双冗余CAN网络励磁功率单元的研制

韩雪晶，郭嘉，李志军

（河北工业大学 电工厂，天津 300130）

1 引言

励磁系统是发电机的关键控制设备，其性能优劣与可靠性高低直接影响发电机与电力系统的安全稳定运行［1］。而励磁功率单元又是构成励磁系统的重要一环，为同步发电机提供从空载到满载及过载时所需的励磁电流。目前，国内生产的励磁功率单元普遍存在检测功能不全、信息传送、控制和检测技术落后等问题，这势必影响到励磁系统整体性能的提高，从而妨碍电力系统整体性能的提升。

本文介绍的基于dsPIC30F6014A的励磁功率单元具有完备的检测、控制、网络功能。为了提升CAN总线在励磁控制系统中通讯的可靠性，提出了一种基于dsPIC的双路CAN总线冗余通讯设计方案［2］，最后通过试验，验证了CAN总线励磁功率单元的可行性。

2 功率单元系统原理及功能特点

同步发电机自并励励磁系统，一般采用多个功率整流单元并联运行，功率整流单元采用三相全控桥式接线，当有1条支路退出运行时，应保证发电机在所有工况下连续运行；当并联支路等于或大于4，而有1／2的并联支路退出运行时，应保证发电机带额定负荷连续运行。1个功率单元的额定输出能力不单受晶闸管元件参数的限制，更重要的是取决于散热系统的散热能力。采取有效措施，限制交直流侧过电压，对功率单元的运行工况进行全面监测，提高并联功率单元之间的均流等都是功率单元设计应考虑的问题。

本文提出的网络化功率单元系统原理框图如图1所示。三相晶闸管全控桥是功率单元的主要部分，而控制它按照调节器的要求输出励磁电流成为了关键，本设计中每个功率单元内安装有一套嵌入式控制系统，该系统包括主机单元、通讯接口、数字IO单元、A／D单元、D／A单元、传感器、以及相应的输入输出接口电路等。本设计方案首先通过CAN总线通讯接受调节器的控制，根据此控制信号及同步电压信号产生调节器要求的脉冲信号，经过放大及隔离电路送到晶闸管的控制极控制励磁电流的大小。同时将本功率单元的输出电流值通过CAN通讯发送给调节器，以便于调节器检测控制及多功率柜之间的均流。控制系统对功率单元的检测是全方位的，检测功能包括：桥臂电流和单桥总输出电流，六相脉冲检测，快熔状态，进风口和出风口温度检测，风机开停状态，风机是否断相，风压检测，交、直流侧开关位置状态，脉冲电源投切状态。保证了用户在使用本产品的过程中及时发现并解决问题，实现了功率单元的智能化、网络化。本系统采用双CAN网络冗余结构，当其中1个网络通讯故障时，由另一网络接管。

图1 功率单元系统原理图Fig.1 Diagram of power unit system

3 冗余CAN总线的设计方案和硬件实现

在硬件设计中，根据励磁功率单元的特点，设计了以dsPIC30F6014A单片机为控制核心的外围硬件电路包括同步电压形成电路（如图2所示），模拟量信号处理电路（如图3所示），移相触发脉冲产生电路和通讯电路等。由于系统采用了冗余CAN总线通讯技术，因此冗余CAN总线接口设计是本系统的关键技术。这里主要介绍CAN总线电路设计［3］。

虽然CAN协议自身有比较强的检错和纠错能力，但是在工业控制现场的复杂环境中，机械和电磁的噪声等都会影响CAN总线的可靠通信，进而使系统的整体可靠性大大降低，冗余是提高可靠性的较好方法，也是一个成功的经验［4］。

图2 同步电压形成电路Fig.2 Diagram of synchronous voltage formation

图3 电压信号处理电路Fig.3 Diagram of voltage signal processing circuit

图4 CAN总线接口电路Fig.4 CAN bus interface circuit

采用dsPIC30F6014A芯片为控制核心的CAN接口硬件原理实现图如图4所示。由于dsPIC30F－6014A芯片内部集成了2个和CAN2.0B标准兼容的CAN总线模块，支持CAN协议的CAN2.0A，CAN2.0B的主动和被动版本［5］，这些突出的特点使dsPIC30F非常适宜冗余CAN总线通讯系统的硬件设计。鉴于dsPIC30F内部已经集成了双路CAN控制模块，因此我们只设计了其接口驱动电路。以单路CAN为例说明，另一路完全相同。选用HVD1050器件作为CAN协议控制器和物理总线之间的接口，对CAN协议控制器提供差动接收能力，对传输总线提供差动发送能力。图4中在HVD1050与dsPIC30F之间接入光电隔离主要是出于安全角度，以便提高系统的可靠性，这里选用高速光电隔离芯片6N137实现。

4 冗余CAN总线通讯系统软件设计

在本励磁功率柜控制器的软件设计中，主要的设计思想有3个方面：一是软件必须满足实时控制的需要；二是软件要充分发挥dsPIC30F的指令和硬件特点；三是软件要有很强的灵活性、通用性和可靠性。根据所要完成的功能不同，我们将整个励磁控制器的软件划分为以下模块：开关量输入输出、A／D转换、脉冲形成与脉冲移相、通讯（包括CAN和UART）、输入捕捉、输出比较、检测程序等。这里只介绍CAN通讯程序设计。

本系统软件程序设计主要包括节点初始化程序、报文发送程序、报文接收程序以及CAN总线切换等。限于篇幅仅介绍CAN总线冗余切换程序设计思路。系统采用双CAN冗余方式运行，系统中2路CAN总线同时工作，2路总线都正常时，它们每一时刻在励磁装置中传递同样的数据，每个节点对2路总线发来的数据都会接收到，各节点对传输数据进行比较，判断为正确信号后再进行控制和计算。按照CAN总线出现的错误类型，系统通讯故障可分为通道通讯故障和总线通讯故障，处理器利用CAN总线控制器的故障界定状态机制判断通讯故障，并向处理器发送故障状态。每个节点都具有网络监测功能，当一个网络出现故障时会自动退出，同时另一网络仍可保证励磁系统正常运行。CAN总线控制程序框图如图5所示。

图5 CAN总线控制程序框图Fig.5 Block diagram of CAN bus control

5 系统注意的问题

系统应用中应注意的问题如下。

1）CAN总线驱动为电流型，总线两端的2个120Ω的电阻，对于匹配总线阻抗，起着相当重要的作用。若忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低。

2）在使用双层屏蔽线的双绞线时，使用者必须注意：电缆的外屏蔽层只能通过1个连接器的外壳连接到大地上。

3）CAN总线信号传输介质使用双绞线，信号传输方式采用差动发送和差动接收的方式。CAN系统内2个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，位速率为1Mb／s时，最大总线长度40m，位速率为500kb／s时，最大总线长度130m，位速率为250kb／s时，最大总线长度270 m，位速率为125kb／s时，最大总线长度530m。实际应用中，考虑到现场干扰等因素，总线长度一般不可能用到极限。

4）在软件设计时，CAN总线定时器的设置非常关键，CAN总线上的所有控制器必须有相同的波特率和位长度。然而，不同的控制器并不要求使用相同的主振荡器时钟。如果各个控制器的时钟频率不同，必须通过调节各段的时间份额数调节波特率。下面是时间段编程的一些要求：①传播段＋ 相位缓冲段1≥相位缓冲段2；②相位缓冲段2＞同步跳转宽度。

通常，位的采样应当发生在位时间的60%～70%左右，取决于系统参数。实际应用表明，通常使用本文推荐的接口参数能延伸到更长的距离。

6 试验结果分析

网络化功率单元应用于发电机励磁系统中［6］。现将其在1台同步三相发电机上进行试验，试验系统如图6所示。

图6 试验系统图Fig.6 Diagram of test system

实验中采用的三相同步发电机的具体参数如表1所示。

表1 三相同步发电机参数Tab.1 Three－phase synchronous generators parameters

6.1 起励试验及调压范围试验

发电机达到额定转速，AVR投入，设定发电机电压给定值为80%额定机端电压，按投励按钮，记录起励过程，图7为录波装置测得的起励波形图。按减磁按钮将发电机端电压降至20%额定电压，按增磁按钮调节发电机电压至110%额定电压。测得发电机电压给定范围为70%～110%额定电压，发电机励磁电流给定范围为20%～110%额定励磁电流，满足国家标准要求。

图7 起励波形图Fig.7 Waveforms of the excitation flashing

6.2 逆变试验

发电机空载额定情况下，按逆变按钮，记录逆变过程，灭磁过程迅速，平稳。

6.310 %阶跃试验

发电机空载情况下（90% 额定机端电压），进行10%阶跃试验，记录阶跃过程。图8为录波装置测得的＋10%阶跃波形图。波形图表明，该调节性能完全能满足国家标准要求，证明了CAN网络功率单元的实时性和可行性。

图8 ＋10%阶跃试验Fig.8 ＋10%step experiment

6.4 电压／频率特性试验

调节器自动运行方式，发电机达空载额定电压，调节发电机转速，转速调节范围为额定转速的95%到1.03倍。试验测定发电机电压的变化不大于额定值的±0.23%。

6.5 并网试验及带负荷调节试验

发电机并网后，发电机在不同的有功负荷下调节励磁，无功功率在低励限制值到额定励磁电流的范围内调节平稳，励磁电压无明显晃动和异常信号。

6.6 甩负荷试验

发电机并网带额定无功功率负荷，由中控人员人为断开发电机出口开关，发电机甩负荷。发电机电压维持在空载额定值，电压超调量小于15%额定值，振荡次数不超过3到5次，调节时间小于10s。

7 结论

试验证明本文提出的双冗余容错的CAN网络励磁功率单元各种指标均能满足国家标准要求，且硬件简单、运行可靠，具有很高的推广价值。目前已在多个电站应用，运行效果良好。

［1］李基成.现代同步发电机整流器励磁系统［M］.北京：水利电力出版社，1987.

［2］Microchip Technology Inc.dsPIC30F6014Datasheet［DB／OL］.2004.

［3］BOSCH.CAN SPECIFICATTON（Version 2.0）［DB／OL］.1991.

［4］禹春来，许化龙，刘根旺，等.CAN总线冗余方法研究［J］.测控技术，2003，22（10）：28－30，41.

［5］Philps Semiconductors.PCA82C250CAN Transceiver for 24VSystems［DB／OL］.2000.

［6］汪庆年，李斌，张广栋.基于DSP的新型柴油发电机励磁控制系统研究［J］.电气传动，2010，40（5）：63－66.