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。

图5 通讯系统硬件电路框图

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。

逆变器CAN总线节点硬件电路与上位微机CAN总线节点硬件电路结构基本相同，只有CAN通讯控制器选用MCP2515代替了SJA1000，逆变器控制芯片SPMC75F2413A通过SPI接口与该器件连接。使用标准的SPI读/写指令以及专门的SPI命令来读/写所有的寄存器。通过SPI接口设置寄存器中的相应位或使用发送使能引脚均可启动发送操作。通过读取相应的寄存器可以检查通讯状态和错误。器件上有一个多用途中断引脚及各接收缓冲器的专用中断引脚，用于指示有效报文是否被接收并载入接收缓冲器。器件还有三个引脚，用来启动将装载在三个发送缓冲器之一中的报文立即发送出去。

3.2 通讯系统软件设计

通过软件设计，完成系统的通讯功能。CAN节点初始化时，通过调用CAN初始化程序，实现对工作模式寄存器、波特率寄存器、验收屏蔽寄存器、验收滤波寄存器等的设置；当节点上的CAN控制器接收到数据帧、产生中断信号时，单片机通过调用数据接收子程序，从CAN控制器的接收数据缓冲区中读出相关的数据并释放接收数据缓冲区；当CAN节点需要发送数据帧时，通过调用数据发送子程序，将要发送的数据写入相应CAN控制器的数据发送缓冲区，并设置发送请求以启动数据帧的发送；将保护信号和相关设定信号使用不同的数据帧加以传送，如果逆变器数据帧的发送间隔超过了系统中的设定值时，便由上位微机通过发送远程帧查询相关的故障请求。

在制定相关数据帧的标识符时（系统中采用11位标准标识符）规定：标识符的前四位标识发出数据帧的单元地址；标识符的后4位标识要接收数据帧的节点地址。按照上面的方法，规定上位微机的CAN节点地址标识为4，逆变器1、2、3的节点地址标识分别为1、2、3，可得到图6中的各相关数据帧的标识符。

图6 系统CAN数据流程图

CAN控制器初始化程序中，在设置CAN控制器的验收屏蔽寄存器时，将标准标识符的高7位（ID10-ID4）设置为验收滤波的无关位。这样，CAN控制器在接收相关的数据帧时，对数据帧的发送节点的标识地址是不进行验收滤波的，而仅仅对于数据帧接收节点的标识符进行判断。当接收到的数据帧的标识符显示本节点的标识地址时，便可进行接收，数据帧接收后再对发送节点的标志地址进行验收，判断数据帧的来源；否则不接收数据帧。采取这样的验收寄存器设置，可以十分灵活地实现前述的通讯协议，并在最大程度上减轻相关CAN节点在软件设计上的复杂性，简化程序，提高工作可靠性。

4 结语

上述设计方案和实验结果表明，以C8051F020和SPMC75F2413A为控制核心，以IPM集成模块为主开关器件的空调电源逆变器控制系统设计方案是可行的。该逆变器控制系统控制方便、运行可靠，能够满足机车车载空调电源的要求。清晰、优化的软件流程设计，使得该控制系统功能更强大、人性化。SPMC75F2413A的成功应用，使得该控制系统具有结构简单、性能优化、动态响应速度快和可靠性高等优点。