CN102480264A - 多处理器控制的感应电机四象限变频调速系统 - Google Patents

Abstract

多处理器控制的感应电机四象限变频调速系统。它解决了现有感应电机控制技术中采用单一的CPU进行控制使控制方法及控制手段受限的问题。它包括滤波器、PWM整流模块、滤波电容、PWM逆变模块、交流电流检测电路、直流电压检测电路、电机电流检测电路、隔离驱动电路、控制单元和速度传感器，控制单元采用三CPU结构，整流控制CPU、接口控制CPU、交流电流检测电路和直流电压检测电路共同配合对PWM整流模块进行控制，逆变控制CPU、接口控制CPU、速度传感器和电机电流检测电路共同配合实现了对输出端感应电机的转速、电流的双闭环控制。本发明用于带动位能性负载的感应电机的调速控制。

Description

多处理器控制的感应电机四象限变频调速系统

技术领域

 本发明属于感应电机变频调速技术领域，具体的是涉及一种多处理器控制的感应电机四象限变频调速系统。

背景技术

感应电机变频调速技术经过多年发展，已经成功应用于各个工业领域和日常生活当中，在实现显著的节能效果的同时，也解决了对速度控制精度有严格要求的相关领域的电机控制问题。但是传统的变频器输入端采用基于二极管与大的滤波电容相结合的不控整流的电路结构，由于二极管的电流只能单向流动的物理特性，造成系统存在以下问题：

一、输入电流畸变严重，对电网引入很大的低次谐波污染，造成电网质量恶化；二、能量只能单向流动，在带动位能性负载的场合，会产生电压泵升。目前的解决办法一个是在直流滤波环节并联泄放电路，将再生能量消耗掉，这种方法造成资源的极大浪费，另外，泄放电阻产生的热量为设备带来安全隐患；另一种办法是外加能量回馈单元，虽然能够将再生能量回馈到电网，但是电动状态的输入电流波形畸变问题仍然没有得到解决，另外，这种组合式的结构造成系统复杂，维修和安装困难。而采用全控型功率器件代替输入端的不控整流二极管的双PWM拓扑结构，结合PWM整流技术，对输入电流进行实时控制，具有输入电流为正弦波形，系统以单位功率因数运行，能量自动双向流动等优点，已成为当前变频驱动控制领域的研究热点。申请号为ZL200420031453.2的中国专利公开了一种四象限中压变频调速装置，实现了中压领域的电机系统四象限运行；申请号为200580024917.4的中国专利公开了一种具有电源侧四象限变流器的牵引变流器，其输入端为单相形式，无法用于三相交流电源情况，同时需要额外增加可关断的电力二极管，系统复杂程度显著增加；申请号为200810120160.4的中国专利公开了一种直流电压可控型四象限变频器及其方法，实现了电机在电动和发电运行时均获得优良的控制特性，但是由于控制单元采用单- CPU结构，不易于采用高性能控制方法，另外，接口单一，没有总线控制接口，不具备现场组网控制功能，现场适应能力较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种感应电机四象限变频调速装置，它解决了现有感应电机四象限控制技术中采用单一的CPU进行控制使控制方法及控制手段受限的问题。

本发明包括滤波器、PWM整流模块、滤波电容、PWM逆变模块、交流电流检测电路、直流电压检测电路、电机电流检测电路和隔离驱动电路，滤波器的交流电源输出端连接PWM整流模块的交流电源输入端和交流电流检测电路的交流电源输入端，PWM整流模块的直流电源输出端连接滤波电容的直流电源输入端，滤波电容的直流电源输出端连接PWM逆变模块的直流电源输入端和直流电压检测电路的直流电源输入端，PWM逆变模块的交流电源输出端连接电机电流检测电路的交流电源输入端；隔离驱动电路的整流驱动信号输出端连接PWM整流模块的整流控制信号输入端，隔离驱动电路的逆变驱动信号输出端连接PWM逆变模块的逆变控制信号输入端，它还包括控制单元和速度传感器，控制单元由整流控制CPU、逆变控制CPU、接口控制CPU和键盘与显示模块组成，键盘与显示模块的数据输入输出端连接接口控制CPU的数据输出输入端，接口控制CPU的整流控制输入输出端连接整流控制CPU的控制信号输出输入端，接口控制CPU的逆变控制输入输出端连接逆变控制CPU的控制信号输出输入端，整流控制CPU的驱动信号输出端连接隔离驱动电路的整流驱动信号输入端，整流控制CPU的交流电流信号输入端连接交流电流检测电路的交流电流信号输出端，整流控制CPU的直流电压信号输入端连接直流电压检测电路的第一直流电压信号输出端；逆变控制CPU的直流电压信号输入端连接直流电压检测电路的第二直流电压信号输出端，逆变控制CPU的驱动信号输出端连接隔离驱动电路的逆变驱动信号输入端，逆变控制CPU的电流信号输入端连接电机电流检测电路的电流信号输出端，逆变控制CPU的转速信号输入端连接速度传感器的转速信号输出端。

本发明的优点是：本发明的控制单元采用三个CPU对整个系统进行协调控制，在实现对电机控制的同时，能够对输入电流进行实时控制，使输入电流为正弦波形，对电网的谐波污染小；在获得电机四象限运行特性的同时，扩展了现有电机四象限变频调速装置的功能，可以更加方便地引入更高性能的电机控制算法，进而对电机的整体控制性能大幅提升。

附图说明

图l是本发明的整体结构示意图；

图2是实施方式一中双PWM结构的电路原理图；

图3是实施方式二中总线协议转换器的流程图；

图4是实施方式五中PWM整流模块的控制原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式包括滤波器l、PWM整流模块2、滤波电容3、PWM逆变模块4、交流电流检测电路5、直流电压检测电路6、电机电流检测电路7和隔离驱动电路8，滤波器l的交流电源输出端连接PWM整流模块2的交流电源输入端和交流电流检测电路5的交流电源输入端，PWM整流模块2的直流电源输出端连接滤波电容3的直流电源输入端，滤波电容3的直流电源输出端连接PWM逆变模块4的直流电源输入端和直流电压检测电路6的直流电源输入端，PWM逆变模块4的交流电源输出端连接电机电流检测电路7的交流电源输入端；隔离驱动电路8的整流驱动信号输出端连接PWM整流模块2的整流控制信号输入端，隔离驱动电路8的逆变驱动信号输出端连接PWM逆变模块4的逆变控制信号输入端，它还包括控制单元9和速度传感器10，控制单元9由整流控制CPU9-1、逆变控制CPU9-2、接口控制CPU9-3和键盘与显示模块9-4组成，键盘与显示模块9-4的数据输入输出端连接接口控制CPU9-3的数据输出输入端，接口控制CPU9-3的整流控制输入输出端连接整流控制CPU9-1的控制信号输出输入端，接口控制CPU9-3的逆变控制输入输出端连接逆变控制CPU9-2的控制信号输出输入端，整流控制CPU9-1的驱动信号输出端连接隔离驱动电路8的整流驱动信号输入端，整流控制CPU9-1的交流电流信号输入端连接交流电流检测电路5的交流电流信号输出端，整流控制CPU9-1的直流电压信号输入端连接直流电压检测电路6的第一直流电压信号输出端；逆变控制CPU9-2的直流电压信号输入端连接直流电压检测电路6的第二直流电压信号输出端，逆变控制CPU9-2的驱动信号输出端连接隔离驱动电路8的逆变驱动信号输入端，逆变控制CPU9-2的电流信号输入端连接电机电流检测电路7的电流信号输出端，逆变控制CPU9-2的转速信号输入端连接速度传感器10的转速信号输出端。

本实施方式中将滤波器l的交流电源输入端连接入交流电网，PWM逆变模块4的交流电源输出端与感应电机的电源输入端连接，滤波器l、PWM整流模块2、滤波电容3和PWM逆变模块4共同组成了双PWM型主电路的拓扑结构；滤波器l既可以是电感，也可以是电感一电容，也可以是电感一电容一电感结构，本实施方式中采用电感一电容一电感结构，如

图2所示。PWM整流模块2和PWM逆变模块4放置在相同的散热器上，两个PWM模块均采用全控型功率器件，每个模块可以是集成在一起的IPM模块，也可以是六个分离的功率器件，图2中所示为采用了IPM模块。交流电流检测电路5检测到的输入电流，转化为小电量信号以后传递给整流控制CPU9-1；直流电压检测电路6和电机电流检测电路7分别检测直流电压和电机电流后传递给整流控制CPU9-1和逆变控制CPU9-2；隔离驱动电路8接收整流控制CPU9-1和逆变控制CPU9-2发出的控制指令后，来驱动PWM整流模块2和PWM逆变模块4，并在整体上由控制单元9进行协调控制。

控制单元9采用三CPU结构，整流控制CPU9-1、接口控制CPU9-3、交流电流检测电路5和直流电压检测电路6共同配合对PWM整流模块2进行控制，包括输入端瞬时有功、无功功率控制以及输入端电网电流的正弦化控制和直流电压的稳定控制；逆变控制CPU9-2、接口控制CPU9-3、直流电压检测电路6、速度传感器10和电机电流检测电路7共同配合实现了对输出端感应电机的转速、电流的双闭环控制。整流控制CPU9-1和逆变控制CPU9-2共同与隔离驱动电路8相连，隔离驱动电路8可将接收到的PWM信号转化为可驱动功率器件的隔离的PWM信号。接口控制CPU9-3除用于系统状态的显示与输出，还负责接收外部接口的控制信号，接口控制CPU9-3与整流控制CPU9-1采用串行或并行通讯进行数据传送，接口控制CPU9-3与外部接口采用串行通讯协议进行数据传送；键盘与显示模块9-4包括显示和键盘两部分，其中显示部分可以是数码管显示．也可以是液晶显示，用于进行各种参数设置与查看、状态显示以及输入系统控制指令。

具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于它还包括：总线协议转换器11，所述总线协议转换器11由协议转换CPU11-1、数据选择单元11-2、PROFIBUS硬件接口电路11-3、MODBUS硬件接口电路11-4和CANOPEN硬件接口电路11-5组成，协议转换CPU11-1的通讯协议输入输出端连接所述接口控制CPU9-3的通讯协议输出输入端，协议转换CPU11-1的通讯协议输出输入端连接数据选择单元11-2的总线数据输入输出端，数据选择单元11-2的PROFIBUS数据输入输出端连接PROFIBUS硬件接口电路11-3的数据输出输入端，数据选择单元11-2的MODBUS数据输入输出端连接MODBUS硬件接口电路11-4的数据输出输入端，数据选择单元11-2的CANOPEN数据输入输出端连接CANOPEN硬件接口电路11-5的数据输出输入端。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中协议转换CPU11-1与所述的接口控制CPU9-3采用串行通讯协议进行数据传送，协议转换CPU11-1负责将接收到的各种总线协议转换为内部的一种通讯协议，并根据整流控制CPU9-1下传的总线类型参数控制数据选择单元11-2选通PROFIBUS、MODBUS和CANOPEN中的一种总线。它采用统一多总线兼容的通讯结构，能够通过远程控制室对感应电机的运行进行实时监测与控制。总线协议转换器11的工作流程如图3所示，

工作过程及原理：

步骤一：控制单元9中的接口控制CPU9-3根据接收到的控制指令判断指令的来源，若为键盘与显示模块9-4发出的控制指令，则执行步骤三；若为总线协议转换器11发出的控制指令，执行步骤二；

步骤二：由接口控制CPU9-3对协议转换CPU11-1进行参数预设置，接口控制CPU9-3再将整流控制CPU9-1发出的总线类型参数传递给协议转换CPU11-1，协议转换CPU11-1控制数据选择单元11-2选通一种总线类型并将总线协议转换为通用协议，然后与接口控制CPU9-3进行通讯；

步骤三：接口控制CPU9-3根据接收到的电机转速预设值、电机旋转方向以及电机启停信号对逆变控制CPU9-2进行控制，电机启动后，由逆变控制CPU9-2将速度传感器10反馈回的转速值与电机转速预设值比较后作为电机转矩的给定，再由整流控制CPU9-1通过交流电流检测电路5采集的电机三相电流值计算电机的实际转矩作为反馈量与所述电机转矩的给定值比较，比较结果作为PWM逆变模块4输出电压的给定值，所述输出电压的给定值再经过脉宽调制算法计算后获得PWM逆变模块4中各个开关管的开关信号，再通过PWM逆变模块4驱动电机进行旋转；当接口控制CPU9-3接收到停止指令后，给隔离驱动电路8发送控制指令，使PWM逆变模块4输出的电压为零，即PWM逆变模块4不输出电压，感应电机停止运行。

在执行步骤一至步骤三的过程中，整流控制CPU9-1通过直流电压检测电路6采集的直流电压作为反馈量，与直流电压给定值进行比较，比较结果作为输入有功功率的给定，为使装置以近似单位功率因数运行，将无功功率给定为零。整流控制CPU9-1经过交流电流检测电路5采集交流电流，再由采集到的交流电流与PWM整流模块2输出的电压间接计算实际输入的有功和无功功率，再分别与有功功率和无功功率的给定进行比较，比较结果作为PWM整流模块2的新的输出电压给定值，再经过脉宽调制算法产生PWM整流模块2中各个开关管的开关信号对PWM整流模块2的输出电压进行控制。整流控制CPU9-1对直流电压和输入侧瞬时功率进行实时控制，电机处于电动状态，输入电流与电网电压同相位，保证系统以单位功率因数运行；发电状态时，瞬时有功功率为负值，电流与电网电压相差180度，以实现能量的回馈控制。在整个运行过程中，直流电压保持恒定，也为电机的平稳运行提供了保证。

本实施方式采用了与多总线协议相兼容的控制方式，使应用场合的适应性强；感应电机以发电状态运行时，输入电网的电流谐波含量低，大大减小了对电网的谐波污染；系统以近似单位功率因数运行，不从电网索取无功，运行效率高；电网与感应电机之间能量自由双向流动，能够获得显著的节能效果；本发明采用一体化设计方案，集成度高，体积小，控制方便灵活，易于实现网络化控制。可应用于油田，起重机，电梯等带动位能性负载的领域，对现场适应能力强，具有广泛的应用前景和较大的推广价值。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于所述整流控制CPU9-1采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

本实施方式中为引入高性能控制算法，整流控制CPU9-1采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式三的不同之处在于所述逆变控制CPU9-2采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片。其它组成及连接关系与实施方式三相同。

本实施方式中逆变控制CPU9-2采用的芯片同样为引入高性能控制算法。

具体实施方式五：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、二或四的不同之处在于所述接口控制CPU9-3采用Microchip公司的DSPIC系列单片机。其它组成及连接关系与实施方式一、二或四相同。

协议转换CPU11-1将三种总线协议转换为内部的一种通讯协议，传送给接口控制CPU9-3，这样无论哪种总线对于接口控制CPU9-3来说都是相同的通讯协议，大大降低了接口控制CPU9-3的信息处理量。在总线异常时，接口控制CPU9-3能够发出总线故障报警信号。

采用直流电压外环、瞬时功率内环的双闭环控制算法结构对PWM整流模块2进行控制，原理结构图如图4所示。功率内环采用基于带有积分饱和限幅反馈环节的虚拟磁链的定频式直接功率控制策略。其基本原理是，利用交流电流检测电路5采集的网侧电流以及直流电压检测电路6检测到的PWM逆变模块4输出的电压信号，计算两相静止坐标系下电网电压的积分（定义为虚拟磁链），并用于计算瞬时有功功率p和无功功率q，这样实现无需检测电网电压即可获得瞬时功率，它可以解决积分初始值选取的问题；直流电压外环采用比例积分(PI)调节方式，其输出与采集到的直流电压相乘后作为有功功率的给定，为实现单位功率因数运行，无功功率给定为零。有功功率、无功功率给定与功率计算模块的输出进行闭环调节，其输出经过坐标变换后作为两相静止坐标系下的逆变电压给定，再经过电压空间矢量调制模块获得各个功率开关管的开关信号。无需检测交流侧电网电压，通过对系统的有功、无功功率进行直接控制，即可实现系统的单位功率运行，同时具有算法相对简单，动态响应快等优点。

在控制单元9中设置相应的感应电机控制算法实现电机的速度调节控制和电机的转矩控制，电机控制算法可以是速度开环控制（如变压变频控制），也可以是速度闭环控制。若为速度闭环控制算法，采用双闭环控制结构，外环为转速环，内环为电机转矩闲环控制算法，可以是磁场定向矢量控制，直接转矩等算法。

Claims (1)

1.多处理器控制的感应电机四象限变频调速系统，它包括滤波器、PWM整流模块、滤波电容、PWM逆变模块、交流电流检测电路、直流电压检测电路、电机电流检测电路和隔离驱动电路，滤波器的交流电源输出端连接PWM整流模块的交流电源输入端和交流电流检测电路的交流电源输入端，PWM整流模块的直流电源输出端连接滤波电容的直流电源输入端，滤波电容的直流电源输出端连接PWM逆变模块的直流电源输入端和直流电压检测电路的直流电源输入端，PWM逆变模块的交流电源输出端连接电机电流检测电路的交流电源输入端；隔离驱动电路的整流驱动信号输出端连接PWM整流模块的整流控制信号输入端，隔离驱动电路的逆变驱动信号输出端连接PWM逆变模块的逆变控制信号输入端，它还包括控制单元和速度传感器，控制单元由整流控制CPU、逆变控制CPU、接口控制CPU和键盘与显示模块组成；它还包括：总线协议转换器，所述总线协议转换器由协议转换CPU、数据选择单元，PROFIBUS硬件接口电路、MODBUS硬件接口电路和CANOPEN硬件接口电路组成，其特征在于：

（1）键盘与显示模块的数据输入输出端连接接口控制CPU 的数据输出输入端，接口控制CPU的整流控制输入输出端连接整流控制CPU的控制信号输出输入端，接口控制CPU的逆变控制输入输出端连接逆变控制CPU的控制信号输出输入端，整流控制CPU的驱动信号输出端连接隔离驱动电路的整流驱动信号输入端，整流控制CPU的交流电流信号输入端连接交流电流检测电路的交流电流信号输出端，整流控制CPU的直流电压信号输入端连接直流电压检测电路的第一直流电压信号输出端；逆变控制CPU的直流电压信号输入端连接直流电压检测电路的第二直流电压信号输出端，逆变控制CPU的驱动信号输出端连接隔离驱动电路的逆变驱动信号输入端，逆变控制CPU的电流信号输入端连接电机电流检测电路的电流信号输出端，逆变控制CPU的转速信号输入端连接速度传感器的转速信号输出端；

   （2）协议转换CPU的通讯协议输入输出端连接所述接口控制CPU的通讯协议输出输入端，协议转换CPU的通讯协议输出输入端连接数据选择单元的总线数据输入输出端，数据选择单元的PROFIBUS数据输入输出端连接PROFIBUS硬件接口电路的数据输出输入端，数据选择单元的MODBUS数据输入输出端连接MODBUS硬件接口电路的数据输出输入端，数据选择单元的CANOPEN数据输入输出端连接CANOPEN硬件接口电路的数据输出输入端。

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