CN101288221A

CN101288221A - 处理单元

Info

Publication number: CN101288221A
Application number: CNA2006800283837A
Authority: CN
Inventors: G·特罗德
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-10-15
Also published as: RU2008107986A; RU2431232C2; NL1029659C2; KR20080074852A; WO2007063366A3; EP1920530A2; US8143833B2; CA2617526C; JP2009504127A; CA2617526A1; WO2007063366A2; US20090160387A1

Abstract

本发明涉及测量信号的处理单元，所述测量信号与由电力电子装置控制的对象状态相关。该处理单元包括具有数字终端的接口，其中该接口设置有用于传感器的至少一个终端，该传感器产生测量信号。该处理单元还包括与接口相连接的计算单元。该计算单元装备有实时控制系统。另外，该计算单元包括通用处理器。

Description

处理单元

发明领域

本发明涉及一种处理单元，用于处理与由电力电子装置(powerelectronics)控制的对象状态相关的测量信号，包括具有数字终端的接口，其中该接口具有产生测量信号的传感器的至少一个终端，并还包括接口连接到的计算单元，其中该计算单元装备有实时控制系统。

背景技术

此种处理单元是例如已知为用于处理并表示与AC电动机(motor)的运行状态相关的测量信号的测量设备，该AC电动机驱动具有高功率的压缩机。在电动机运行期间由电流传感器产生的测量信号例如表示电动机绕组中的电流。该接口将模拟测量信号数字化，并馈送该信号至计算单元。在已知的处理单元中，将该计算单元设计成数字信号处理器(DSP)，从而可以出于例如表示、存储和/或计算目的，对数字化的信号进行进一步处理。因为该计算单元装备有实时控制系统，因此可以实时处理该测量信号。

特别由于被证实的可靠性、有利的高能属性以及低成本价格的原因，数字信号处理器极其适合用于实时处理数字信号。然而，对于实时处理与AC电动机(该AC电机以相对较高的额定转速驱动压缩机，例如透平压缩机(turbo compressor))的运行状态相关的测量信号，当前DSP的计算能力是不够的。这是因为当测量信号的取样频率增加时，DSP在测量信号的取样周期内可执行的处理步骤数量减少了。通常，该测量信号的取样频率被选择成与AC电动机的控制信号的频率成比例。一般在该AC电动机的转速增加时，该控制信号的频率变高，从而可以处理AC电动机的相对较高的基频。

发明内容

本发明的一个目的是获得根据权利要求1的前叙部分的处理单元，其中可消除上述缺点。具体而言，本发明的一个目的是获得一种处理单元，用于处理与由电力电子装置控制的对象状态相关的测量信号，同时，以相对较高的电机额定转速和由此期望的高取样频率，该处理单元仍可实时执行相对较多数量的处理步骤，所述处理步骤用于处理电机的相对较高基频。为此，该计算单元包括通用设备。

虽然由于较低可靠性、较高能耗和相对较高的成本价格，通用处理器不适于在处理单元中使用来处理由电力电子装置控制的对象的测量信号，但通用处理器的应用确实有较强的计算能力，尤其是浮点运算方面，因此，针对AC电动机的相对高转速，仍可以对数字化的测量信号实时执行相对较多数量的处理步骤。

另外，通过利用通用处理器，可以获得一个其上安装有标准软件的平台以例如用于对处理步骤进行编程。另外，可以组合特定算法的编译程序而无需释放源代码以例如用于进行测试。另外，可相对容易布置该处理单元使其能与其它设备交换数据以例如用于下载软件代码、获得测量数据、存储数据、调整参数等。此外，可以将该处理单元构建入现有PC或设计成独立单元。

通过布置处理单元，使得根据测量信号该单元以有利方式产生控制信号用于调节由电力电子装置控制的对象，获得处理单元，该处理单元也可用于调节例如具有相对较高转速的压缩机(例如透平压缩机)的AC电动机。这是因为为了调节AC电动机，需要测量信号的最小数量的处理步骤。通过利用通用处理器，可以在测量信号的取样周期内执行这些处理步骤，从而可以调节相对较高的转速的压缩机，这不同于根据当前可用的DSP设计的已知的处理单元。

以一种有利的方式，处理单元可用于处理测量信号，该测量信号与由电力电子装置控制的具有高额定功率的电机相关。这使得还可以实时处理具有较高额定功率(例如具有超过约1kW或超过30kW或约50kW的功率)的电机的测量信号。此外，如此可以调节具有较高功率的电机。

此外，接口可以被布置成接收与由电力电子装置控制的对象状态相关的多个测量信号。因此，除了表示电机绕组中的电流强度的一个或多个测量信号之外，也可以将其它测量信号连接到接口，例如表示电动机的电力电子装置的电源电压的测量信号，及/或表示电动机的位置、转速和/或实际转矩的测量信号。此外，可以将与压缩机的运行状态例如合成压力、流量、温度、振动和/或噪声相关的测量信号提供给数字输入/输出单元。通过利用通用处理器，可以将各种测量信号简单连接到处理单元。另外，可选择地，可以仅通过一个处理单元调节不同电机的电力电子装置。可以取代表示各种物理量的测量信号的是，借助于仅表示通过AC电动机的一个或多个绕组的电流的测量信号，也可以调节电机。这使得节省了传感器，从而不仅在成本价格上具有优势，还增加了可靠性。为了获得稳定调节，可以利用例如电动机的数学模型。

需要注意的是，根据本发明的处理单元可以与具有单绕组或多绕组的电机一起使用以例如用于三相电源。此外，可以取代压缩机的是，可以将该处理单元用于驱动不同设备(例如机器人制动器)的电机。

在从属权利要求中描述本发明的其它有益实施例。

附图说明

参考附图所示的示例性实施例，将详细解释本发明，在附图中：

图1示出根据本发明的处理单元的示意图；

图2示出根据本发明的控制信号的图示；

图3示出出现在图1的处理单元中的多个信号；以及

图4也示出出现在图1的处理单元中的多个信号。

附图仅是本发明的示意性表示且以非排他性实例方式给出。

具体实施方式

图1示出根据本发明的处理单元1的示意图。处理单元1包括计算单元，该计算单元用作通用处理器2，也称作为PC兼容处理器，例如台式PC、PC/104、紧凑外围部件接口(Compact PCI)、工业PC、PC主板等。处理单元1还包括接口，该接口包括FPGA 3。当然，可以取代FPGA 3的是，该接口也可以包括不同类型例如PLD。该接口还包括A/D转换器4，该A/D转换器4具有与传感器相连的多个连接5a-5e。FPGA 3被设置在印刷电路板3a上。该FPGA 3具有与通用处理器2通信的数字终端。

将该通用处理器2安装在标准主板6上。该FPGA 3经由PCI总线连接到处理器2，从而实现相对便宜并灵活的实施方式。从而可快速并可靠地执行在图1中由双箭头7象征性表示的在FPGA 3和处理器2之间的数据传输。可以取代分离设计的是，也可以将该FPGA 3和处理器2集成到一块印刷电路板上，从而获得紧凑的单元，并且仍可能更快速且更可靠地执行数据传输。此外，按照需要，可以将该A/D转换器4与FPGA 3集成实现在一块印刷电路板3a上或将两者分别实施。

然而，还可能的是在标准PC 8中容纳处理器2、FPGA 3以及A/D转换器4，以例如用于下载源代码。

处理单元1调节对设计成AC电动机9的对象的驱动，该AC电动机9由电力电子装置进行控制，如以下将详细描述的。例如约500kW的AC电动机9具有例如约每分钟80,000转的额定转速，并驱动压缩机10。三相电源11a-11c连接到整流器12。在整流器12的输出处，放置第一个传感器，该第一个传感器产生表示DC电压的测量信号。经由A/D转换器4的连接5a，将该测量信号输入到该处理单元1中。此外，脉宽调制(PWM)转换器14经由驱动器连接到该整流器12的输出。该PWM转换器14包括用于根据控制信号产生高频电源电压的电力电子装置，将该高频电源电压提供给AC电动机9的绕组。因此该电力电子装置经由该驱动器连接到FPGA 3的数字输出，并获得由处理单元1产生的控制信号。该驱动器可以被设置在该PWM转换器14中或被提供给该PWM转换器14。但也可以将该驱动器安置在其它位置，例如安置在A/D转换器4的输出处。该PWM转换器14的输出经由电流传感器15、16(例如霍尔传感器或具有分路的传感器)连接到电动机9的绕组。电流传感器15、16经由处理测量信号即电流的终端5b、5c连接到A/D转换器14，所述测量信号与电机的运行状态相关。此外，可选择地，在电动机9的轴上设置用于测量其它运行状态(例如电动机的轴位置和/或转速)的传感器17。另外，可选择地，传感器被设置在透平机10中和/或被提供给透平机10，用于对例如透平机中的合成压力、流量、温度、振动和/或噪声执行测量。在电动机9的轴上及在透平机10中和/或被提供给透平机10的传感器17经由终端5d、5e连接到A/D转换器4。

利用A/D转换器4，可以以离散方式(discrete level)表示所述传感器产生的测量信号，从而在取样后获得数字信号。经由通信信道7将数字信号传送给印刷电路板6中的处理器2。因为通用处理器2设置有实时控制系统，因此可以对数字化的测量信号执行实时处理步骤。根据所述数字化的测量信号，该处理器2产生控制信号。接着经由FPGA 3将该控制信号传输给PWM转换器14的电力电子装置。

图2示出三相电动机的控制信号20的多个图示，其中所示的以电压V表示的电压U₁、U₂和U₃是以毫秒ms表示的时间的函数。从而所述附图连续示出电动机9的相位1、相位2和相位3的信号。控制信号20是脉宽调制信号，其表示供应给该电机电路的控制电压。脉宽调制信号的时间平均值是由处理器2计算出的期望的参考电压21。由于电机的感应特性，因此仅保留了控制信号20的时间平均值，而滤除了较高的时谐分量。

图3详细示出多个信号。为了简明表示，选择示出与图3和图4中的DC电动机相关的信号。在AC电动机的情形下，信号性态类似。因此，在最上图中，示出控制信号(U₁)20。这个信号被对称地脉宽调制，从而信号在脉冲代码周期中心附近呈现高值。当然，还可以将调制方案设计成其他样式，例如不对称。因为电机感应运转，因此当控制电压为正时，绕组中的电流基本上线性增加，而当该控制电压为负时，电流减少，如图3的中间图所示。其中，将电流22表示成I₁。电流22基本上具有锯齿状的轮廓，其在DC电动机的情形下重叠在固定值上，而在由AC电压驱动电动机的情形下重叠在谐波信号上。

在第一个实施例中，在图3的中间图中，以粗点表示在时间23所进行的取样。由于电流22的锯齿状轮廓，在取样时间23所测量的电流值轻微改变。其中，对于在测量电流22的周期之后的脉冲代码周期中控制信号21的计算，电流22总呈现固定值24。因此，由于脉冲代码周期中的随机取样时间，这个固定值24跳跃。因为在脉冲代码周期内的电流22的平均值实质上固定，因此实质固定的参考电流25可导致电动机的行为在实际上相同。在本实施例中，参考电压21将对电流24的轻微不稳定行为做校正，所述电流24在脉冲代码周期中应为恒定。在图3的最下图中示出校正参考电压21，显示为U_ref。

在第二个实施例中，电流22的取样时间与控制信号20同步，从而在脉冲代码周期的中心对电流22进行测量。因为控制信号20是对称的，因此在脉冲代码周期的中心处的电流22等于基波电流值。通过在上述时间进行取样，滤除了电流22的超谐波分量，从而调节变得更稳定。如在图4中示出，其中这三个图示出与如图3所示的相同信号。清楚可见的是，被取样的电流23实质上是固定的并与实质上固定的参考电流25一致。因此，校正控制电压21实际上也是固定的，这防止了电动机9转速的频率波动和由于发热而造成的额外的电动机损耗。为了实现同步取样，借助于将连接18中断，FPGA调节处理器的时钟。

需要注意的是，在利用具有相对大功率的压缩机10的情况下，可忽略处理器2消耗的功率。为了获得处理单元1的高度可靠性，在FPGA 3中实现部分的限时(time-critical)功能。

本发明并不受上述示例性实施例的限制。可以对其进行各种各样的更改。

因此，该处理单元可用于处理测量信号，取代连接到电机的电力电子装置的是，该处理单元连接到反相器(inverter)(其用于减少电子控制的谐波内容)的有源前端的电力电子装置，或是连接到压缩机的磁轴承系统的电力电子装置。

此外，取代仅使用一个FPGA的是，还可以使用多个FPGA。此外，取代AC电动机的是，还可以使用DC电动机。另外，还可以利用处理单元以处理与多个电机的电力电子装置相关的测量信号。

对于所属领域的技术人员而言，这些变化都是显而易见的，并可以理解的是这些变化都包括在所附的权利要求中阐述的本发明的范围内。

Claims

1、一种处理单元，用于处理与由电力电子装置控制的对象的状态相关的测量信号，所述处理单元包括具有数字终端的接口，其中所述接口设置有用于传感器的至少一个终端，所述传感器产生所述测量信号，所述处理单元还包括与所述接口相连接的计算单元，其中所述计算单元装备有实时控制系统，并且其中所述计算单元包括通用处理器。

2、如权利要求1所述的处理单元，其中，所述处理单元用于根据所述测量信号来产生控制信号，所述控制信号用于调节由所述电力电子装置控制的所述对象。

3、如权利要求1或2所述的处理单元，其中，由所述电力电子装置控制的所述对象包括电机。

4、如权利要求3所述的处理单元，其中，所述电机具有较高的额定功率。

5、如权利要求4所述的处理单元，其中，AC电动机可操作地驱动压缩机。

6、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述接口设置有终端，所述终端用于将所述控制信号传输给所述电力电子装置的切换模块。

7、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述测量信号表示通过所述电机的绕组的电流。

8、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述接口用于接收多个测量信号，所述测量信号与由所述电力电子装置控制的所述对象的状态相关。

9、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述处理单元用于根据测量信号产生控制信号，所述控制信号仅表示通过所述电机的一个或多个绕组的电流。

10、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述通用处理器与所述测量信号的取样处理同步。

11、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述接口包括至少一个数字输入/输出单元和至少一个模拟/数字转换器。

12、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述数字输入/输出单元包括FPGA。

13、如前述任一权利要求所述的处理单元，其中，所述数字输入/输出单元与所述计算单元集成在一块印刷电路板上。