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。