CN110943652A - 一种多电机机群系统驱动控制装置、方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种多电机机群系统驱动控制装置、方法及系统，包括多电机综合控制单元、多个电机控制单元及与多个电机控制单元相对应的变频驱动器；其中，所述多个电机控制单元中，一个设为主电机控制单元，余下设为从电机控制单元；所述多电机综合控制单元与多个电机控制单元通过两组光纤串联连接，所述多个电机控制单元与其变频驱动器连接，所述变频驱动器输出至电机。通过多电机综合控制单元对多电机机群系统统一管理，提高了多电机机群系统的自动控制水平。
Description
技术领域
本申请涉及驱动控制技术领域，尤其涉及一种多电机机群系统驱动控制装置、方法及系统。
背景技术
多电机机群变频驱动装置广泛应用于工业场合，如钢长轧钢生产线、煤矿皮带运输设备、大功率提升设备等。由于多电机机群设备较多，因此对于多电机驱动控制的安全性，可靠性及自动化水平提出了严格的应用要求。
现有技术中，对多电机机群的控制手段较简单，多采用依靠负载自主平衡的方式对多电机系统进行控制，即电机控制源头的干预较少，常见的有皮带机设备依靠皮带的软连接方式进行多电机的自主功率均衡及速度差的协调。近些年随着液力耦合器，磁力耦合器的出现，多电机机群的控制水平有了提升，但是仍然是通过传动装置进行干预，非驱动力的源头—电机端进行干预。
随着变频技术的发展，电机的控制水平有了大幅的进步，利用变频驱动技术实现多电机机群间的力矩平衡，提高通信的速率，改善多电机机群系统的自动化水平是目前亟需解决的问题。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供一种多电机机群系统驱动控制装置、方法及系统，通过电机控制单元、变频驱动器控制各电机运行，实现多电机机群的变频驱动控制。
本发明提供了一种多电机机群系统驱动控制装置，该装置包括多电机综合控制单元、多个电机控制单元及与多个电机控制单元相对应的变频驱动器；其中，
所述多个电机控制单元中，一个设为主电机控制单元，余下设为从电机控制单元；
所述从电机控制单元用于接收主电机控制单元的控制指令，控制从电机的变频驱动器输出电机运行所需的电压、电流；
所述主电机控制单元用于控制主电机变频驱动器输出电机运行所需的电压、电流，同时用于对多电机综合控制单元的信息进行传输和控制指令下发；
所述多电机综合控制单元用于综合控制多个电机控制单元；
所述变频驱动器用于输出电压及电流，驱动电机设备按照指令速度运行；
所述多电机综合控制单元与多个电机控制单元通过两组光纤串联连接，所述多个电机控制单元与其变频驱动器连接，所述变频驱动器输出至电机。
优选的，所述变频驱动器包括进线滤波单元、整流单元、直流滤波单元、逆变单元及输出滤波单元，其中，所述进线滤波单元用于对交流电流进行滤波、实现能量缓存；
所述整流单元用于交直流变换，提供稳定直流电压、控制能量双向流动 、控制网侧功率因数；
所述直流滤波单元用于直流电压滤波、无功能量缓存、隔离整流逆变；
所述逆变单元用于交直流变换、驱动电机平滑调速、全速范围内提供输出转矩；
所述输出滤波单元用于对交流输出电压电流滤波、消除变频器共模电压；
进线滤波单元进线端与变频驱动器三相进线电源连接，经过进线滤波单元交流滤波后其与整流单元连接，整流单元连接三线进线滤波单元的输出端，经过整流后与直流滤波单元相连，经过直流滤波单元滤波后与逆变单元连接，逆变单元将直流电源变换成交流电流，经过输出滤波单元滤波后，输出至电机。
优选的，所述电机控制单元包括通信光纤收发电路，FPGA通信控制芯片，DSP电机矢量控制芯片，变频驱动器信息采集电路及PWM脉冲收发电路；
所述通信光纤收发电路用于接收和发送信息；
所述FPGA通信控制芯片用于控制通信光纤收发电路，实现高速光纤通信；
所述DSP电机矢量控制芯片用于实现电机矢量控制；
所述变频驱动器信息采集电路用于采集变频器进线电压、电流，直流滤波单元电压，输出电流，并将采集的模拟量转换成数字量，传至DSP电机矢量控制芯片；
所述PWM脉冲收发电路用于将电机矢量控制生成的脉冲信号通过光纤发送至电力电子器件的门级，并接收电力电子器件的返回状态信息；
所述通信光纤收发电路通过光纤与电机控制单元组网通信，通过该光纤通信链路下发控制命令，采集电机及变频驱动器运行信息；通信光纤收发装置与FPGA通信芯片连接，FPGA对信息的解码和编码后，与DSP信息处理芯片连接，DSP信息处理芯片与频驱动器信息采集电路及PWM脉冲收发电路分别连接。
优选的，所述多电机综合控制单元包括通信光纤收发电路，FPGA通信控制芯片，DSP信息处理芯片，串行通信电路，以太网通信电路。
所述通信光纤收发电路用于接收和发送信息；
所述FPGA通信控制芯片用于控制通信光纤收发电路，实现高速光纤通信；
所述DSP信息处理芯片用于处理多电机机群系统的电机状态信息；
所述串行通信电路，实现DSP与触摸屏的通信；
所述以太网通信电路，实现多电机系统与上级控制系统通信，接收上级控制系统的命令，返回多电机机群系统的状态至上级控制系统；
所述通信光纤收发电路通过光纤与电机控制单元组网通信，通过该光纤通信链路下发控制命令，采集电机及变频驱动器运行信息；通信光纤收发装置与FPGA通信芯片连接，FPGA对信息的解码和编码后，与DSP信息处理芯片连接，DSP信息处理芯片的通信端口与串行通信电路、以太网通信电路分别连接。
优选的，所述通信光纤收发电路包括光纤发送电路，光纤接收电路；所述发送电路包括三极管放大器件和光电转换芯片；所述接收电路包括光电转换芯片。
优选的，所述FPGA数字处理芯片包括解码单元、识别单元、缓存单元及编码单元；
所述解码单元用于对通信脉冲进行解码，解码为并行的数据信息；
所述识别单元用于比较目的设备号是否与本机设备号一致；
所述缓存单元用于存储识别单元传递的信息；
所述编码单元用于对缓冲单元中的数据进行编码。
优选的，所述两组光纤分别为第一光纤单元、第二光纤单元；所述第一光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与上级驱动控制单元通信；所述第二光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与下级驱动控制单元通信；
所述第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；
所述第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。
优选的，所述多电机综合控制单元与多个电机控制单元串联后，与人机对话系统相连。
本发明还提供了一种多电机机群驱动控制方法，该方法包括，
多电机综合控制单元发出主从识别命令，各电机控制单元按照设定的编号识别出主从电机；
多电机综合控制单元接收上级控制单元的启动命令，发送至主电机控制单元，主电机控制单元控制变频器使主电机投入运行；
主电机控制单元向各从电机控制单元发出启动控制命令，主电机计算电机转矩，并将电机转矩指令发送至各从电机控制单元；
从电机控制单元跟踪主电机控制单元发出的转矩指令，控制器变频器输出相应的电压电流，控制电机运行。
本发明还提供了一种多电机机群驱动系统，该系统包括高压柜、变压器、上述任一所述的多电机机群形态驱动控制装置及多电机机群。
有益效果：通过变频驱动器、电机控制单元控制各电机运行，实现多电机机群的变频驱动控制。通过多电机综合控制单元对多电机机群系统统一管理，提高了多电机机群系统的自动控制水平。该发明系统具备功能全面，易于功率拓展，对于刚性直连系统及柔性软连接系统均具备良好的控制效果，实现了大型机电设备群的安全、高效工作。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
图1为本发明实施例一种用于多电机机群变频驱动控制装置结构示意图；
图2 为本发明实施例多个电机控制单元及多电机综合控制单元连接示意图；
图3为本发明实施例变频驱动器组成原理图；
图4为本发明实施例电机控制单元组成原理图；
图5为本发明实施例多电机综合控制单元组成原理图；
图6为本发明实施例一种用于多电机机群变频驱动控制系统结构图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例进行详细说明。
本实施例公开的一种用于多电机机群变频驱动控制装置，参加如图1 所示的。该装置包括变频驱动器4、多个电机控制单元3、多电机综合控制单元6。所述多个电机控制单元中，一个设为主电机控制单元，余下设为从电机控制单元，多电机综合控制单元6与多个电机控制单元3的连接关系如图2所示。
从电机控制单元用于接收主电机控制单元的控制指令，控制从电机的变频驱动器输出电机运行所需的电压、电流；
主电机控制单元用于控制主电机变频驱动器输出电机运行所需的电压、电流，同时用于对多电机综合控制单元的信息进行传输和控制指令下发；
多电机综合控制单元用于综合控制多个电机控制单元；
变频驱动器用于输出电压及电流，驱动电机设备按照指令速度运行；
多电机综合控制单元与多个电机控制单元通过两组光纤串联连接，所述多个电机控制单元与其变频驱动器连接，所述变频驱动器输出至电机。
多电机综合控制单元综合控制系统的启停、运行指令下发、多电机机群综合信息管理。电机控制单元与变频驱动器连接，采集变频驱动器的电路信息，通过矢量控制和多电机转矩控制控制变频驱动器输出电压、电流，控制电机按指令的速度运行。人机交互系统可以为触摸屏、电脑。多机驱动综合控制系统通过光纤通信链路与主电机控制单元互联，同时通过485通信接口与触摸屏进行信息互联。
进一步，所述两组光纤分别为第一光纤单元、第二光纤单元；所述第一光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与上级驱动控制单元通信；所述第二光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与下级驱动控制单元通信。所述第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；
所述第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。
图3为本发明实施例的变频驱动器组成原理图，变频驱动器用于输出电压及电流驱动电机设备按照指令速度拖动负载运行。
进一步，变频驱动器包括进线滤波单元401、整流单元402、直流滤波单元403、逆变单元404、输出滤波单元405。进线滤波单元1进线端与变频驱动器三相进线电源连接，经过进线滤波单元交流滤波后其与整流单元连接，整流单元连接三线进线滤波单元的输出端，经过整流后与直流滤波单元相连，经过直流滤波单元滤波后与逆变单元连接，逆变单元将直流电源变换成交流电流，经过输出滤波单元滤波后，输出至电机。
进一步，变频驱动单元各部分的作用如下：
进线滤波单元用于对交流电流进行滤波、实现能量缓存。
整流单元用于交直流变换，提供稳定直流电压、控制能量双向流动 、控制网侧功率因数。直流滤波单元用于直流电压滤波、无功能量缓存、隔离整流逆变。
逆变单元用于交直流变换、驱动电机平滑调速、全速范围内提供输出转矩。
输出滤波单元用于对交流输出电压电流滤波、消除变频器共模电压。
图4为发明本实施例的电机控制单元组成原理图，电机控制单元用于控制变频驱动器输出电机运行所需的电压、电流，实现电机调速，进一步通过与光纤通信链路实现多电机驱动系统的信息传输和控制指令下发。电机控制单元包括通信光纤收发电路30，PWM脉冲收发电路31，变频驱动器信息采集电路32， FPGA通信控制芯片33，DSP电机矢量控制芯片34。
进一步，电机矢量控制芯片DSP用于实现电机矢量控制，通过采集电机电压电流信号，按照主电机控制器发出的转矩指令控制电机拖动负载高性能运转。进一步，电机矢量控制芯片负责对多电机机群系统中各分电机实施过压、过流保护、故障退出控制，监控信息采集等。
多电机通信控制芯片FPGA用于实现高速光纤通信，
进一步，所述FPGA数字处理芯片包括解码单元、识别单元、缓存单元及编码单元；
所述解码单元用于对通信脉冲进行解码，解码为并行的数据信息；
所述识别单元用于比较目的设备号是否与本机设备号一致；
所述缓存单元用于存储识别单元传递的信息；
所述编码单元用于对缓冲单元中的数据进行编码。
变频驱动器信息采集电路用于采集变频器进线电压、电流，直流滤波单元电压，输出电流，并将采集的模拟量转换成数字量，通过并行总线传至DSP。
PWM脉冲收发电路用于将DSP通过矢量控制运算及PWM调试策略输出的脉冲信号通过光纤发送至变频器整流和逆变单元的IGBT，同时将IGBT的开通关断信息返回值数字控制芯片FPGA，FPGA对开关信息进行综合，判断IGBT是否正常工作以及是否发生故障。
图5为发明本实施例的多电机综合控制单元组成原理图，用于综合管理多电机机群系统，该控制单元用于综合控制多电机运行，包括启停命令、速度指令、多电机保护措施、多电机冗余切换，同时对多电机系统中各电机的状态信息进行综合管理，并发布至触摸屏和远程监控系统。
进一步，电机控制单元包括通信光纤收发电路60，FPGA通信控制芯片63，DSP信息处理芯片64，串行通信电路61，以太网通信电路62。
进一步，所述通信光纤收发装置通过光纤与电机控制单元组网通信，通过该光纤通信链路下发控制命令，采集电机及变频驱动器运行信息；通信光纤收发装置与FPGA通信芯片连接，FPGA对信息的解码和编码后，与DSP信息处理芯片连接，DSP信息处理芯片的通信端口与485通信电路，以太网通信电路分别连接。
进一步，通信光纤收发电路，FPGA通信控制芯片，DSP信息处理芯片，485通信电路，以太网通信电路各部分功能如下：
通信光纤收发电路用于接收和发送信息；
FPGA通信控制芯片用于控制通信光纤收发电路，实现高速光纤通信，其结构参照电机控制单元中FPGA通信控制芯片结构；
DSP信息处理芯片用于处理多电机机群系统的电机状态信息；
串行通信电路，实现DSP与触摸屏的通信；
以太网通信电路，实现多电机系统与上级控制系统通信，接收上级控制系统的命令，返回多电机机群系统的状态至上级控制系统。
进一步，多电机机群中各电机的状态信息通过多电机综合控制单元进行信息综合后，通过485接口通信至触摸屏，触摸屏对各电机状态信息进行显示。
进一步，多电机机群中各电机的状态信息通过多电机综合控制单元进行信息综合后，通过以太网通信电路通信至远程监控系统，远程监控系统获得数据后一方面进行远端显示，另一方面进行自动化控制。
进一步，多电机综合控制单元和电机控制单元中的通信光纤收发电路，包括光纤发送电路，光纤接收电路所述发送电路包括三极管放大器件和光电转换芯片所述接收电路包括光电转换芯片。
本发明装置，通过变频驱动器、电机控制单元控制各电机运行，实现多电机机群的变频驱动控制。通过多电机综合控制单元对多电机机群系统统一管理，提高了多电机机群系统的自动控制水平。该发明系统具备功能全面，易于功率拓展，对于刚性直连系统及柔性软连接系统均具备良好的控制效果，实现了大型机电设备群的安全、高效工作。
本发明还提供了一种多电机机群驱动控制方法，该方法可以在上述变频驱动控制装置上实施，该方法包括：多电机综合控制单元发出主从识别命令，各电机控制单元按照设定的编号识别出主从电机；
多电机综合控制单元接收上级控制单元的启动命令，发送至主电机控制单元，主电机控制单元控制变频器使主电机投入运行；
主电机控制单元向各从电机控制单元发出启动控制命令，主电机计算电机转矩，并将电机转矩指令发送至各从电机控制单元；
从电机控制单元跟踪主电机控制单元发出的转矩指令，控制器变频器输出相应的电压电流，控制电机运行。
图6所示为本实施例公开的一种多电机机群变频驱动系统，包括开关柜1、变压器2、多电机机群变频驱动装置3、多电机机群4。进线高压电源经过开关柜1控制合闸和分闸，开关柜1输出与变压器2连接，变压器2输出与多电机机群变频驱动装置3，多电机机群变频驱动装置控制变频驱动器输出至电机。
开关柜用于控制变频驱动装置供电电源，变压器用于将高压侧电网电压变换到系统电机系统额定电压，变频驱动控制装置采用本发明实施例所述装置。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种多电机机群系统驱动控制装置，其特征在于，该装置包括多电机综合控制单元、多个电机控制单元及与多个电机控制单元相对应的变频驱动器；其中，
所述多个电机控制单元中，一个设为主电机控制单元，余下设为从电机控制单元；
所述从电机控制单元用于接收主电机控制单元的控制指令，控制从电机的变频驱动器输出电机运行所需的电压、电流；
所述主电机控制单元用于控制主电机变频驱动器输出电机运行所需的电压、电流，同时用于对多电机综合控制单元的信息进行传输和控制指令下发；
所述多电机综合控制单元用于综合控制多个电机控制单元；
所述变频驱动器用于输出电压及电流，驱动电机设备按照指令速度运行；
所述多电机综合控制单元与多个电机控制单元通过两组光纤串联连接，所述多个电机控制单元与其变频驱动器连接，所述变频驱动器输出至电机。
2.根据权利要求1所述的多电机机群系统驱动控制装置，其特征在于，所述变频驱动器包括进线滤波单元、整流单元、直流滤波单元、逆变单元及输出滤波单元，其中，所述进线滤波单元用于对交流电流进行滤波、实现能量缓存；
所述整流单元用于交直流变换，提供稳定直流电压、控制能量双向流动 、控制网侧功率因数；
所述直流滤波单元用于直流电压滤波、无功能量缓存、隔离整流逆变；
所述逆变单元用于交直流变换、驱动电机平滑调速、全速范围内提供输出转矩；
所述输出滤波单元用于对交流输出电压电流滤波、消除变频器共模电压；
进线滤波单元进线端与变频驱动器三相进线电源连接，经过进线滤波单元交流滤波后其与整流单元连接，整流单元连接三线进线滤波单元的输出端，经过整流后与直流滤波单元相连，经过直流滤波单元滤波后与逆变单元连接，逆变单元将直流电源变换成交流电流，经过输出滤波单元滤波后，输出至电机。
3.根据权利要求1所述的多电机机群系统驱动控制装置，其特征在于，所述电机控制单元包括通信光纤收发电路，FPGA通信控制芯片，DSP电机矢量控制芯片，变频驱动器信息采集电路及PWM脉冲收发电路；
所述通信光纤收发电路用于接收和发送信息；
所述FPGA通信控制芯片用于控制通信光纤收发电路，实现高速光纤通信；
所述DSP电机矢量控制芯片用于实现电机矢量控制；
所述变频驱动器信息采集电路用于采集变频器进线电压、电流，直流滤波单元电压，输出电流，并将采集的模拟量转换成数字量，传至DSP电机矢量控制芯片；
所述PWM脉冲收发电路用于将电机矢量控制生成的脉冲信号通过光纤发送至电力电子器件的门级，并接收电力电子器件的返回状态信息；
所述通信光纤收发电路通过光纤与电机控制单元组网通信，通过该光纤通信链路下发控制命令，采集电机及变频驱动器运行信息；通信光纤收发装置与FPGA通信芯片连接，FPGA对信息的解码和编码后，与DSP信息处理芯片连接，DSP信息处理芯片与频驱动器信息采集电路及PWM脉冲收发电路分别连接。
4.根据权利要求1所述的多电机机群系统驱动控制装置，其特征在于，所述多电机综合控制单元包括通信光纤收发电路，FPGA通信控制芯片，DSP信息处理芯片，串行通信电路，以太网通信电路；
所述通信光纤收发电路用于接收和发送信息；
所述FPGA通信控制芯片用于控制通信光纤收发电路，实现高速光纤通信；
所述DSP信息处理芯片用于处理多电机机群系统的电机状态信息；
所述串行通信电路，实现DSP与触摸屏的通信；
所述以太网通信电路，实现多电机系统与上级控制系统通信，接收上级控制系统的命令，返回多电机机群系统的状态至上级控制系统；
所述通信光纤收发电路通过光纤与电机控制单元组网通信，通过该光纤通信链路下发控制命令，采集电机及变频驱动器运行信息；通信光纤收发装置与FPGA通信芯片连接，FPGA对信息的解码和编码后，与DSP信息处理芯片连接，DSP信息处理芯片的通信端口与串行通信电路、以太网通信电路分别连接。
5.根据权利要求3或4所述的多电机机群驱动控制装置，其特征在于，所述通信光纤收发电路，包括光纤发送电路，光纤接收电路所述发送电路包括三极管放大器件和光电转换芯片所述接收电路包括光电转换芯片。
6.根据权利要求5所述的多电机机群驱动控制装置，其特征在于，所述FPGA数字处理芯片包括解码单元、识别单元、缓存单元及编码单元；
所述解码单元用于对通信脉冲进行解码，解码为并行的数据信息；
所述识别单元用于比较目的设备号是否与本机设备号一致；
所述缓存单元用于存储识别单元传递的信息；
所述编码单元用于对缓冲单元中的数据进行编码。
7.根据权利要求1所述的多电机机群驱动控制装置，其特征在于，所述两组光纤分别为第一光纤单元、第二光纤单元；所述第一光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与上级驱动控制单元通信；所述第二光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与下级驱动控制单元通信；
所述第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；
所述第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。
8.根据权利要求7所述的多电机机群驱动控制装置，其特征在于，所述多电机综合控制单元与多个电机控制单元串联后，与人机对话系统相连。
9.一种多电机机群驱动控制方法，其特征在于，该方法包括，
多电机综合控制单元发出主从识别命令，各电机控制单元按照设定的编号识别出主从电机；
多电机综合控制单元接收上级控制单元的启动命令，发送至主电机控制单元，主电机控制单元控制变频器使主电机投入运行；
主电机控制单元向各从电机控制单元发出启动控制命令，主电机计算电机转矩，并将电机转矩指令发送至各从电机控制单元；
从电机控制单元跟踪主电机控制单元发出的转矩指令，控制器变频器输出相应的电压电流，控制电机运行。
10.一种多电机机群驱动系统，其特征在于，该系统包括高压柜、变压器、权利要求1-8任一所述的多电机机群形态驱动控制装置及多电机机群。
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