CN103166496A - 逆变控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种逆变控制装置及方法，其中所述逆变控制装置包括逆变器主电路和用于控制所述逆变器主电路输出指定电压信号的控制器。所述控制器至少包括：浮点计算单元和控制信号生成单元。其中，所述浮点计算单元用于为所述控制信号生成单元提供浮点计算平台。所述控制信号生成单元用于依据预设调制模式输出浮点计算请求，接收浮点计算结果并依据该计算结果按照预设程序生成相应的控制电平信号。本发明采用具有浮点计算功能的控制器来实现逆变器的调制控制，控制精度高、控制性能好，且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器的调制控制技术，尤其涉及一种逆变控制装置及方法。
背景技术
目前，变频调速技术应用非常广泛，基本上都采用脉宽调制(PulseWidth Modulation，简称PWM)技术控制逆变器。根据调制方式可分为异步调制、同步调制和分段调制三种。随着技术的更新，现在开关器件频率也能达到非常高，因此一般PWM调制都采用异步调制模式。但在铁道车辆变频调速系统中，由于调速范围宽，而开关器件频率低，高速区域采用异步调制会引起逆变器三相输出电压波形不对称，增加谐波成分。为了使逆变器输出电压电流波形更接近于正弦，减少输出谐波，一般采用分段同步调制模式，在高速区采用同步调制算法。
逆变器的控制器也从单片机发展到数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)，DSP产品也日益成熟。目前，逆变器的控制器通常选用两片DSP芯片，如型号为TMS320F24x和型号为VC33的两片DSP芯片来实现对电机的分段调制控制。TMS320F24x作为主控制器，VC33主要弥补TMS320F24x不支持浮点计算的缺陷，用于计算。TMS320F24x将需要计算的数据传送到VC33，VC33完成计算后再将数据传回TMS320F24x用作控制。两片芯片之间通过通信实现数据交换。基于TMS320F24x和VC33实现对逆变器的分段调制，每一个需要计算的数据都需要来回传送两次，这样数据交换量太大，会影响控制性能，大量的通信程序也增加了程序代码量，此外两片DSP也增加了生产成本。或者逆变器的控制器选用主频较高的TMS320F280x或TMS320F2812型的DSP芯片来实现对电机的分段调制控制。这类DSP芯片不支持浮点计算，但其主频较高，为提高实时性，可采用Q格式的定点运算来实现算法。而采用Q格式的定点运算有误差，影响控制精度；此外，Q格式也会使程序代码量大大增加。其中Q格式就是将一个小数放大若干倍后用整数来表示小数。
发明内容
本发明提供一种逆变控制装置及方法，以提高控制性能。
本发明一方面提供一种逆变控制装置，包括：逆变器主电路和用于控制所述逆变器主电路输出指定电压信号的控制器；所述控制器至少包括：浮点计算单元和控制信号生成单元；其中，
所述浮点计算单元，用于为所述控制信号生成单元提供浮点计算平台；
所述控制信号生成单元，用于依据预设调制模式输出浮点计算请求，接收浮点计算结果并依据该计算结果按照预设程序输出相应的控制电平信号。
本发明的另一个方面是提供一种逆变控制方法，包括：
控制信号生成单元依据预设调制模式输出浮点计算请求；
浮点计算单元依据浮点计算请求计算并得出计算结果；
所述控制信号生成单元依据计算结果按照预设程序输出相应的控制电平信号。
本发明一个方面的技术效果是：本发明通过采用具有浮点计算功能的控制器来实现逆变器的调制控制，简化了调制控制电路的结构，提高了控制精度和控制性能。
本发明另一个方面的技术效果是：本发明所述逆变控制方法实现步骤简单，且控制效率高，性能好。
附图说明
图1为本发明提供的逆变控制装置的实施例一的结构示意图；
图2为本发明提供的逆变控制装置的实施例二的结构示意图；
图3为本发明提供的逆变控制方法的实施例一的流程示意图；
图4为采用本发明提供的逆变控制装置实施例实现分段调制控制的异步调制段或15分频段的U相调制波形图；
图5为采用本发明提供的逆变控制装置实施例实现分段调制控制的7分频段调制波形图；
图6为采用本发明提供的逆变控制装置实施例实现分段调制控制的3分频段调制波形图；
图7为采用本发明提供的逆变控制装置实施例实现分段调制控制的方波段调制波形图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的逆变控制装置的第一个实施例。本实施例包括：逆变器主电路1和用于控制所述逆变器主电路1输出指定电压信号的控制器2。所述控制器2输出控制电平信号以控制逆变器主电路中各相应开关器件的通断，实现所述逆变器主电路1向负载6输出指定的电压信号。所述控制器2至少包括：浮点计算单元202和控制信号生成单元201。其中，所述浮点计算单元202用于为所述控制信号生成单元201提供浮点计算平台。所述控制信号生成单元201执行预设程序输出相应的控制电平信号，在程序执行过程中依据需求调用所述浮点计算单元完成相应的计算。其中所述的预设程序可以选用现有的采用计算法实现PWM控制的算法程序，具体的可以基于面积等效原理来得出PWM控制信号的各脉冲宽度。计算法的基本原理是：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数准确计算得出PWM控制信号各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变器主电路中各相应开关器件的通断。本实施例中所述的控制器2可选具有浮点计算的DSP芯片，该DSP芯片具体可以是TMS320F28335型DSP芯片或其他具有同样功能的芯片。本实施例采用具有浮点计算功能的控制器来实现逆变器的调制控制，较现有逆变器调制控制电路，简化了调制控制电路的结构，提高了控制精度和控制性能。
如图2所示，为能实现对逆变器的分段调制控制，使得逆变器输出电压电流波形更接近于正弦，减少输出谐波，本发明提供逆变控制装置的第二个实施例。本实施例用一系列等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，基于SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)算法计算出各脉冲的宽度和间隔，然后基于脉冲宽度得出比较值并把比较值存于控制器中，最后通过比较对输出的信号进行复位或翻转最终生成控制电平信号，通过该控制电平信号来控制逆变器主电路中各相应开关器件的通断，以达到预期的目的。本实施例二基于第一个实施例，不同之处在于，本实施例中所述的控制信号生成单元201包括：计数器3、比较寄存器5、计数器比较模块4、控制模块8和动作限定模块9。所述计数器3的计数值输出端分别与所述计数器比较模块4的计数输入端和控制模块8的计数监测端通信连接。所述控制模块8与所述浮点计算单元202通信连接。所述比较寄存器5与所述控制模块8通信连接。所述控制模块8的控制指令输出端与所述动作限定模块9的控制输入端相连。其中，所述计数器3用于依据预设计数方式计数并输出计数值。所述比较寄存器5用于存储经浮点计算得出的比较值，所述比较值根据脉冲宽度值计算得到，确切地说比较值是用于确定所述控制信号生成单元输出的控制电平信号占空比的值。所述计数器比较模块4用于实时比较所述计数器3输出的计数值和所述比较寄存器5中的比较值，当所述计数值等于所述比较值时输出指令信息至所述控制模块8。所述控制模块8，包括计算控制子模块802和电平输出控制子模块801。其中，所述计算控制子模块802用于依据预设调制模式输出浮点计算请求，接收浮点计算结果并将结果输出至所述比较寄存器5。所述电平输出控制子模块801用于按照预设程序输出电平控制指令，当接收到所述指令信息时输出翻转控制指令，实时监测所述计数器3输出的计数值，当计数值等于预设值时输出复位控制指令。所述动作限定模块9用于依据接收的所述电平控制指令输出相应的电平信号；依据接收的所述复位控制指令输出初始电平信号；以及依据接收的所述翻转控制指令输出将前一时刻电平信号翻转后的电平信号。本实施例中所述的各电平信号为高电平信号或低电平信号。
本发明提供的逆变控制装置的第三个实施例。本实施例基于第二个实施例，所述控制模块还包括强制设置控制子模块。该强制设置控制子模块用于接收设置指令，并依据该设置指令输出强制控制信号，以使所述动作限定模块输出连续强制电平信号。其中，所述设置指令可以是所述控制模块内部执行的程序指令，也可以是用户经人机界面或外界设备经通信接口输入至所述强制设置控制子模块的设置指令信号。本实施例通过设置强制设置控制子模块，可使本发明所述的逆变控制装置具有强制设置功能，在必要时可通过本强制设置控制子模块对动作限定模块的输出进行强制设置，以使所述动作限定模块输出连续强制高电平信号或低电平信号。
上述各实施例中，所述计数器用于依据预设计数方式计数并输出计数值。其中，所述预设计数方式为增计数方式、减计数方式和增减计数方式。各计数方式的计数周期值可依据需求设置。若所述预设计数方式为增计数方式时，计数器会从0开始计数至计数周期值后会重新复位为0。若所述预设计数方式为减计数方式时，计数器会从计数周期值降到0后再重新复位到计数周期值。若所述预设计数方式为增减计数方式时，计数器会从0开始计数至计数周期值，再从计数周期值降到0，如此循环。若设定计数器工作于增减计数方式，则在增计数和减计数期间各有一次计数值与比较寄存器中的比较值匹配。另外，上述各实施例中所述的调制模式可以是异步调制模式、15分频调制模式、7分频调制模式、3分频调制模式或方波调制模式等等。
如图3所示，本发明实施例一提供的逆变控制方法的流程示意图。本实施例所述方法由上述任一实施例中所述的逆变控制装置来实现，包括如下步骤：
步骤1、控制信号生成单元依据预设调制模式输出浮点计算请求；
步骤2、浮点计算单元依据浮点计算请求计算并得出计算结果；
步骤3、所述控制信号生成单元依据计算结果按照预设程序输出相应的控制电平信号。
本实施例所述逆变控制方法实现步骤简单，且控制效率高，性能好。
进一步地，为基于等效面积法原理得出PWM信号，本发明提供基于上述实施例一的第二个实施例，该实施例所述方法可采用上述逆变控制装置的第二个实施例来实现。本实施例将实施例一中步骤3具体为如下步骤：
步骤301、计数器依据预设计数方式计数并输出计数值；
步骤302、控制模块接收浮点计算结果并将计算结果输出至所述比较寄存器；
步骤303、所述比较寄存器存储经浮点计算得出的比较值，其中，所述比较值根据脉冲宽度值计算得到；
步骤304、计数器比较模块实时比较所述计数值和所述比较值，当所述计数值等于所述比较值时输出指令信息至控制模块；
步骤305、所述控制模块按照预设程序输出电平控制指令，当接收到所述指令信息时输出翻转控制指令；并实时监测所述计数器输出的计数值，当计数值等于预设值时输出复位控制指令；
步骤306、动作限定模块依据接收的所述电平控制指令输出相应的电平信号；依据接收的所述复位控制指令输出初始电平信号；以及依据接收的所述翻转控制指令输出将前一时刻电平信号翻转后的电平信号。
其中，上述步骤中所述的电平信号为高电平信号或低电平信号。
更进一步地，上述实施例二中步骤3还包括：
步骤307、所述控制模块接收设置指令，并依据该设置指令输出强制控制信号；
步骤308、所述动作限定模块接收到所述强制控制信号后输出连续强制电平信号；
其中，所述的连续强制电平信号为连续强制高电平信号或连续强制低电平信号。
增加本实施例中所述的步骤307和步骤308后，使得本实施例所述的逆变控制方法具有强制方式，在必要时可依据设置指令强制动作限定模块输出连续强制电平信号。
其中，上述各实施例中所述的调制模式可以为异步调制模式、15分频调制模式、7分频调制模式、3分频调制模式或方波调制模式等等。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
下面结合一具体应用实例对本发明所述的逆变控制装置的工作原理以及基于所述逆变控制装置实现的逆变控制方法作进一步说明。
本应用实例采用TMS320F28335型DSP芯片作为控制器，控制机车的逆变器使其输出指定的电压信号以达到调速的目的。本应用实例采用异步调制与分段同步调制相结合的调制控制方式，同时为防止在载波比进行切换时电压突变过大，将机车整个变频范围分为异步调制段、15分频段、7分频段、3分频段和方波段。由于方波段相邻两脉冲的间距很大，本实例不直接进入方波调制，先进入3分频后再切入到方波。其中，所述15分频段为载波比为15的频段，所述7分频段为载波比为7的频段，所述3分频段为载波比为3的频段，所述方波为载波比为1的频段。所述载波比等于载波频率除于调制波频率。本实例基于SVPWM算法计算并生成控制电平信号。这里不需要实际的载波，只需要载波周期就行。
本实例是通过DSP芯片来实现分段调制的。主要表现为：通过动作限定模块中的连续强制方式实现连续输出高电平或低电平，该连续强制方式也可以根据需要选择取消。所述动作限定模块实时监测计数器，当计数器的计数值等于0即预设值时将电平信号复位输出初始电平信号。当计算器比较子模块比较得出计数器输出的计数值等于比较寄存器中的比较值时，动作限定模块将当前输出电平翻转。通过上述表现方式即可实现占空比0-100％的脉宽调制。其中比较值的更新应和周期值的更新始终保持一致，周期值为载波周期的一半。
如图2所示，本实例中逆变器有6个桥臂，这6个桥臂的控制电平信号选用3组互补模式的调制波，即PWM信号，因此只需设置三相上桥臂的PWM信号的发生方式，三相下桥臂的PWM信号与其对应的上桥臂互补，即上桥臂开关器件导通时其对应的下桥臂开关器件截止。下面分别对各频段的PWM信号的具体实例和该实例的生成过程作详细说明，如图4至图7所示。
异步调制段，如图4所示，图中只示出了一U相上桥臂的PWM信号，其它V和W相PWM信号根据相邻两相PWM信号相差120°类推可以得到。异步调制段：载波频率不变，调制波频率变化，其载波比发生变化。假设计数器初始值t1为0时动作限定模块输出低电平；当计数值等于比较值时，动作限定模块设置输出电平发生翻转，即图中t2时刻输出高电平，当计数器再次等于比较值时动作限定模块设置再次翻转电平，输出图中t3时刻的低电平，依次生成即形成如图4中所示的异步调制段的调制波波形7。
15分频段：如图4所示，每个信号波周期分为15个区段进行调制，每个区段与异步调制段里每一个载波周期的调制方法相同。
7分频段：如图5所示，每个调制波周期分为18个区段进行调制，每3个区段为同一种PWM输出方式。U相：1-3区段控制模块依据设置指令输出强制设置控制信号，以设置动作限定模块强制输出高电平；4-6区段当计数器的计数值为0时，动作限定模块设置输出初始电平即高电平。当计数器的计数值等于比较值时，动作限定模块设置电平翻转为低电平；7-9区段在控制指令的驱动下动作限定模块设置强制输出高电平；10-12区段在控制指令的驱动下动作限定模块设置强制输出低电平，13-15区段当计数器的计数值为0时，动作限定模块设置输出初始电平即低电平。当计数器的计数值等于比较值时，动作限定模块设置电平翻转为高电平；16-18区段在控制指令的驱动下动作限定模块设置强制输出低电平。如图中所示V相、W相和U相两相邻两相之间的相差120°，V相和W相可依据相位差推导出来。
3分频段：如图6所示，每个信号波周期分为6个区段进行调制。U相：1区段在控制模块的驱动下动作限定模块设置强制输出高电平；2区段当计数器的计数值为0时，动作限定模块设置输出初始电平即高电平。当计数器的计数值等于比较值时，动作限定模块设置电平翻转为低电平；3区段在控制模块的驱动下动作限定模块设置强制输出高电平；4区段在控制模块的驱动下动作限定模块设置强制输出低电平；5区段当计数器的计数值为0时，动作限定模块设置输出初始电平即低电平；当计数器的计数值等于比较值时，动作限定模块设置电平翻转为高电平；6区段在控制模块的驱动下动作限定模块设置强制输出低电平。同理，V相和W相可依据120°相位差推导出来。
方波段：如图7所示，每个信号波周期分为6区段，高低电平各3区段。前3区段在控制模块的驱动下动作限定模块设置强制输出高电平；后3区段在控制模块的驱动下动作限定模块设置强制输出低电平。同理，V相和W相可依据120°相位差推导出来。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种逆变控制装置，其特征在于，包括：逆变器主电路和用于控制所述逆变器主电路输出指定电压信号的控制器；所述控制器至少包括：浮点计算单元和控制信号生成单元；其中，
所述浮点计算单元，用于为所述控制信号生成单元提供浮点计算平台；
所述控制信号生成单元，用于依据预设调制模式输出浮点计算请求，接收浮点计算结果并依据该计算结果按照预设程序输出相应的控制电平信号。
2.根据权利要求1所述的逆变控制装置，其特征在于，所述的控制信号生成单元包括计数器、比较寄存器、计数器比较模块、控制模块和动作限定模块；其中，
所述计数器，用于依据预设计数方式计数并输出计数值；
所述比较寄存器，用于存储经浮点计算得出的比较值，其中，所述比较值根据脉冲宽度值计算得到；
所述计数器比较模块，用于实时比较所述计数器输出的计数值和所述比较寄存器中的比较值，当所述计数值等于所述比较值时输出指令信息至所述控制模块；
所述控制模块，包括计算控制子模块和电平输出控制子模块，其中，所述计算控制子模块用于依据预设调制模式输出浮点计算请求，接收浮点计算结果并将结果输出至所述比较寄存器；所述电平输出控制子模块用于按照预设程序输出电平控制指令，当接收到所述指令信息时输出翻转控制指令，实时监测所述计数器输出的计数值，当计数值等于预设值时输出复位控制指令；
所述动作限定模块，用于依据接收的所述电平控制指令输出相应的电平信号；依据接收的所述复位控制指令输出初始电平信号；以及依据接收的所述翻转控制指令输出将前一时刻电平信号翻转后的电平信号；
其中，所述电平信号为高电平信号或低电平信号。
3.根据权利要求2所述的逆变控制装置，其特征在于，所述控制模块还包括强制设置控制子模块，该强制设置控制子模块用于接收设置指令，并依据该设置指令输出强制控制信号，以使所述动作限定模块输出连续强制电平信号。
4.根据权利要求2所述的逆变控制装置，其特征在于，所述预设计数方式为增计数方式、减计数方式或增减计数方式。
5.根据权利要求1或2所述的逆变控制装置，其特征在于，所述预设调制模式为异步调制模式、15分频调制模式、7分频调制模式、3分频调制模式或方波调制模式。
6.一种逆变控制方法，其特征在于，包括：
控制信号生成单元依据预设调制模式输出浮点计算请求；
浮点计算单元依据浮点计算请求计算并得出计算结果；
所述控制信号生成单元依据计算结果按照预设程序输出相应的控制电平信号。
7.根据权利要求6所述的逆变控制方法，其特征在于，所述控制信号生成单元依据计算结果按照预设程序输出相应的控制电平信号，包括：
计数器依据预设计数方式计数并输出计数值；
控制模块接收浮点计算结果并将计算结果输出至所述比较寄存器；
所述比较寄存器存储经浮点计算得出的比较值，其中，所述比较值根据脉冲宽度值计算得到；
计数器比较模块实时比较所述计数值和所述比较值，当所述计数值等于所述比较值时输出指令信息至控制模块；
所述控制模块按照预设程序输出电平控制指令，当接收到所述指令信息时输出翻转控制指令；并实时监测所述计数器输出的计数值，当计数值等于预设值时输出复位控制指令；
动作限定模块依据接收的所述电平控制指令输出相应的电平信号；依据接收的所述复位控制指令输出初始电平信号；以及依据接收的所述翻转控制指令输出将前一时刻电平信号翻转后的电平信号；
其中，所述电平信号为高电平信号或低电平信号。
8.根据权利要求7所述的逆变控制方法，其特征在于，所述控制信号生成单元依据计算结果按照预设程序输出相应的控制电平信号，还包括：
所述控制模块接收外设置指令，并依据该设置指令输出强制控制信号；
所述动作限定模块接收到所述强制控制信号后输出连续强制电平信号；
其中，所述的连续强制电平信号为连续强制高电平信号或连续强制低电平信号。
9.根据权利要求7所述的逆变控制方法，其特征在于，所述预设计数方式为增计数方式、减计数方式或增减计数方式。
10.根据权利要求6或7所述的逆变控制方法，其特征在于，所述预设调制模式为异步调制模式、15分频调制模式、7分频调制模式、3分频调制模式或方波调制模式。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHINA CNR CORPORATION LIMITED Free format text: FORMER OWNER: DALIAN ELECTRIC TRACTION RESEARCH + DEVELOPMENT CENTER OF CHINA NORTH LOCOMOTIVE CO.,LTD. Effective date: 20140401 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 116022 DALIAN, LIAONING PROVINCE TO: 100078 FENGTAI, BEIJING |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140401 Address after: 100078 Beijing Fengtai District city park is a district 15 building Applicant after: China CNR Corporation Limited Address before: 116022 Shahekou, Liaoning, China No. 51 The Strip Applicant before: Dalian Electric Traction Research & Development Center of China North Locomotive Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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