1 分布式控制的原理
　　設計的高壓變頻器要求產生的相電壓的變化在0～4 320V范圍之內,系統(tǒng)使用低壓功率器件,采用電壓串聯疊加的方法實現高壓^[1],其高壓變頻系統(tǒng)實現原理如圖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動系統(tǒng)組成,?？刂茊卧捎肞WM控制方式調節(jié)驅動單元的輸出電壓" title="輸出電壓">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個單元串聯連接,產生的相電壓的變化在0～4 320V范圍,。三組功率單元星形聯相形成分布式控制的拓撲結構,以低壓的功率器件實現高壓輸出,。每組疊加出用于電機驅動的一相電壓波形,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,則調節(jié)Φ角即可調節(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,也達到了調節(jié)輸出電壓的目的,。

2 分布式控制系統(tǒng)的設計
　　本文設計的高壓變頻控制系統(tǒng)結構如圖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據就地采集、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)現場的應用;由于CAN總線的通信采用光纖作為介質,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;由于分布單元結構相同,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數據采集模塊、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,其結構如圖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遠程通信實現變頻器的異地監(jiān)護和遠程參數設定以及遠程運行控制等、電機的調速以及調速系統(tǒng)的運行狀態(tài)控制,。其中,電機的調速控制是系統(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調速控制的關鍵環(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于變頻調速的整體信息,并將此信息傳送給各分布式單元,由各個單元完成PWM算法實現電壓疊加和電機控制,。任務分配的實現是以穩(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設計的分布式控制單元,充分利用芯片豐富的外設模塊。CAN總線模塊實現和中央控制單元的通信,接收并反饋控制信息;A/D轉換和數字輸入輸出口的配合使用,實現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電壓串聯疊加波形如圖5所示,。通過調整分布單元的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)實現無諧波的控制,。

2.3 總線協(xié)議設計
　　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)現場的環(huán)境比較復雜,存在強電磁干擾,因此,本系統(tǒng)設計了光纖集線器,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,標志符的數值越小優(yōu)先級越高。利用CAN總線的這一特點,設計了優(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,在數據傳輸時已經屏蔽不作為接收標志;低6位作為接收標志位,根據單元ID設定,。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)送數據成功時,則降低本單元的優(yōu)先級;當本單元發(fā)送數據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據傳輸的平等性問題,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,在控制范圍內沿時間軸展開數據傳輸,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傳輸的8字節(jié)數據域制定的協(xié)議格式如表1所示。表中,指令碼標志本指令的內容,源地址發(fā)送單元的標志符,長度標志有效數據,接收單元根據長度處理數據,。指令分為網絡控制,、運行狀態(tài)設置、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,不能在現場直接進行穩(wěn)定性和可靠性的實驗,。本文根據高壓變頻系統(tǒng)控制的原理,模擬現場情況設計了測試系統(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,。