基于CAN总线的并联逆变电源通信监控系统研究

逆变电源的模块化并联运行可大大提高系统的灵活性，打破逆变电源在功率等级上的限制，用户可根据需要组合系统的功率，同时便于实现冗余设计，因而具有高可靠性和易于大功率化的优点。并联逆变电源通信监控技术的研究是交流电源系统从传统的集中式供电向分布式供电乃至智能电源系统供电模式发展过程中必须解决的一个课题[1]。本文介绍一种基于CAN现场总线的并联逆变电源通信监控系统。系统充分利用TI公司TMS320LF2407A DSP芯片的内部资源，通过CAN总线从各并联模块获取并解析现场控制数据，响应现场强实时性操作，实现对模块工作的调度监控，具有结构简洁、扩容方便及可靠性高的优点。
1  系统组成
1.1 系统网络结构
　　系统组成如图1所示。系统由监控主机、并联电源模块和CAN总线构成。逆变电源模块主要由PWM逆变器、DSP控制器、信号采样和负载均流以及通信控制等部分构成，选用TMS320LF2407A(DSP)作为控制核心。DSP根据反馈电压、电流值与设定值差控制输出PWM脉冲，驱动逆变桥功率开关，输出频率、幅值、相位可调的正弦电压。由LF2407A内嵌CAN控制器接收来自CAN总线的命令实现对并联逆变电源模块的控制。

　　此种拓扑结构的特点是多个网络通信节点共用一条传输线，不仅信道利用率较高，而且连接简单，成本低，系统可靠性高。信息传输采用CAN通信协议，传输介质采用双绞线，如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离等措施。
1.2 系统主要硬件
　　硬件模块电路如图2所示。因LF2407A芯片本身含有内嵌式CAN控制器，所以硬件设计较为简单，只需加一个收发器SN65HVD232D就可实现此节点与总线的接口。

　　SN65HVD232D是TI公司的CAN协议控制器和物理总线的接口芯片，符合ISO11898标准。它对总线提供差动发送能力，而对CAN控制器提供差动接收能力。终端加接120Ω匹配电阻，以保证数据通信的抗干扰能力及可靠性。
2  软件设计
2.1 波特率设置的编程
　　CAN总线的传输速率与2个节点间的最大距离有关，表1给出了CAN总线系统任意二节点间最大距离与位速率的关系。表中还同时给出LF2407A的位定时器配置寄存器BCR2和BCR1的数值。这些值的设定与LF2407A的主时钟频率有关。一般地可以按下面的公式计算位速率：
　　波特率＝ICLK/[(BRP+1)×bitTime] 　　　　　　　　 (1)

　　其中ICLK为DSP系统频率，BRP由位定时器配置寄存器BCR2决定。
　　bitTime＝(TSEG1+1)+(TSEG2+1)+1 　　　　　　　(2)
　　其中TSEG1和TSEG2由位定时器配置寄存器BCR1决定。
2.2 帧结构设计
　　按照CAN2.0规范，CAN总线上传送的报文由3～11个字节组成，其中包含3个字节的控制字节和0～8个字节的数据字节。
　　一个有效的CAN数据帧由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、校验域、应答域和帧结束组成。TMS320LF2407A的CAN控制器支持2种不同的帧格式：标准帧和扩展帧。它们主要区别在于仲裁域格式不同，标准帧仲裁域由11位标识符和远程发送请求位RTR组成；扩展帧仲裁域则由29位标示符和替代远程请求位SRR位、标志位和远程发送请求位RTR组成，如图3所示。

　　[!--empirenews.page--]标识符是作为报文的名称，在仲裁过程中首先被送到总线。在接收器的验收判断中和仲裁过程确定访问优先权时都要用到。
　　远程发送请求位(RTR)用来确定是发送数据帧还是远程帧。当RTR为高电平时，CAN控制器发送远程帧；为低电平时则发送数据帧。
　　数据长度码(DLC)用来确定每帧要发送的数据字节数，最多为8个字节。
　　控制命令表示此帧所表示的意义，在本文中控制命令字意义如表2所示。

2.3 程序流程设计
　　主从控制是一种较为成熟的逆变电源并联控制方法，本设计采用争主主从控制策略实现对并联逆变电源系统的通信监控。
　　若设置邮箱3为发送非广播邮箱，邮箱2为接收非广播信息邮箱，邮箱4为发送广播的邮箱，邮箱0为接收广播的邮箱。则信息接收和发送的程序流程图分别如图4和图5所示。

　　从流程图可以看出，整个通信系统主要分为一个主节点和多个子节点。其中每个子节点都会用到邮箱4，在一定的时间间隔定期以广播的形式向总线发送争主请求，以探测主节点是否工作正常。如果工作正常，主节点便会发送反对争主请求的响应，并且此响应也是在总线上以广播的形式发送。所以网络上每个节点都会收到争主请求和反对争主请求响应。邮箱0的功能就是接收并区分这2种信息，并判断自身的地位，决定是否利用邮箱4发送反对争主请求。邮箱2的主要功能是接收主节点的控制信息，并且通知邮箱3发送响应的响应信息。
　　图5较为详细地给出了信息发送流程。用DSP汇编指令编写的本系统CAN通信争主部分程序清单如下。
　　LDP  #DP_CAN
　　SPLK #0040H，TCR ；邮箱4发送争主请求
　　LDP  #DP_PF2
　　LAR  AR7，#4H
　　LDP  #DP_CAN
　　MAR *，AR4  ；发送次数
　　LAR  AR4，#0FFFFH
W_TA5： LDP  #6
　　SBRK #01H
　　SAR  AR4，30H
　　LACL 30H
　　BCND W_TA7，EQ
　　LDP  #DP_CAN
　　BIT  TCR，1  ；等待发送应答
　　BCND W_TA5，NTC
　　SPLK #4000H，TCR
　　LDP  #DP_CAN
MAR *，AR4；发送次数
　　LAR  AR4，#0FFFFH
W_TA7： LDP  #DP_CAN
　　MAR*，AR4  ；发送次数
　　LAR  AR4，#0FFFFH
W_TA6： LDP  #6
　　SBRK #01H
　　SAR  AR4，30H
　　LACL 30H
BCND W_TA9，EQ；写邮箱内容，配置参数给定
　　LDP  #DP_USER
　　BIT  CAN_FLAG1，BIT0；判断是否接到反对主节点申请的响应
　　BCND W_TA6，NTC；若没有反对，则修改邮箱4的ID1、ID0，为10时表示此节点为主节点
　　LDP  #DP_USER
　　SPLK #00H，CAN_FLAG1
　　LDP  #DP_CAN
SPLK #4000H，TCR；清TA4和MIF4
　　CALL LOOP11  ；邮箱3发送数据
　　利用现场总线控制技术可以方便地构建分布式逆变电源局域控制网，使电源系统具有现场网络控制系统(FCS)的特征。该方法不仅继承了集散控制系统（DCS）的优点，且集数字通信、智能网络控制于一身。本文所介绍的系统不仅使逆变电源并联连接简洁，同时为各模块提供了稳定可靠的数据通信，实现了系统参数设定、并联逆变电源模块的静态均流和模块争主等控制功能，且系统结构简单，运行可靠。