本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)車(chē)空調(diào)機(jī)組用多逆變器控制系統(tǒng)，與原有空調(diào)電源逆變器控制系統(tǒng)相比，有體積小、重量輕、數(shù)據(jù)交換方便、運(yùn)行可靠、利于維修等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)工作原理：

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? 圖1 逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

?? 由圖1可知，上位微機(jī)控制電路是該系統(tǒng)的核心控制部分，通過(guò)CAN總線將控制指令傳給逆變器控制電路，逆變器控制電路根據(jù)控制指令產(chǎn)生不同頻率的SPWM信號(hào)控制逆變器工作；逆變器控制電路將各逆變器實(shí)際工作狀態(tài)、故障信號(hào)等通過(guò)CAN總線上報(bào)給上位微機(jī)控制電路。

2 逆變器控制電路及控制方案

2.1 逆變器控制電路

逆變器控制芯片選用凌陽(yáng)科技公司2005年推出的新一代16位單片機(jī)SPMC75F2413A。其內(nèi)部集成了能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM發(fā)生器、多功能捕獲比較模塊、BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用位置偵測(cè)接口、兩相增量編碼器接口等硬件模塊，以及多功能I/O口、同步和異步串行口、ADC、定時(shí)計(jì)數(shù)器等功能模塊，利用這些硬件模塊支持，SPMC75可以實(shí)現(xiàn)諸如家電用變頻驅(qū)動(dòng)器、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)器、多環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。SPMC75F2413A集成了兩個(gè)電機(jī)控制PWM輸出定時(shí)器—MCP（Motor Control PWM）定時(shí)器：MCP3、MCP4。每一個(gè)MCP定時(shí)器都可以獨(dú)立輸出三相六路的PWM波形，非常適合于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)等各種電機(jī)。選用此款單片機(jī)可極大縮小控制電路體積，從而減小整個(gè)空調(diào)電源的體積，增加系統(tǒng)的集成性和可靠性。本系統(tǒng)選用定時(shí)器MCP4輸出SPWM信號(hào)。

?圖4 濾波后逆變器輸出波形

3 通訊系統(tǒng)控制方案

為了適應(yīng)機(jī)車(chē)上復(fù)雜的電磁環(huán)境，滿(mǎn)足逆變器控制系統(tǒng)通訊的要求，本系統(tǒng)中使用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN總線）進(jìn)行控制信號(hào)、反饋信號(hào)的傳輸。

CAN總線特點(diǎn)：

◆ CAN采用多主方式工作模式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。

◆ CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。

◆ CAN節(jié)點(diǎn)只需通過(guò)對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

◆ CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km；通信速率最高可達(dá)1Mbps。

◆ CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。

◆ CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

◆ CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

3.1 通訊系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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圖5 通訊系統(tǒng)硬件電路框圖

由圖5可知，上位微機(jī)CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件電路主要分為四個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)C8051F020、獨(dú)立CAN通訊控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250和高速光耦6N137。單片機(jī)C8051F020負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過(guò)流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。

逆變器CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件電路與上位微機(jī)CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)基本相同，只有CAN通訊控制器選用MCP2515代替了SJA1000，逆變器控制芯片SPMC75F2413A通過(guò)SPI接口與該器件連接。使用標(biāo)準(zhǔn)的SPI讀/寫(xiě)指令以及專(zhuān)門(mén)的SPI命令來(lái)讀/寫(xiě)所有的寄存器。通過(guò)SPI接口設(shè)置寄存器中的相應(yīng)位或使用發(fā)送使能引腳均可啟動(dòng)發(fā)送操作。通過(guò)讀取相應(yīng)的寄存器可以檢查通訊狀態(tài)和錯(cuò)誤。器件上有一個(gè)多用途中斷引腳及各接收緩沖器的專(zhuān)用中斷引腳，用于指示有效報(bào)文是否被接收并載入接收緩沖器。器件還有三個(gè)引腳，用來(lái)啟動(dòng)將裝載在三個(gè)發(fā)送緩沖器之一中的報(bào)文立即發(fā)送出去。

3.2 通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的通訊功能。CAN節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)，通過(guò)調(diào)用CAN初始化程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作模式寄存器、波特率寄存器、驗(yàn)收屏蔽寄存器、驗(yàn)收濾波寄存器等的設(shè)置；當(dāng)節(jié)點(diǎn)上的CAN控制器接收到數(shù)據(jù)幀、產(chǎn)生中斷信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)接收子程序，從CAN控制器的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀出相關(guān)的數(shù)據(jù)并釋放接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)CAN控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，并設(shè)置發(fā)送請(qǐng)求以啟動(dòng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送；將保護(hù)信號(hào)和相關(guān)設(shè)定信號(hào)使用不同的數(shù)據(jù)幀加以傳送，如果逆變器數(shù)據(jù)幀的發(fā)送間隔超過(guò)了系統(tǒng)中的設(shè)定值時(shí)，便由上位微機(jī)通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀查詢(xún)相關(guān)的故障請(qǐng)求。

在制定相關(guān)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符時(shí)（系統(tǒng)中采用11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符）規(guī)定：標(biāo)識(shí)符的前四位標(biāo)識(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)幀的單元地址；標(biāo)識(shí)符的后4位標(biāo)識(shí)要接收數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)地址。按照上面的方法，規(guī)定上位微機(jī)的CAN節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)為4，逆變器1、2、3的節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)分別為1、2、3，可得到圖6中的各相關(guān)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符。

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???????????????????? 圖6 系統(tǒng)CAN數(shù)據(jù)流程圖

CAN控制器初始化程序中，在設(shè)置CAN控制器的驗(yàn)收屏蔽寄存器時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符的高7位（ID10-ID4）設(shè)置為驗(yàn)收濾波的無(wú)關(guān)位。這樣，CAN控制器在接收相關(guān)的數(shù)據(jù)幀時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)地址是不進(jìn)行驗(yàn)收濾波的，而僅僅對(duì)于數(shù)據(jù)幀接收節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行判斷。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符顯示本節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)地址時(shí)，便可進(jìn)行接收，數(shù)據(jù)幀接收后再對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志地址進(jìn)行驗(yàn)收，判斷數(shù)據(jù)幀的來(lái)源；否則不接收數(shù)據(jù)幀。采取這樣的驗(yàn)收寄存器設(shè)置，可以十分靈活地實(shí)現(xiàn)前述的通訊協(xié)議，并在最大程度上減輕相關(guān)CAN節(jié)點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化程序，提高工作可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

?? 上述設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以C8051F020和SPMC75F2413A為控制核心，以IPM集成模塊為主開(kāi)關(guān)器件的空調(diào)電源逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是可行的。該逆變器控制系統(tǒng)控制方便、運(yùn)行可靠，能夠滿(mǎn)足機(jī)車(chē)車(chē)載空調(diào)電源的要求。清晰、優(yōu)化的軟件流程設(shè)計(jì)，使得該控制系統(tǒng)功能更強(qiáng)大、人性化。SPMC75F2413A的成功應(yīng)用，使得該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)化、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。