基于CAN總線和LabVIEW的直流/直流變流器監(jiān)控上位機(jī)

張狄林，劉軼強(qiáng)，肖飛，楊國(guó)潤(rùn)

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基于CAN總線和LabVIEW的直流/直流變流器監(jiān)控上位機(jī)

張狄林1，劉軼強(qiáng)1，肖飛2，楊國(guó)潤(rùn)2

(1.海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101；2.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033)

為了實(shí)現(xiàn)中壓直流電網(wǎng)至低壓直流電網(wǎng)的能量傳送，設(shè)計(jì)了一種帶隔離的中頻中壓大容量三電平H橋變流器，簡(jiǎn)稱DC/DC變流器。變流器采用先逆變，后通過中頻變壓器降壓，再整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要觀測(cè)的電氣量較多，為此設(shè)計(jì)了基于CAN總線和LabVIEW的監(jiān)控上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CAN總線通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性以及上位機(jī)的功能。

直流/直流變流器 CAN總線LabVIEW 監(jiān)控上位機(jī)

0 引言

三電平H橋[1]直流直流變流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入直流電壓為d，輸出直流電壓為o，前端d1和d2為直流均壓電容，電容大小相等，其后為二極管箝位型三電平H橋結(jié)構(gòu)，G1-G8為8個(gè)IGBT，D1-D8為反并聯(lián)二極管，Dc1-Dc4為箝位二極管，Dr1-Dr4為整流二極管。H橋輸出通過中頻變壓器降壓后由不控整流橋整流后經(jīng)LCL濾波器濾波輸出到下級(jí)電網(wǎng)。

變流器需要觀測(cè)的電量如表1所示：

表1 變流器需要觀測(cè)的電量

為了實(shí)時(shí)觀測(cè)表1所列的電量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制變流器的啟停機(jī)等功能，設(shè)計(jì)了基于CAN總線和LabVIEW的監(jiān)控上位機(jī)。

1 CAN總線特性分析

CAN是Controller Area Net的縮寫，即控制器局部網(wǎng)絡(luò)[2]，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

CAN總線具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

1） 信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低；

2） 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可以避免總線沖突，當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，抗干擾能力較強(qiáng)的；

3） 支持多主工作方式，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式；

4） 具有完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，能夠滿足構(gòu)建高性能、高實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的要求；

5） 接口簡(jiǎn)單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜。

2 LabVIEW特性分析

LabVIEW[4]是一個(gè)使用圖形符號(hào)來編寫程序的編程環(huán)境。在這一點(diǎn)上，它不同于傳統(tǒng)的編程語言，如C，C++或Java，這些語言使用文本方式編程。然而，LabVIEW不僅僅是一種編程語言，它還是一種編程開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行系統(tǒng)。

LabVIEW包含特定的應(yīng)用程序庫(kù)代碼，如：數(shù)據(jù)采集(DAQ)[5]、通用功能接口總線(GPIB)、串行口儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、Internet通信。分析庫(kù)包含了大量實(shí)用的函數(shù)，包括信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理、濾波器、窗口、統(tǒng)計(jì)、回歸、線性代數(shù)、矩陣運(yùn)算。

一個(gè)LabVIEW程序由一個(gè)或多個(gè)虛擬儀器(VI)組成。之所以稱之為虛擬儀器是因?yàn)樗鼈兊耐庥^和操作通常都是模擬了實(shí)際的物理儀器。然而，在這些面板之后，還有類似于流行的編程語言如C或BASIC中的主程序、函數(shù)、子程序。LabVIEW程序稱為“VI”。

每一個(gè)VI都由三個(gè)主要部分組成：前面板、框圖和圖標(biāo)。

前面板是VI的交互式界面；框圖是實(shí)際可執(zhí)行的程序；圖標(biāo)是VI的圖形表示，會(huì)在另外的VI框圖中作為一個(gè)對(duì)象使用。

為了直觀理解上述概念，表2中列出了一些LabVIEW術(shù)語及其等效的常規(guī)語言術(shù)語。

表2 LabVIEW術(shù)語及其等效的常規(guī)語言術(shù)語

3 上位機(jī)平臺(tái)構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上位機(jī)通過以太網(wǎng)與CAN卡連接，CAN卡通過CAN總線與DSP進(jìn)行通信。

實(shí)驗(yàn)中采用戴爾T3500作為上位機(jī)，CAN卡采用的是周立功的CANET-200T[6]，DSP采用的是TI的F28335。上位機(jī)與CAN卡之間通過網(wǎng)線連接，CAN卡與DSP之間通過屏蔽雙絞線連接。

圖3 CAN總線上的數(shù)據(jù)幀波形

實(shí)驗(yàn)中，DSP將傳感器采集到的電量通過CAN總線發(fā)送到CAN卡，示波器采集到的總線上的數(shù)據(jù)幀如圖3所示。DSP的發(fā)送策略是一次發(fā)送8幀數(shù)據(jù)，這與圖3顯示的幀數(shù)一致，證明了發(fā)送策略的有效性。CAN卡再將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)按照一定的協(xié)議將這些數(shù)據(jù)顯示為實(shí)時(shí)的波形，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變流器電量的監(jiān)控。

5 結(jié)論

本文針對(duì)三電平H橋直流直流變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)以及控制要求，設(shè)計(jì)了基于CAN總線和LabVIEW的監(jiān)控上位機(jī)。CAN總線的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，采用LabVIEW編寫的上位機(jī)顯示直觀，操作方便。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CAN總線通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性以及上位機(jī)的功能。

圖4 變流器電量顯示

[1] Nabea A, Takahashi I, Akag H I. A new neutral-point clamped PWM inverter[J]. IEEE Trans. Ind. Applicat.,1981, IA-17 (5): 518-523.

[2] 楊春杰, 王曙光, 亢紅波. CAN總線技術(shù)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2010.

[3] 宋曉強(qiáng). CAN bus高層協(xié)議CANopen的研究以及在模塊化CAN控制器上的實(shí)現(xiàn)[D]. 碩士學(xué)位論文.天津大學(xué), 2005.

[4] Jeffrey Travis, JimKring著, 喬瑞萍等譯. LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程(第三版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008.6.

[5] 易新強(qiáng), 張狄林, 劉繼祖, 蘇振中. 基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)子無線測(cè)溫系統(tǒng)性能研究[J]. 船電技術(shù), 2011, 31(2):21-25.

[6] CANET-100T/200T以太網(wǎng)CAN-bus數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器. 廣州致遠(yuǎn)電子有限公司,2010.8.

A Supervisory Software of DC/DC Converter Based on CAN Bus and LabVIEW

Zhang Dilin1, Liu Yiqiang1, Xiao Fei2, Yang Guorun2

(1. Naval Representatives’ Office of in Hunan, Xiangtan 411101, China; 2. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2013）04-0049-02

2012-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金項(xiàng)目(50721063)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51077130)。

張狄林(1968-)，男，高級(jí)工程師。專業(yè)方向：電力電子與電力傳動(dòng)方面。