王 海

(電子科技大學機械電子工程學院，四川成都611731)

0 引言

三相光伏逆變器一般有兩種實現(xiàn)方式，一種是光伏陣列經(jīng)直流升壓后接三相全橋或半橋;另一種稱為組合式三相逆變器，是將三臺單相光伏逆變器進行Y/△連接。相比第一種方式，第二種方式成本較高，但是不需要承受較高的直流母線電壓，抗不對稱三相負載能力更強，具有廣泛的研究前景［1-2］。

本設計的項目背景是某一基于第二種方式研制的組合式三相光伏逆變系統(tǒng)。系統(tǒng)結構圖如圖1所示，光伏陣列經(jīng)直流變換后分別與3個單相逆變橋相連，三者采用三相四線制連接形成A、B、C三相電壓?？紤]到三相的功率平衡，該系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制(MPPT)是放在靠近輸出端的逆變環(huán)節(jié)中進行的。該系統(tǒng)共由4個DSP芯片控制:DSP_DC控制3個DC-DC環(huán)節(jié)的升壓，同時通過數(shù)據(jù)采集模塊和AD轉(zhuǎn)換器對其中某一DC-DC環(huán)節(jié)的輸出電壓和電流進行實時采集作為后級MPPT控制的輸入?yún)?shù);DSP_A、DSP_B、DSP_C分別控制A、B、C三相的逆變橋。正弦參考信號的相位由電網(wǎng)采樣提供，而幅值則根據(jù)當前光伏陣列的最大輸出功率進行動態(tài)調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)MPPT控制，控制逆變橋的3個DSP需要從控制DC-DC環(huán)節(jié)的DSP中快速獲取直流側(cè)的實時輸出電壓、電流和功率數(shù)據(jù)。4個DSP之間需要進行高速可靠的通信。為了便于觀測，還需要將數(shù)據(jù)傳送給PC機進行監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)選用的 DSP芯片是 TI公司的TMS320LF2407A。TMS320LF2407A之間的通信一般有SCI串行通信、SPI串行通信和CAN總線通信三種方式。前兩種方式主要存在的問題是SCI數(shù)據(jù)長度只有8位，SPI會接收到偽數(shù)據(jù)［3］。第三種方式，其CAN總線通信使用普通的雙絞線就可以進行數(shù)據(jù)傳輸，理論上允許掛接多達110個節(jié)點，組網(wǎng)靈活方便，傳輸距離最遠可達10 km，最高傳輸速率可達1Mb/s，允許多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，通信錯誤率極低［4］，并且便于使用PC機進行監(jiān)控。CAN總線通信廣泛應用于汽車驅(qū)動系統(tǒng)［5］、逆變器并聯(lián)運行［6］等需要多機通信的工程中。本設計也采用CAN總線進行通信。

1 TMSLF2407A的內(nèi)嵌CAN模塊

TMS320LF2407A本身已經(jīng)內(nèi)嵌了一個16 bit的CAN模塊，支持 CAN2.0B協(xié)議。郵箱方式是TMS320LF2407A內(nèi)嵌CAN模塊的一大特點。它將芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)空間7200-7230的48×16位RAM分成6個郵箱，每個郵箱可以存儲8 Byte數(shù)據(jù)。郵箱0、1用于接收，4、5用于發(fā)送，2、3可以根據(jù)用戶需要定義為接收或者發(fā)送郵箱。每個郵箱都有獨立的標識符和控制域［4］。

2 硬件設計

2.1 PC機與CAN總線接口設計

整個系統(tǒng)的通信原理圖如圖2所示。PC機的串口是標準的RS-232接口，數(shù)據(jù)信息是以字節(jié)為單位傳送。而CAN總線信號是以幀為單位進行傳送，一幀可能包含多個字節(jié)數(shù)據(jù)，因此PC機與CAN總線之間必須通過CAN卡連接［7］。目前應用比較廣泛的CAN卡包括 PCI-CAN卡、CAN232接口卡和 USB-CAN卡等［8］。本設計選用的是武漢若比特公司生產(chǎn)的USBCAN V3通信模塊，該模塊附帶電氣隔離和PC機CAN通信調(diào)試軟件，滿足設計要求。

圖2 系統(tǒng)通信原理圖

2.2 DSP與CAN總線接口設計

由于TMS320LF2407A已經(jīng)內(nèi)嵌了CAN模塊，因此，只需要一個CAN收發(fā)器就可以與其它CAN節(jié)點進行通信。在本設計中，CAN收發(fā)器選用PCA82C250［9］。 為 CANTX、 CANRX 端 口 與PCA82C250之間通過兩個高速光耦6N137進行隔離［10-11］。6N137 的傳輸速率可達 10 Mb/s，完全滿足CAN總線的傳輸速率要求，并且可以大大提高系統(tǒng)信噪比［12］。由于CAN總線驅(qū)動為電流型，總線間必須有終端電阻，一般取120Ω，為防止波形反射，終端電阻應并聯(lián)在CAN收發(fā)器的CAN_H與CAN_L兩端之間［13］。綜上，硬件原理圖如圖3所示。

3 軟件設計

CAN通信模型的三層結構為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。在CAN2.0B協(xié)議中只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。因此系統(tǒng)軟件設計主要集中在應用層上，包括CAN通信協(xié)議設計、CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送接收程序以及主程序設計［14］。

3.1 CAN通信協(xié)議設計

CAN2.0B協(xié)議下，CAN總線具有標準幀和擴展幀兩種不同的幀格式。標準幀的標識符為11 bit，擴展幀的標識符為29 bit。值得注意的是，標識符的高7 bit不能全為1。當CAN節(jié)點發(fā)送產(chǎn)生競爭時，按照位仲裁的方式確定優(yōu)先級。如果標準幀和擴展幀出現(xiàn)沖突，標準幀優(yōu)先于擴展幀。為了保證傳輸效率，本設計采用標準幀進行傳輸，4個DSP內(nèi)嵌CAN模塊的標識符設置如表1所示。

圖3 DSP與CAN總線接口硬件原理圖

表1 標識符設置

3.2 CAN 控制器的初始化［4］

CAN控制器在使用前必須進行初始化。首先要把復用I/O口IOPC6/CANTX和IOPC7/CANRX配置成CAN通信發(fā)送引腳和接收引腳。其次是對位定時器和郵箱的配置。位定時器主要由BCR1和BCR2兩個寄存器組成。BCR2寄存器定義了CAN控制器的波特率欲定標值BRP及系統(tǒng)時鐘單位的時間量TQ，

式中，CLKOUT為系統(tǒng)時鐘頻率，本設計取40 MHz。

BCR1寄存器決定了CAN控制器的重同步方式、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)、時間段1(TSEG1)和時間段2(TSEG2)，并與BRP值共同決定CAN通信波特率B的大小，

式中N=(TSEG1+1)+(TSEG2+1)+1，表示1位信息所占用的TQ數(shù)。綜上，本設計定義:

*CANBCR2=0x0013;

*CANBCR1=0x0061。

將CAN控制器配置為下降沿重同步，同步跳轉(zhuǎn)寬度配置為0，采樣次數(shù)配置為1。CAN通信波特率在以上設置下為125 kb/s。在同一CAN總線進行通信的節(jié)點必須保證波特率和位長度都相同［15］。因此本設計中所有CAN節(jié)點的位定時器配置都是相同的。具體配置可按圖4所示的流程圖進行。

圖4 初始化位定時器

圖5 初始化郵箱

圖5 是郵箱的初始化流程圖。主要包括郵箱標識符的設置、中斷優(yōu)先級、控制、工作模式以及數(shù)據(jù)長度的選擇。在配置郵箱前必須先禁止郵箱并置數(shù)據(jù)域改變請求位CDR為1，配置完成后對CDR位清零并使能郵箱進入正常工作模式。郵箱的配置則需要根據(jù)設計需要進行。

3.3 發(fā)送郵箱和接收郵箱的配置

由于TMSLF2407A中AD轉(zhuǎn)換器為10 bit。電壓、電流、功率各需要占用2 Byte的存儲空間。因此，定義所有郵箱的數(shù)據(jù)長度為6 Byte。設置DSP_DC的郵箱4作為發(fā)送郵箱。DSP_A、DSP_B、DSP_C的郵箱0為接收郵箱，并設置其AME位為0，進行嚴格的標識符匹配，此時本地接收屏蔽寄存器將失效。將郵箱4作為發(fā)送郵箱。在DSP_A、DSP_B、DSP_C中，禁止郵箱發(fā)送中斷，打開郵箱接收中斷，中斷優(yōu)先級設置為低優(yōu)先級。圖6和圖7分別是郵箱發(fā)送程序和接收程序的算法流程圖。

圖6 發(fā)送流程圖

圖7 接收流程圖

3.3 主程序設計

主程序的流程圖如圖8和圖9所示。本設計根據(jù)MPPT的采樣周期每隔一段時間由DSP_DC主動向DSP_A、DSP_B、DSP_C各發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，包含數(shù)據(jù)采集模塊采集到的實時直流電壓、電流和功率。在DSP_DC中，使能定時器1周期中斷，定時周期為1ms，發(fā)生周期中斷時，進入中斷服務子程序使能郵箱4發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。在DSP_A、DSP_B、DSP_C中，首先設置標志位FLAG用于啟動郵箱4發(fā)送數(shù)據(jù)。當郵箱0接收到一幀數(shù)據(jù)時，將標志位FLAG置1。同時，主程序不斷查詢FLAG的值，當FLAG=1時，郵箱4讀取郵箱0接收到的數(shù)據(jù)并向PC機發(fā)送，發(fā)送完畢后將FLAG置0。

圖8 DSP_DC主程序流程圖

圖9 DSP_A、B、C 主程序流程圖

4 實驗結果與結論

在PC機調(diào)試軟件中，設置串口波特率設置為9.8 kb/s，CAN總線傳輸速率為125 kb/s。調(diào)試軟件以16進制的方式顯示接收到的報文標識符。DATA0～1中存儲的是AD轉(zhuǎn)換器采集到的直流側(cè)電壓信號數(shù)據(jù)，DATA2～3中是電流信號數(shù)據(jù)，DATA4～5中是功率信號數(shù)據(jù)。DATA6～7未使用，調(diào)試軟件默認以0代替。實驗結果如圖10所示，從實驗結果可以看出，DSP_DC發(fā)送的數(shù)據(jù)能迅速并且準確無誤地被其余3個DSP接收。本設計能高速可靠地將直流側(cè)的電壓、電流和功率信號數(shù)據(jù)傳送給逆變環(huán)節(jié)進行MPPT控制，從而對輸出功率進行動態(tài)調(diào)節(jié)，有利于提高控制精度，并且便于通過PC機實時快捷地監(jiān)控信號傳輸?shù)臓顩r。

圖10 通信數(shù)據(jù)

［1］ 趙劍飛，姜建國.基于3臺單相逆變器的三相并網(wǎng)系統(tǒng)［J］.電力自動化設備，2009，29(10):59-63.

［2］ 王建華，劉 磊，張方華，等.組合式三相逆變器鎖相控制策略［J］.電工技術學報，2010，25(8):79-84.

［3］ 鄧紅德，王博棟，吳佳楠.基于CAN總線的雙DSP通信方案設計與實現(xiàn)［J］.測控技術，2011，30(6):83-88.

［4］ 劉和平.TMS320LF240X DSPC語言開發(fā)應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［5］ 趙 峰，夏超英，陳 驥.2407的CAN控制器在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的應用［J］.電氣自動化，2004，26(1):35-37.

［6］ 秦娟英，陜周榮.CAN總線在基于DSP的逆變器并聯(lián)運行控制中的應用［J］.通信電源技術，2004，21(2):30-32.

［7］ 岳秀梅，馬學軍，康 勇.基于CAN總線的大功率逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.電測與儀表，2008，45(514):37-40.

［8］ 饒運濤，鄒繼軍，王進宏，等.現(xiàn)場總線 CAN原理與應用技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［9］ 吳永鳳，王紅蕾，王俊波.CAN總線接口芯片PCA82C250及其應用［J］.貴州工業(yè)大學學報(自然科學版)，2005，34(3):76-79.

［10］ 李 璐，張宏川，張愛玲.基于DSP的CAN總線通信的設計與實現(xiàn)［J］.電氣技術，2011，5:13-16.

［11］ 彭顯剛，暨綿浩，曾岳南，等.基于TMS320LF2407和CAN總線的通信應用設計［J］.汕頭大學學報(自然科學版):2006，21(1)，76-80.

［12］ 邵 暉，舒 嶸.光電隔離器6N137的特性和應用［J］.電子技術，1996(2):38-39.

［13］ 于 磊.基于DSP和CAN總線的分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.南京:南京航空航天大學，2006.

［14］ 葉琴瑜，胡天友，何 耀.基于CAN總線的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)［J］.儀表技術與傳感器，2012(3):76-81.

［15］ 王茂飛，程 昱.TMS320C2000 DSP技術與應用開發(fā)［M］.北京:清華大學出版社，2007.