CN102243482B

CN102243482B - 一种级联型高压变频器控制方法及主控制器

Info

Publication number: CN102243482B
Application number: CN 201110090999
Authority: CN
Inventors: 蓝徳劭; 曹洋; 罗仁俊; 陈孟君; 范伟; 刘彤; 王卫安; 王挺泽
Original assignee: Zhuzhou National Engineering Research Center of Converters Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou National Engineering Research Center of Converters Co Ltd
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: CN102243482A

Abstract

本发明公开了一种级联型高压变频器控制方法及主控制器，其特点是采用分布式设计，包括高压变频器主控制板插件和外围辅助插件两个部分，采用分布式设计，将主控制板插件和外围辅助插件布置在机箱外，所述高压变频器主控制板插件实现控制、数据传送和上位机通讯，所述外围辅助插件与外围辅助转接插件配合使用，完成各种信号的采集和电力电子器件的驱动等功能，其中外围辅助转接插件完成交流量、直流量和开关量的隔离和转换。本发明不仅能够根据不同的负载要求设定合适的变频调节方式，而且能够方便的实现不同控制方式的扩展，控制系统功能具有可扩展性，提升了系统的技术水平和运行可靠性、灵活性，提高设备运行效率，降低维修费用。

Description

一种级联型高压变频器控制方法及主控制器

技术领域

本发明属于高压变频器的控制技术，具体涉及一种级联型高压变频器的控制方法及主控制器。

背景技术

目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。随着中国经济的快速发展，能源成为制约经济增长的瓶颈，节约降耗也就成为国家和企业严重关切的问题。当前，国家的宏观政策提倡节约型和谐社会，节能型产品的研究和开发得到了广泛的关注。具有理想节能效果和调速性能的高压变频器引起政府主管部门和各高耗能企业的高度关注，变频成为首选的节能产品。

在级联式高压变频器中，控制器是基本的构成部分，是变频器的核心。它的主要任务是完成电机控制策略、基于光纤的串行通信、与上位机通信，并控制模拟量、数字量、开关量等信号的输入输出处理等。

目前，级联式高压变频器的控制器多采用集成式，将所有控制电路集成在一块完整的电路板上，包括了电机控制策略、通信和各种输入输出信号的处理。此种控制器结构简单，在早期的变频器控制中发挥了重要的作用，随着变频技术的发展，对控制系统提出了更高的要求，集成式控制系统因为其电路结构死板，兼容性差，已无法满足控制需要，同时，集成式控制系统现场维护困难，系统可扩展性不好，造成资源的不合理分配。

经检索发现有如下一些相关技术文献：

1、专利申请号为：201010142328.9，名称为“一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置”的中国专利申请，该专利申请公开了一种用于高压变频器模块化设计的主控制器装置，该主控制器装置包括安装于机箱内的母线板，还包括电源插件、主处理器插件、模拟量采集插件、数字量输入插件、数字量输出插件和人机界面。所述的各种插件，前端接信号，后端分别通过插接件与母线板连接。主处理器插件采用CF卡存储数据和录波。

该技术方案的不足在于：主控制器装置包括安装于机箱内的母线板，当设计大容量复杂变频器时，需要扩展电路插件时，机箱空间不足，变频器结构需要重新设计，兼容性差。

2、作者为罗志惠，发表的南京航空航天大学硕士论文，题目为“高压变频级联逆变器调制策略的研究”；该论文公开了高压变频级联逆变器调制策略，所述的高压变频级联逆变器调制控制单元分为控制CPU插件、外围辅助转接插件两个部分。CPU插件部分以DSP、FPGA为控制核心，同时通过CPLD检测输出触发信号并在故障时完成闭锁，触发信号转换为光信号后驱动IGCT；外围辅助插件完成直流量、交流量和开关量的隔离和转换。

上述论文提出的技术方案，所存在的不足在于：大功率开关器件选用IGCT，IGCT由于外围器件数目大，系统的故障多，成本高，维修周期长、费用高，而且由于器件复杂，对维修的技术人员要求很高，造成变频器维护困难。

因此，现有技术方案均存在一些不足，为了解决现有技术中存在的问题，很有必要提出一种分布式设计的级联型高压变频器控制方法及主控制器。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种分布式设计的级联型高压变频器的控制方法及主控制器，使控制系统不仅能够根据不同的负载要求设定合适的变频调节方式，而且能够方便的实现不同控制方式的扩展，控制系统功能具有可扩展性，提升了系统的技术水平和运行可靠性、灵活性，提高设备运行效率，降低维修费用。

本发明采用的技术方案是：一种级联型高压变频器控制方法，包括高压变频器主控制板插件和外围辅助插件两个部分，采用分布式设计，将主控制板插件和外围辅助插件布置在机箱外；由所述高压变频器主控制板插件实现控制、数据传送和上位机通讯，所述外围辅助插件与外围辅助转接插件配合使用，完成各种信号的采集和电力电子器件的驱动等功能，其中外围辅助转接插件完成交流量、直流量和开关量的隔离和转换。

所述主控制板插件设计可采用以DSP、FPGA和CPLD为控制核心的结构，DSP和FPGA相互配合完成控制策略和调制方法的实现，CPLD主要完成触发信号的检测和闭锁，此外，主控制板插件上还可扩展EPROM，SRAM，NVRAM和EEPROM等各类存储芯片。

所述外围辅助插件可包括模拟量输入输出插件、开关量输入输出插件、电源处理插件等。

所述外围辅助转接插件可包括交流插件、直流插件、开关量插件等，完成各种输入输出信号的隔离转换，并将信号接口功能集中到一起。

所述主控制板插件与外围辅助插件之间通过光纤进行通信，外围辅助插件与外围辅助转接插件之间通过光纤进行通信，主插线板的光纤通讯具有可扩展性。

根据上述方法所提出的一种级联型高压变频器主控制器，包括高压变频器主控制板插件和外围辅助插件两个部分，采用分布式设计，将主控制板插件和外围辅助插件布置在机箱外，所述高压变频器主控制板插件实现控制、数据传送和上位机通讯，所述外围辅助插件与外围辅助转接插件配合使用，完成各种信号的采集和电力电子器件的驱动等功能，其中外围辅助转接插件完成交流量、直流量和开关量的隔离和转换。

本发明的积极效果在于：

（1）采用分布式设计，母线板布置在机箱以外，节省了机箱空间，也使得控制器设计更加灵活，可根据需要设计大容量复杂变频器控制器。

（2）采用以DSP、FPGA和CPLD为控制核心的结构，并实现存储芯片扩展，使本控制器具有功能可扩展性，硬件平台可以支持多种控制策略，并且实现方便。控制单元的硬件设计功能划分明确，修改相应单元的程序模块就能完成控制功能的扩展。

（3）使用模块化插件，当系统某一部分有故障或者需要升级时，可以准确定位，只需更换相应功能插件即可，不需全部更换整个主控制器，使用户利益最大化。

（4）标准的总线定义将使系统扩充变得容易、经济。当需要增加新的功能时，只需按照总线定义标准，做成新的功能插件，更换驱动软件和光纤接口，系统就可自动识别，便于系统新加功能的扩充。

（5）本主控制器与辅助插件、功率单元间光纤通讯，完全电气隔离，系统具极高的安全性和抗干扰能力。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步阐述。

附图说明

图1为本发明所述变频器主控制器的结构图。

图2为本发明所述变频器主控制器的组成图。

图3为本发明所属变频器主控制器与功率单元连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种级联型高压变频器主控制器，包括高压变频器主控制板插件和外围辅助插件两个部分，采用分布式设计，将主控制板插件和外围辅助插件布置在机箱外，所述高压变频器主控制板插件实现控制、数据传送和上位机通讯，所述外围辅助插件与外围辅助转接插件配合使用，完成各种信号的采集和电力电子器件的驱动等功能，其中外围辅助转接插件完成交流量、直流量和开关量的隔离和转换。

所述高压变频器主控板插件是控制器的核心部分，除了对大功率开关器件IGBT的导通和关断进行控制之外，还要满足控制策略的控制参数计算，实时采集调速系统运行的电气参数，以实现控制策略的优化和运行状态的实时控制，完成与上层机以及辅助板、功率单元之间的数据通信，记录控制运行的状态以及发生故障时的事件记录。主控制板插件设计采用了以DSP、FPGA和CPLD为控制核心的结构，DSP和FPGA相互配合完成控制策略和调制方法的实现。由DSP完成数据采集、分析计算、上层通信和时间记录等复杂程度高、计算量大的操作，为了简化其软件的设计、提高程序可扩展性，DSP程序采用了模块化设计方法；FPGA专门负责计算和生成PWM调制的脉冲触发信号，FPGA程序实现芯片内部硬件结构的生成。CPLD主要完成触发信号的检测和闭锁。高压变频器主控制器还具有功能可扩展性，在不改变硬件平台结构的基础上，能够的实现不同的控制策略和调制方法。控制单元和上层机之间通过RS485串口通信完成数据交换。控制单元存储诸如控制程序、事件记录、上层机传送的定值等大量数据，而且各数据的存储要求不同，仅由芯片内部空间存储不能满足应用要求，主控制板上扩展了EPROM，SRAM，NVRAM和EEPROM，用于存放程序、临时数据、事件记录等。控制单元输出的控制信号转换成光信号通过光纤触发IGBT，快速可靠的完成IGBT的触发控制和状态监测。

如图2所示，所述外围辅助插件除必要的模拟量处理插件、数字量处理插件、IGBT驱动插件外，还包括高压测量插件、驱动保护插件和光线扩展等插件。模拟量处理插件完成变频器输入输出信号的高精度隔离测量，也实现变频器柜体内温度、电机转速等慢速模拟信号的测量和控制；数字量插件主要用于电气量信号以及各类非电气量信号的控制。为了使信号的高压部分和低压部分充分隔离，增强抗干扰性能，提高电路处理的可靠性，模拟处理电路采用了高性能隔离运放对信号进行隔离，数字量处理插件采用光耦和滤波电路隔离干扰，在电路设计时，充分考虑了干扰源的特点，对隔离和滤波进行了特别设计，系统EMC指标可以完全按照工业A级标准进行设计。

所述外围辅助转接插件包括交流插件、直流插件、开关量插件等，完成各种输入输出信号的隔离转换，将信号接口功能集中到一起，方便设计管理，而且使控制CPU插件功能单一，结构紧凑。采用了专门的转接插件可以更好的实现隔离，有利于强弱电的分离，减少信号对控制部分的干扰。为了有利于信号接口通道的强弱电分离，提高控制插件抗干扰能力，采用专门的转接插件完成信号的隔离转换，使控制CPU插件结构更加紧凑。

所述高压变频器主控制板插件的光纤通讯具有可扩展性，主控制板插件可通过插拔接口直接扩展，使用简单、方便，节约成本。高压变频器外围辅助插件和外围辅助转接插件之间通过光纤进行通讯，减少远距离传输干扰，隔离高压，使用简单方便，大大降低了系统成本。本装置中的上述功能插件既可单独使用，也可组合使用。真正体现了配置灵活，组合方便的特点。

Claims

1.一种级联型高压变频器控制方法，包括高压变频器主控制板插件和外围辅助插件两个部分，其特征在于，采用分布式设计，将主控制板插件和外围辅助插件布置在机箱外；由所述高压变频器主控制板插件实现控制、数据传送和上位机通讯，所述外围辅助插件与外围辅助转接插件配合使用，完成各种信号的采集和电力电子器件的驱动功能，其中外围辅助转接插件完成交流量、直流量和开关量的隔离和转换；所述主控制板插件与外围辅助插件之间通过光纤进行通信，外围辅助插件与外围辅助转接插件之间通过光纤进行通信，主插线板的光纤通讯具有可扩展性；所述主控制板插件采用了以DSP、FPGA和CPLD为控制核心的结构，DSP和FPGA相互配合完成控制策略和调制方法的实现；由DSP完成数据采集、分析计算、上层通信和时间记录，DSP程序采用了模块化设计；FPGA专门负责计算和生成PWM调制的脉冲触发信号，FPGA程序实现芯片内部硬件结构的生成；CPLD完成触发信号的检测和闭锁；高压变频器主控制器还具有功能可扩展性，在不改变硬件平台结构的基础上，能够的实现不同的控制策略和调制方法；控制单元和上层机之间通过RS485串口通信完成数据交换；控制单元存储诸控制程序、事件记录、上层机传送的定值大量数据，而且主控制板上扩展了EPROM，SRAM，NVRAM和EEPROM，用于存放程序、临时数据、事件记录；控制单元输出的控制信号转换成光信号通过光纤触发IGBT，快速可靠的完成IGBT的触发控制和状态监测；所述外围辅助插件除必要的模拟量处理插件、数字量处理插件、IGBT驱动插件外，还包括高压测量插件、驱动保护插件和光线扩展插件；模拟量处理插件完成变频器输入输出信号的高精度隔离测量，也实现变频器柜体内温度、电机转速慢速模拟信号的测量和控制；数字量插件用于电气量信号以及各类非电气量信号的控制；模拟处理电路采用隔离运放对信号进行隔离，数字量处理插件采用光耦和滤波电路隔离干扰，电路采用隔离和滤波处理，系统EMC指标完全按照工业A级标准进行设计；所述外围辅助转接插件包括交流插件、直流插件、开关量插件，完成各种输入输出信号的隔离转换，将信号接口功能集中到一起；采用转接插件更好的实现隔离；所述高压变频器主控制板插件的光纤通讯具有可扩展性，主控制板插件通过插拔接口直接扩展。

2.一种级联型高压变频器主控制器，其特征在于包括高压变频器主控制板插件和外围辅助插件两个部分，采用分布式设计，将主控制板插件和外围辅助插件布置在机箱外；所述高压变频器主控制板插件实现控制、数据传送和上位机通讯，所述外围辅助插件与外围辅助转接插件配合使用，其中外围辅助转接插件完成交流量、直流量和开关量的隔离和转换；所述主控制板插件与外围辅助插件之间通过光纤进行通信，外围辅助插件与外围辅助转接插件之间通过光纤进行通信，主插线板的光纤通讯具有可扩展性；所述主控制板插件设计采用以DSP、FPGA和CPLD为控制核心的结构，DSP和FPGA相互配合完成控制策略和调制方法的实现，由DSP完成数据采集、分析计算、上层通信和时间记录，DSP程序采用模块化设计；FPGA专门负责计算和生成PWM调制的脉冲触发信号，FPGA程序实现芯片内部硬件结构的生成；CPLD完成触发信号的检测和闭锁；此外，主控制板插件上还扩展有EPROM，SRAM，NVRAM和EEPROM存储芯片；控制单元存储诸控制程序、事件记录、上层机传送的定值大量数据；控制单元输出的控制信号转换成光信号通过光纤触发IGBT，快速可靠的完成IGBT的触发控制和状态监测；所述外围辅助插件包括模拟量输入输出插件、开关量输入输出插件、电源处理插件；控制单元和上层机之间通过RS485串口通信完成数据交换；所述外围辅助转接插件包括交流插件、直流插件、开关量插件，完成各种输入输出信号的隔离转换，并将信号接口功能集中到一起；所述外围辅助插件除必要的模拟量处理插件、数字量处理插件、IGBT驱动插件外，还包括高压测量插件、驱动保护插件和光线扩展插件；模拟量处理插件完成变频器输入输出信号的高精度隔离测量，也实现变频器柜体内温度、电机转速慢速模拟信号的测量和控制；数字量插件用于电气量信号以及各类非电气量信号的控制；模拟处理电路采用了高性能隔离运放对信号进行隔离，数字量处理插件采用光耦和滤波电路隔离干扰，电路采用隔离和滤波处理，系统EMC指标完全按照工业A级标准进行设计；所述外围辅助转接插件包括交流插件、直流插件、开关量插件，完成各种输入输出信号的隔离转换，将信号接口功能集中到一起；采用了转接插件更好的实现隔离；所述高压变频器主控制板插件的光纤通讯具有可扩展性，主控制板插件通过插拔接口直接扩展。