CN106292478B - 一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，属于电力电子及交流传动技术领域。所述的控制系统由一个基于VME总线的21槽机箱构成，所有的板卡均为标准6U板卡，统一插在所述21槽机箱的插槽中；21槽机箱内基于VME总线的板卡有：CPU板、Profibus DP接口板、DSP板1、DSP板2、DSP板3、码盘接口板和反射内存板。本发明的控制系统功能完善，集逻辑控制功能、数据通信功能、交交变频矢量控制算法功能、保护功能以及检测功能于一体，具有响应快速，控制精确的特点，运行可靠，效果好。

Description

一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统

技术领域

本发明属于电力电子及交流传动技术领域，特别是一种基于Profibus(过程现场总线)和反射内存网的大功率交交变频控制系统。

背景技术

大功率交交变频器无直流环节，采用晶闸管作为开关器件，并具有主回路结构简单、可四象限运行、效率较高、工作稳定可靠的特点，已经广泛应用于轧机主传动、矿井提升、卷扬机、球磨机等大功率低转速调速场合。大功率交交变频技术的关键是要具备一个功能完善、可实现精确控制的控制系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，该控制系统功能完善，集逻辑控制功能、数据通信功能、交交变频矢量控制算法功能、保护功能以及检测功能于一体。

所述的基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，由一个基于VME总线的21槽机箱构成，所有的板卡均为标准6U板卡，统一插在所述21槽机箱的插槽中。21槽机箱内基于VME总线的板卡有：CPU板、Profibus DP接口板、DSP板1、DSP板2、DSP板3、码盘接口板和反射内存板。

所述的CPU板集成了嵌入式操作系统Vxworks，内置奔腾M处理器，主频2.4G，内存128M，并配置一块最大2G的CF存储卡，用于存储Vxworks操作系统和应用程序。CPU板实现了大功率交交变频器的逻辑控制功能，即交交变频器的上电过程、下电过程和故障处理过程；实现了交交变频器的数据通信功能，即实现了交交变频控制系统与上位机的数据通信，及其与下位机众多外部辅助设备的数据通信；还实现了对交交变频器的保护功能。

所述的Profibus DP接口板实现了交交变频控制系统与众多不同厂商的外部辅助设备之间进行数据通信的功能。采用基于Profibus DP现场总线协议的数据通信方法，可使众多不同厂商的设备进行统一组态，便于灵活控制，数据传输准确、可靠性高、抗干扰能力强。

所述的DSP板1、DSP板2和DSP板3均采用DSP 28335芯片作为主控制芯片，分别实现了A、B、C三相实际电流检测功能和交交变频矢量控制算法中A、B、C三相电流环闭环、无环流逻辑、晶闸管触发脉冲生成的功能。

所述的码盘接口板采用FPGA芯片作为主控制芯片，实现了采集同步电机转子位置的功能。

所述的反射内存板实现了交交变频控制系统与上位机控制系统的数据通信功能，从而最终实现了上位机控制系统通过交交变频控制系统，对众多外部辅助设备控制、监测的功能。此外，由于采用反射内存网通信，数据传输的速度非常快，可达174M字节/秒，从而可传输关键的系统数据，如实时性要求很高的系统故障数据、参与矢量闭环控制的转速、励磁电流、电压实际值等，因此，上位机控制系统还实现了矢量控制中的速度闭环、转矩控制等功能。最后，反射内存网通信还具有数据传输距离远、可靠性高的特点，可实现上位机控制系统的远程控制。

本发明相比于现有技术，其优点在于：

1、本发明通过抗干扰能力强的Profibus DP现场总线通信和快速实时性的反射内存网通信，实现了上位机控制系统与大功率交交变频控制系统的数据通信，从而最终达到上位机控制系统监测和控制下位机外部辅助设备的目的。

2、本发明的提供了一个功能完善的全数字化的大功率交交变频控制系统，集逻辑控制功能、数据通信功能、交交变频矢量控制算法功能、保护功能以及检测功能于一体，具有响应快速，控制精确的特点，运行可靠，效果好。

附图说明

图1为本发明的基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，如图1所示，所述的控制系统是由CPU板、Profibus DP接口板、DSP板1、DSP板2、DSP板3、码盘接口板和反射内存板组成。

对于Profibus DP网络通信，大功率交交变频控制系统作为数据通信主站，从站包括：PLC工作站(从站1)、输入高压开关柜(从站2)、输出高压开关柜(从站3)、水冷却系统(从站4)和触摸屏(从站5)，每个从站的地址不同避免读写冲突，传输介质为Profibus DP电缆，抗干扰能力强。要实现Profibus DP网络通信，首先，将主站和所有从站的GSD文件在Profibus DP接口板中进行硬件组态，然后将组态文件用串口电缆烧写到Profibus DP接口板中。大功率交交变频控制系统作为Profibus DP通信主站，地址为0；PLC工作站作为Profibus DP通信从站，地址为1；PLC工作站用于实现同步电机励磁电流给定控制和采集实际励磁电流；输入高压开关柜作为Profibus DP通信从站，地址为2，输入高压开关柜柜内的断路器、接地开关等器件需要远程控制并与交交变频器进行联锁保护；输出高压开关柜作为Profibus DP通信从站，地址为3，输出高压开关柜柜内的断路器、接地开关等器件需要远程控制和与交交变频器进行联锁保护；水冷却系统也作为一个Profibus DP从站，地址为4，大功率交交变频器结构上采用水冷方式，要对水冷却系统的主要参数和运行状态进行监控，如电导率、温度等参数，并在水冷却系统发生故障时能及时处理，因此，水冷却系统也需要联网控制。触摸屏作为一个Profibus DP从站，地址5，可以通过触摸屏观察系统运行的状态信息，监控系统的故障信息，还可以设置关键参数和指令，触摸屏与大功率交交变频控制系统也需要联网控制。通过上述的Profibus DP网络通信实现了大功率交交变频控制系统对各个辅助设备的远程管理、监控的功能。

对于反射内存网络通信，数据传输实时性好、传输距离远。上位机控制系统也是一个基于VME总线的数字系统，也具备反射内存接口。上位机控制系统与大功率交交变频控制系统距离较远，它们之间(两个反射内存板之间)通过两根光纤相连接，一根光纤发送数据，一根光纤接收数据。在通过反射内存板进行数据通信时，首先在上位机控制系统的CPU板中设置一块读数据区，再设置一块写数据区，读数据区与写数据区的地址范围严格分开。其次，上位机控制系统与大功率交交变频控制系统之间的数据通信设定一个握手信号。即当上位机控制系统写入数据到大功率交交变频控制系统中时，先将握手信号置1，写完全部数据之后，再将该握手信号清0；当上位机控制系统从大功率交交变频控制系统读取数据的时候，先判断握手信号是否为0，如果为0，表示可以进行读操作，如果为1，表示写操作还在进行，不能进行读操作。最后，通过上述不同地址范围的数据区和握手信号的设置，避免了数据读写冲突发生。上位机控制系统不仅可以与大功率交交变频控制系统实时交互系统关键的参数，例如接收来自大功率交交变频控制系统的用于速度、转矩闭环矢量控制的速度实际值、励磁电流实际值等，以及输出电流过流、脉冲错误、电机堵转、通信故障、急停等关键故障信号，还可以向大功率交交变频控制系统发出速度给定、电机定位等关键指令，并可设置电机调速的加速时间、减速时间，及速度调节器的比例系数和时间常数、限幅值等等，通过观察同步电机的运行状态随时调整参数值。

通过上述Profibus DP和反射内存板联网控制之后，实现了以大功率交交变频控制系统为传输介质，上位机控制系统控制和监测各个从站辅助设备的功能。大功率交交变频控制系统通过Profibus DP网采集所有从站辅助设备的所有参数，再通过反射内存板上传到上位机控制系统；上位机控制系统的所有指令通过反射内存板发送给大功率交交变频控制系统，再由大功率交交变频控制系统通过Profibus DP网发送给各个从站。上位机控制系统可以观察各个从站的运行状态，及时掌握各个从站故障信息并加以处理。

基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统中的DSP板采用TI公司的28335作为主控芯片。DSP板1、DSP板2、DSP板3分别实现了交交变频矢量控制算法中的A、B、C三相交流电流环控制、无环流逻辑、晶闸管脉冲生成等功能。三块DSP板与CPU板之间通过双口RAM方式通信，三块DSP板的硬件地址不同，DSP板1的硬件地址为200h，DSP板2的硬件地址为400h，DSP板3的硬件地址为600h，三块DSP板的数据区也划分不同范围，DSP板1的读写数据区范围为0h到0x1ffh，DSP板2的读写数据区范围为0x201h到0x3ffh，DSP板3的数据区范围为0x401h到0x5ffh，通过上述地址设置和读写数据区的划分，有效避免了各个DSP板进行数据通信时的读写冲突。DSP板1采集A相输出电流实际值，先通过A相交流电流环闭环控制，再通过无环流逻辑环节，生成A相触发脉冲，将此脉冲送入A相移相触发板；DSP板2采集B相输出电流实际值，先通过B相交流电流环闭环控制，再通过无环流逻辑环节，生成B相触发脉冲，将此脉冲送入B相移相触发板；DSP板3采集C相输出电流实际值，先通过C相交流电流环闭环控制，再通过无环流逻辑环节，生成C相触发脉冲，将此脉冲送入C相移相触发板；A相移相触发板、B相移相触发板以及C相移相触发板输出的触发脉冲直接控制交交变频的主回路开关器件晶闸管。

基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统中的码盘接口板的控制芯片选用FPGA。交交变频同步电机的轴上安装了一个绝对值码盘，将绝对值码盘输出的时钟信号CLK+、CLK-和数据信号DATA+、DATA-接入码盘接口板，由码盘接口板通过解析时钟信号和数据信号，计算得出交交变频同步电机旋转一周所发出的脉冲个数，再考虑电机极对数等条件，最终计算出交交变频同步电机的转子位置机械角度，再转换成转子位置电角度，将转子位置电角度送入CPU板，再由CPU板通过反射内存板上传到上位机控制系统，用于旋转变换、电流模型等交交变频矢量控制算法中。

Claims (4)

1.一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，其特征在于：所述的控制系统由插在21槽机箱内基于VME总线的板卡组成，所述板卡包括CPU板、Profibus DP接口板、DSP板1、DSP板2、DSP板3、码盘接口板和反射内存板；

所述的Profibus DP接口板通过Profibus DP电缆与从站通信；

所述的反射内存板与上位机控制系统中的相应反射内存板之间通过两根光纤相连接，一根光纤发送数据，一根光纤接收数据；

所述的码盘接口板用于接收安装在交交变频同步电机的轴上的绝对值码盘的输出时钟信号和数据信号，由码盘接口板通过解析时钟信号和数据信号，计算得出交交变频同步电机旋转一周所发出的脉冲个数，最终计算出交交变频同步电机的转子位置机械角度，再转换成转子位置电角度，将转子位置电角度送入CPU板，再由CPU板通过反射内存板上传到上位机控制系统；

DSP板1、DSP板2、DSP板3分别与CPU板之间通过双口RAM方式通信，DSP板1的硬件地址为200h，DSP板2的硬件地址为400h，DSP板3的硬件地址为600h，DSP板1的读写数据区范围为0h到0x1ffh，DSP板2的读写数据区范围为0x201h到0x3ffh，DSP板3的数据区范围为0x401h到0x5ffh；DSP板1采集A相输出电流实际值，先通过A相交流电流环闭环控制，再通过无环流逻辑环节，生成A相触发脉冲，将此脉冲送入A相移相触发板；DSP板2采集B相输出电流实际值，先通过B相交流电流环闭环控制，再通过无环流逻辑环节，生成B相触发脉冲，将此脉冲送入B相移相触发板；DSP板3采集C相输出电流实际值，先通过C相交流电流环闭环控制，再通过无环流逻辑环节，生成C相触发脉冲，将此脉冲送入C相移相触发板；A相移相触发板、B相移相触发板以及C相移相触发板输出的触发脉冲直接控制交交变频的主回路开关器件晶闸管；所述的从站包括：PLC工作站、输入高压开关柜、输出高压开关柜、水冷却系统和触摸屏，要实现Profibus DP网络通信，首先，将主站和所有从站的GSD文件在Profibus DP接口板中进行硬件组态，然后将组态文件用串口电缆烧写到Profibus DP接口板中；大功率交交变频控制系统作为Profibus DP通信主站，地址为0；PLC工作站作为Profibus DP通信从站，地址为1；PLC工作站用于实现同步电机励磁电流给定控制和采集实际励磁电流；输入高压开关柜作为Profibus DP通信从站，地址为2，输入高压开关柜柜内的断路器、接地开关器件由主站远程控制并与交交变频器进行联锁保护；输出高压开关柜作为Profibus DP通信从站，地址为3，输出高压开关柜柜内的断路器、接地开关器件由主站远程控制并与交交变频器进行联锁保护；水冷却系统也作为一个Profibus DP从站，地址为4，大功率交交变频器结构上采用水冷方式，要对水冷却系统的参数和运行状态进行监控，并在水冷却系统发生故障时能及时处理；触摸屏作为一个Profibus DP从站，地址为 5，通过触摸屏观察系统运行的状态信息，监控系统的故障信息，还设置关键参数和指令。

2.根据权利要求1所述的一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，其特征在于：所述的CPU板集成了嵌入式操作系统Vxworks，内置奔腾M处理器，主频2.4G，内存128M，并配置一块最大2G的CF存储卡，用于存储Vxworks操作系统和应用程序。

3.根据权利要求1所述的一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，其特征在于：所述的DSP板1、DSP板2和DSP板3均采用DSP 28335芯片；所述的码盘接口板采用FPGA芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于Profibus和反射内存网的大功率交交变频控制系统，其特征在于：所述的上位机控制系统包括CPU板和反射内存板，所述的CPU板中设置一块读数据区，再设置一块写数据区，读数据区与写数据区的地址范围严格分开；上位机控制系统与大功率交交变频控制系统之间的数据通信设定一个握手信号。