CN104035399A - 一种大功率变频器控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率变频器控制系统及其控制方法，解决了现有变频器的控制系统不具备模块化结构特征，通用性差和系统的抗干扰性能差以及保护响应慢的问题。本系统主要包括工业PC（3）、以太网集线器（5）、功率模块处理单元（7）、网络侧功率模块（9）、电机侧功率模块（11）和传感器（13）；工业PC（3）、功率模块处理单元（7）上的以太网通信模块（17）均通过高速屏蔽网线以星形拓扑连接至以太网集线器（5），进行基于POWERLINK总线的以太网通信。本发明的控制方法采用了上下位两种处理器，对信号进行分级处理和控制，有很好的实时性和快速响应保护功能。本发明适合用于大功率变频器控制系统中。

Description

一种大功率变频器控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制系统及其控制方法。主要实现变频器内部的工业PC与各功率模块处理单元之间，稳定可靠、高速同步和可扩展的数据通信。

背景技术

目前，变频器内部的微机控制电路部分，主要通过电路板级集成化实现。主要以中央处理器（如DSP）为核心，加上板载数据采集电路、故障保护电路、PWM信号发生电路和驱动电路、相关I/O接口、显示接口、键盘接口，以及上位机通信接口或其他外设接口组成。各电路之间通过数据线互相连接，通信数据按照一定的协议在各电路拓扑之间流转，中央处理器对各电路分别传送的数据进行汇总和分析，发送指令控制PWM信号发生电路和驱动电路。

当产品功能需要升级时，主要包括因为增加产品容量并联更多的功率模块或者需要支持新的通信总线，若基于原有的电路拓扑需要通过重新设计电路或者外加转接口的方式额外增加信号处理和控制电路，这样的改动方式的通用性和继承性差，极大的增加了研发周期。同时，如果增加过多的外接电路，过多过长的数据线在大功率应用环境下容易造成干扰问题和可靠性问题。

底层的板载数据采集电路需将采集到的传感器数据传送给中央处理器，中央处理器对采集的数据进行分析和计算，并产生PWM控制指令，通过控制线缆传输给PWM发生电路和驱动电路；当变频器功率模块发生故障时，其故障保护电路触发，需要由中央处理器对故障数据进行分析和计算后，再产生PWM切断指令、报警显示指令或其他相关保护指令，传输给PWM发生电路和驱动电路或其他接口电路，再由PWM控制线缆将PWM切断的驱动信号传输给功率模块。这套处理流程增加了故障保护的延时，最终导致功率模块的故障保护的成功率下降，从而增加了产品的故障率。

为工业控制及数据采集领域提供数据传输实时性的解决方案，开源实时通信技术Ethernet POWERLINK应运而生。开源实时通信技术Ethernet POWERLINK 是一项以标准以太网为物理层和数据链路层，CANopen为应用层的最新传输技术。标准以太网发展至今，已有快速、千兆、万兆之分。以快速以太网的100BASE-TX五类STP作物理层为例，100BASE-TX是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据，在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT1类布线标准。使用RJ45连接器，最大网段长度为100米，支持全双工的数据传输。以太网作为数据链路层，使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），防止网络上数据帧之间的冲突。但是该机制会导致数据发送的不确定性以及延迟的产生，无法满足更为苛刻的实时性要求的工业自动化应用。CANOPEN是基于应用层的CAN网络协议，在机械制造领域和自动化领域具有广泛的应用。CANOPEN有非常完善的数据交换机制，但其具有带宽低、数据效率低和节点限制的局限性。POWERLINK现场总线融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口和高可靠性，以及CANopen在工业领域良好的SDO 和PDO 数据定义。它是 IEC 国际标准，同时也是中国的国家标准。它使用了Ethernet标准网络的物理层和数据链路层，而应用层则使用了CANopen的SDO和PDO。POWERLINK 的主要性能及特点有：100Mbps传输速度；循环周期：最小100us；传输距离：100m/节点间距；支持任意网络拓扑结构：菊花链形、树形、星形、环形等；支持热插拔；冗余：支持多主冗余、双网冗余、环形冗余；M12 & RJ45连接头。

发明内容

本发明提供了一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制系统及其控制方法，解决了现有变频器的控制系统不具备模块化结构特征，通用性差和系统的抗干扰性能差以及保护响应慢的问题。

一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制系统，包括上位机、工业PC、以太网集线器、功率模块处理单元、网络侧功率模块、电机侧功率模块和传感器；上位机与工业PC是通过现场总线连接在一起；工业PC与以太网集线器是通过上位高速屏蔽网线连接在一起；以太网集线器通过下位高速屏蔽网线与功率模块处理单元中的以太网通信模块上的RJ45以太网接口连接在一起；功率模块处理单元上还设置有功率模块接口电路、中央处理器和A/D采样电路，以太网通信模块与中央处理器在电路板级上走线连接在一起，中央处理器与功率模块接口电路在电路板级上走线连接在一起，中央处理器与A/D采样电路在电路板级上走线连接在一起；功率模块接口电路通过传感器通信线缆与传感器连接在一起；功率模块接口电路通过网络侧功率模块通信线缆与网络侧功率模块连接在一起；功率模块接口电路通过电机侧功率模块通信线缆与电机侧功率模块连接在一起；在以太网通信模块上设置有配置节点。

一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制方法，其特征在于：

一、从传感器采集到的电网测量信号通过传感器通信线缆传输到功率模块处理单元中的A/D采样电路，A/D采样电路将采样数据实时送入中央处理器中进行处理，同时中央处理器将获得的采样数据处理后，通过功率模块处理单元中的以太网通信模块上的RJ45以太网接口，依次经过下位高速屏蔽网线、以太网集线器和上位高速屏蔽网线传送到工业PC；中央处理器实时获取A/D实时采样电路数据，其采样周期为1.2微秒，中央处理器对A/D实时采样电路数据进行中值滤波和平均值处理，然后将处理后的数据以0.2毫秒到2毫秒的通信周期传输到工业PC上；

二、当变频器所连接的负载出现故障时，中央处理器从A/D采样电路获取的采样数据超过了工业PC给定的阈值，中央处理器将实时的采样数据上传给工业PC，同时，中央处理器在100微妙以内发送PWM切断信号给功率模块接口电路，PWM切断信号通过网络侧功率模块通信线缆传输给网络侧功率模块，PWM切断信号通过电机侧功率模块通信线缆传输给电机侧功率模块，使网络侧功率模块和电机侧功率模块均及时停止工作。

本发明与现有技术比较，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点：

1.本发明强调微机控制电路部分单元化、模块化，各功率模块处理单元与变频器功率模块短距离连接，而与工业PC之间通过POWERLINK以太网进行长距离通信，具有很强的抗干扰能力。同时减少了中央处理器与外围电路接口的数据线数量，增强了产品的集成度和可靠性；

2.本发明基于POWERLINK以太网高速宽带的优势，主站与从站节点之间的数据得以快速、同步和稳定地交互；

3.本发明通过配置功率模块处理单元的节点号，实现工业PC与多路节点的扩展通信，所以在大功率变频器的控制方面有着很好的可移植性和兼容性。当需要增加新的功率模块时，仅仅是对POWERLINK的系统增加了新节点，整个控制系统不需要做任何改动；

4.通过合理地配置POWERLINK的拓扑结构，可以增加系统的通信冗余度，增加系统的可靠性；

5.在基于与各功率模块处理单元进行POWERLINK以太网通信的基础上，工业PC的控制负担得以减轻，工业PC可通过简单地外置模块的形式扩展更多种类的现场总线。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构示意图；

图2是本发明的功率模块处理单元7原理框图；

图3是含网络侧和电机侧的变频器结构示意图，其中，电网21输入三相电，进入变频器网络侧功率模块9，网络侧功率模块9通过直流母线20与变频器电机侧功率模块11相连，电机侧功率模块11输出接至负载22。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制系统，包括上位机1、工业PC3、以太网集线器5和传感器13；上位机1与工业PC3是通过现场总线2连接在一起；工业PC3与以太网集线器5是通过上位高速屏蔽网线4连接在一起；以太网集线器5通过下位高速屏蔽网线6与功率模块处理单元7中的以太网通信模块17上的RJ45以太网接口18连接在一起；功率模块处理单元7上还设置有功率模块接口电路14、中央处理器15和A/D采样电路16，以太网通信模块17与中央处理器15在电路板级上走线连接在一起，中央处理器15与功率模块接口电路14在电路板级上走线连接在一起，中央处理器15与A/D采样电路16在电路板级上走线连接在一起；功率模块接口电路14通过传感器通信线缆12与传感器13连接在一起；功率模块接口电路14通过网络侧功率模块通信线缆8与网络侧功率模块9连接在一起；功率模块接口电路14通过电机侧功率模块通信线缆10与电机侧功率模块11连接在一起；在以太网通信模块17上设置有配置节点19。

一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制方法，其特征在于：

一、从传感器13采集到的信号通过传感器通信线缆12传输到功率模块处理单元7中的A/D采样电路16，A/D采样电路16将采样数据实时送入中央处理器15中进行处理，同时中央处理器15将获得的采样数据处理后，通过功率模块处理单元7中的太网通信模块17上的RJ45以太网接口18，依次通过下位高速屏蔽网线6、以太网集线器5和上位高速屏蔽网线4传送到工业PC3；中央处理器15实时获取A/D实时采样电路数据，其采样周期为1.2微秒，中央处理器15对A/D实时采样电路数据进行中值滤波和平均值处理，然后将处理后的数据以0.4毫秒到2毫秒的通信周期传输到工业PC3上；

二、当变频器所连接的负载22出现故障时，中央处理器15从A/D采样电路16获取的采样数据超过了工业PC3给定的阈值，中央处理器15将实时的采样数据上传给工业PC3，同时，中央处理器15在100微妙以内发送PWM切断信号给功率模块接口电路14，PWM切断信号通过网络侧功率模块通信线缆8传输给网络侧功率模块9，PWM切断信号通过电机侧功率模块通信线缆10传输给电机侧功率模块11，使网络侧功率模块9和电机侧功率模块11均及时停止工作。

图1为本发明的拓扑结构示意图。以控制图3所示的变频器为例，本发明将微机控制电路单元化、模块化。

系统的主要运算处理以及全局通信的数据交互由工业PC3负责，工业PC3在基于POWERLINK工业以太网通信模式中设为主站。

PWM脉冲信号发生、功率模块电压和电流传感器信号监测、功率模块错误信号监测、功率模块故障保护及功率模块各状态数据的上传均由统一设计的集成化电路板，即功率模块处理单元7负责，各功率模块处理单元7在基于POWERLINK工业以太网通信模式中设为从站。

主站通过上位高速屏蔽网线4连接至以太网集线器5，从站通过下位高速屏蔽网线6连接至以太网集线器5，这种连接方式为POWERLINK通信的星形拓扑机制，相比POWERLINK通信的菊花链形拓扑，各从站收到主站的中断信号延迟误差可在30ns之内，从站间的运行可实现短延时、高同步，主站与从站之间可实现实时通信。上位高速屏蔽网线4和下位高速屏蔽网线6可选用带屏蔽层的超五类网线，100Mbps传输速度、100m传输距离内长度可订制，具有较强的抗干扰能力。

功率模块处理单元7使用网络侧功率模块通信线缆8短距离连接网络侧功率模块9，使用电机侧功率模块通信线缆10短距离连接电机侧功率模块11，避免因长距离通信导致的抗干扰能力下降。

图2为本发明的功率模块处理单元7原理框图，功率模块处理单元7的设计，采用以中央处理器15作为核心，加外围处理电路的设计方案。A/D采样电路16可实时采集外部传感器13输入的模拟信号和功率模块接口电路14输入的模拟信号，可实现多路并行高速采样，并将模拟信号转换成数字信号后送入中央处理器15进行后续处理。

功率模块处理单元7作为工业PC3的从站，设计有基于POWERLINK总线协议通信的以太网通信模块17，可对配置节点19手动配置不同的节点号，作为识别标识；预留两个RJ45以太网接口18，以连接下位高速屏蔽网线6；以太网通信模块17可将中央处理器15输出的采样结果或其他信息送往主站，可接收来自主站的相关控制指令、保护阈值并写入中央处理器15；中央处理器15接收相关指令后执行精密的PWM脉冲时序输出，网络侧PWM脉冲依次经过功率模块接口电路14和网络侧功率模块通信线缆8以驱动网络侧功率模块9，电机侧PWM脉冲依次经过功率模块接口电路14和电机侧功率模块通信线缆10以驱动电机侧功率模块11。

基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制系统的可扩展性，即体现在仅需增加一套硬件：网络侧功率模块9或电机侧功率模块11、网络侧功率模块通信线缆8或电机侧功率模块通信线缆10、功率模块处理单元7、下位高速屏蔽网线6和上位高速屏蔽网线4。物理上多占用一个以太网集线器5的网口，而软件上只需在工业PC3中进行程序更新，甚至很可能是代码复用式的更新，有效降低了开发难度和开发成本。

此外，针对上位机1的不同的现场总线2要求，工业PC3可订制多种总线接口模块，如RS232、RS485/RS422、CAN、PROFIBUS等，既方便又可靠，无需额外设计，有很好的移植性和兼容性。

Claims (2)

1.一种大功率变频器控制系统，包括上位机（1）、工业PC（3）、以太网集线器（5）、功率模块处理单元（7）、网络侧功率模块（9）、电机侧功率模块（11）和传感器（13）；上位机（1）与工业PC（3）是通过现场总线（2）连接在一起；工业PC（3）与以太网集线器（5）是通过上位高速屏蔽网线（4）连接在一起；其特征在于，以太网集线器（5）通过下位高速屏蔽网线（6）与功率模块处理单元（7）中的以太网通信模块（17）上的RJ45以太网接口（18）连接在一起；功率模块处理单元（7）上还设置有功率模块接口电路（14）、中央处理器（15）和A/D采样电路（16），以太网通信模块（17）与中央处理器（15）在电路板级上走线连接在一起，中央处理器（15）与功率模块接口电路（14）在电路板级上走线连接在一起，中央处理器（15）与A/D采样电路（16）在电路板级上走线连接在一起；功率模块接口电路（14）通过传感器通信线缆（12）与传感器（13）连接在一起；功率模块接口电路（14）通过网络侧功率模块通信线缆（8）与网络侧功率模块（9）连接在一起；功率模块接口电路（14）通过电机侧功率模块通信线缆（10）与电机侧功率模块（11）连接在一起；在以太网通信模块（170上设置有配置节点（19）。

2.一种大功率变频器控制方法，其特征在于：

一、从传感器（13）采集到的电网（21）测量信号通过传感器通信线缆（12）传输到功率模块处理单元（7）中的A/D采样电路（16），A/D采样电路（16）将采样数据实时送入中央处理器（15）中进行处理，同时中央处理器（15）将获得的采样数据处理后，通过功率模块处理单元（7）中的以太网通信模块（17）上的RJ45以太网接口（18），依次经过下位高速屏蔽网线（6）、以太网集线器（5）和上位高速屏蔽网线（4）传送到工业PC（3）；中央处理器（15）实时获取A/D实时采样电路数据，其采样周期为1.2微秒，中央处理器（15）对A/D实时采样电路数据进行中值滤波和平均值处理，然后将处理后的数据以0.2毫秒到2毫秒的通信周期传输到工业PC（3）上；

二、当变频器所连接的负载出现故障时，中央处理器（15）从A/D采样电路（16）获取的采样数据超过了工业PC（3）给定的阈值，中央处理器（15）将实时的采样数据上传给工业PC（3），同时，中央处理器（15）在100微妙以内发送PWM切断信号给功率模块接口电路（14），PWM切断信号通过网络侧功率模块通信线缆（8）传输给网络侧功率模块（9），PWM切断信号通过电机侧功率模块通信线缆（10）传输给电机侧功率模块（11），使网络侧功率模块（9）和电机侧功率模块（11）均及时停止工作。