CN111030514B - 一种变频器并机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器并机控制系统，包括变频器、多个通讯从站模块及通讯主站模块。变频器主机根据电机控制算法得到PWM比较值，并由主机通讯从站模块将其传输至通讯主站模块。通讯主站模块结合各通讯从站模块周期性生成同步信号至各变频器，并将PWM比较值经各通讯从站模块相应下发至各变频器。各变频器在接收到同步信号后均同步自身载波信号，并根据载波信号和PWM比较值同步生成PWM信号至自身功率模块，以实现各变频器并联输出控制电机。可见，本申请由各变频器同步生成驱动自身工作的PWM信号，不再直接由变频器主机统一生成驱动各变频器工作的PWM信号，从而保证了各变频器的同步工作，提高了变频器并机扩容的可靠性。

Description

一种变频器并机控制系统

技术领域

本发明涉及变频器并机扩容领域，特别是涉及一种变频器并机控制系统。

背景技术

目前，变频器并机控制系统包括一个变频器主机和多个变频器从机，其中，变频器主机包含用于生成驱动变频器工作的驱动信号的控制器。为了实现变频器并机控制系统内各变频器的同步输出，采用的技术手段是：通过硬件将控制器生成的驱动信号分成多路驱动信号一一输入至各变频器的功率模块，以实现各变频器的同步输出。但是，由于各变频器从机与变频器主机之间的相隔距离不相同，使各变频器的驱动信号传输线长短不一，从而导致驱动信号到达各变频器的时间不同步，进而导致各变频器的输出不同步，降低了变频器并机扩容的可靠性。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种变频器并机控制系统，由各变频器同步生成驱动自身工作的PWM信号，不再直接由变频器主机统一生成驱动各变频器工作的PWM信号，从而保证了各变频器的同步工作，进而提高了变频器并机扩容的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种变频器并机控制系统，包括：

与电机连接的变频器，用于在接收到同步信号后同步自身载波信号，并根据所述载波信号和PWM比较值同步生成PWM信号至自身功率模块，以实现各变频器并联输出控制所述电机；

与各所述变频器一一连接的多个通讯从站模块；每个通讯从站模块均用于在接收到同步指令后生成同步信号至对应变频器；在接收到PWM比较值后将所述PWM比较值下发至对应变频器；

分别与多个所述通讯从站模块连接的通讯主站模块，用于周期性生成同步指令，并将所述同步指令和PWM比较值下发至各通讯从站模块；

其中，所述变频器包括变频器主机和变频器从机；所述变频器主机还用于根据电机控制算法得到PWM比较值，并将所述PWM比较值经自身所连接的主机通讯从站模块上传至通讯主站模块。

优选地，各所述变频器还用于在所述载波信号过零处或最大值处获取自身三相实际输出电流，并将所述三相实际输出电流相应经各通讯从站模块上传至所述通讯主站模块；

所述通讯主站模块还用于将各所述三相实际输出电流中同一相实际输出电流进行累加，得到三相电流累加值，并将所述三相电流累加值经所述主机通讯从站模块下发至所述变频器主机；

则所述变频器主机具体用于根据所述电机的实际转速和目标转速的差值得到所述电机的目标转矩电流与目标励磁电流，并根据反馈的三相电流累加值、目标转矩电流及目标励磁电流计算PWM比较值，以使所述主机通讯从站模块将计算得到的PWM比较值上传至所述通讯主站模块。

优选地，所述变频器主机还用于接收系统启动指令或系统停止指令，并将所述系统启动指令或系统停止指令经所述主机通讯从站模块上传至所述通讯主站模块；

所述通讯主站模块还用于在接收到所述系统启动指令或系统停止指令后，在下一同步周期，将变频器的启动指令或停止指令经各通讯从站模块相应下发至各变频器，以使各变频器同步启动或停止工作。

优选地，所述变频器主机和所述变频器从机的软硬件结构相同。

优选地，所述变频器主机包括并行运行的主处理器和协处理器；其中，所述主处理器包括：

电流采样模块，用于在所述载波信号过零处或最大值处对所述变频器主机的三相输出电流进行采样，得到其三相实际输出电流；

载波同步模块，用于在接收到同步信号后同步自身载波信号；

与所述载波同步模块连接的PWM发波模块，用于根据所述载波信号和所述PWM比较值生成PWM信号至所述变频器主机的功率模块；

控制算法模块，用于根据所述电机的实际转速和目标转速的差值得到所述电机的目标转矩电流与目标励磁电流，并根据反馈的三相电流累加值、目标转矩电流及目标励磁电流计算PWM比较值；

功能程序模块，用于接收系统启动指令或系统停止指令；在接收到所述启动指令或停止指令后相应控制所述变频器主机启动或停止工作；

所述协处理器包括：

分别与所述功能程序模块和所述控制算法模块连接的主站数据交互模块，用于将所述系统启动指令或系统停止指令、计算得到的PWM比较值上传至所述主机通讯从站模块；将所述主机通讯从站模块下发的三相电流累加值传输至所述控制算法模块；将所述主机通讯从站模块下发的变频器的启动指令或停止指令传输至所述功能程序模块；

分别与所述电流采样模块和所述PWM发波模块连接的从站数据交互模块，用于将所述三相实际输出电流上传至所述主机通讯从站模块；将所述主机通讯从站模块下发的PWM比较值传输至所述PWM发波模块；

其中，所述变频器从机不执行所述控制算法模块和所述主站数据交互模块。

优选地，所述通讯从站模块与所述通讯主站模块之间的通讯协议为EtherCAT通讯协议。

优选地，所述通讯从站模块与所连接的变频器之间的通讯协议为SPI通讯协议。

本发明提供了一种变频器并机控制系统，包括变频器从机、变频器主机、多个通讯从站模块及通讯主站模块。变频器主机根据电机控制算法得到PWM比较值，并由与变频器主机连接的主机通讯从站模块将PWM比较值传输至通讯主站模块。通讯主站模块结合各通讯从站模块周期性生成同步信号至各变频器，并将PWM比较值经各通讯从站模块相应下发至各变频器。各变频器在接收到同步信号后均同步自身载波信号，并根据载波信号和PWM比较值同步生成PWM信号至自身功率模块，以实现各变频器并联输出控制电机。可见，本申请由各变频器同步生成驱动自身工作的PWM信号，不再直接由变频器主机统一生成驱动各变频器工作的PWM信号，从而保证了各变频器的同步工作，进而提高了变频器并机扩容的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种变频器并机控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种变频器并机控制系统的具体结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种变频器并机控制系统，由各变频器同步生成驱动自身工作的PWM信号，不再直接由变频器主机统一生成驱动各变频器工作的PWM信号，从而保证了各变频器的同步工作，进而提高了变频器并机扩容的可靠性。

为使本发明实施例的目的、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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种变频器并机控制系统的结构示意图。

该变频器并机控制系统包括：

与电机连接的变频器1，用于在接收到同步信号后同步自身载波信号，并根据载波信号和PWM比较值同步生成PWM信号至自身功率模块，以实现各变频器1并联输出控制电机；

与各变频器1一一连接的多个通讯从站模块2；每个通讯从站模块2均用于在接收到同步指令后生成同步信号至对应变频器1；在接收到PWM比较值后将PWM比较值下发至对应变频器1；

分别与多个通讯从站模块2连接的通讯主站模块3，用于周期性生成同步指令，并将同步指令和PWM比较值下发至各通讯从站模块2；

其中，变频器1包括变频器主机和变频器从机；变频器主机还用于根据电机控制算法得到PWM比较值，并将PWM比较值经自身所连接的主机通讯从站模块上传至通讯主站模块3。

具体地，本申请的变频器并机控制系统包括：包含变频器主机和变频器从机的多个变频器1、多个通讯从站模块2及一个通讯主站模块3，其工作原理为：

本申请提前对系统内各变频器1进行配置，具体将其中一个变频器配置为变频器主机，其余变频器均配置为变频器从机。且本申请提前为每个变频器1一一设置挂接在通讯主站模块3的通讯总线上的通讯从站模块2，目的是通过各通讯从站模块2实现各变频器1与通讯主站模块3之间的交互。

基于此，变频器主机根据电机控制算法得到PWM比较值，然后将PWM比较值经自身所连接的通讯从站模块2(称为主机通讯从站模块)上传至通讯主站模块3。通讯主站模块3周期性生成同步指令，并将同步指令和PWM比较值下发至各通讯从站模块2。每个通讯从站模块2均在接收到同步指令后生成同步信号至对应变频器1，并在接收到PWM比较值后将其下发至对应变频器1。各变频器1在每次接收到同步信号后，均同步自身载波信号，并根据同步后的载波信号和本周期接收的PWM比较值生成PWM信号至自身功率模块。由于各变频器1同时接收到同步信号，所以各变频器1同步生成载波信号，从而同步生成PWM信号，进而保证各变频器1同步输出，最终实现并联输出同步控制电机。

本发明提供了一种变频器并机控制系统，包括变频器从机、变频器主机、多个通讯从站模块及通讯主站模块。变频器主机根据电机控制算法得到PWM比较值，并由与变频器主机连接的主机通讯从站模块将PWM比较值传输至通讯主站模块。通讯主站模块结合各通讯从站模块周期性生成同步信号至各变频器，并将PWM比较值经各通讯从站模块相应下发至各变频器。各变频器在接收到同步信号后均同步自身载波信号，并根据载波信号和PWM比较值同步生成PWM信号至自身功率模块，以实现各变频器并联输出控制电机。可见，本申请由各变频器同步生成驱动自身工作的PWM信号，不再直接由变频器主机统一生成驱动各变频器工作的PWM信号，从而保证了各变频器的同步工作，进而提高了变频器并机扩容的可靠性。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选的实施例，各变频器1还用于在载波信号过零处或最大值处获取自身三相实际输出电流，并将三相实际输出电流相应经各通讯从站模块2上传至通讯主站模块3；

通讯主站模块3还用于将各三相实际输出电流中同一相实际输出电流进行累加，得到三相电流累加值，并将三相电流累加值经主机通讯从站模块下发至变频器主机；

变频器主机具体用于根据电机的实际转速和目标转速的差值得到电机的目标转矩电流与目标励磁电流，并根据反馈的三相电流累加值、目标转矩电流及目标励磁电流计算PWM比较值，以使主机通讯从站模块将计算得到的PWM比较值上传至通讯主站模块3。

进一步地，考虑到因一些干扰因素可能导致电机的实际转速与其目标转速存在偏差，所以本申请采用闭环控制方法控制电机转速，具体是采用电流内控制环、转速外控制环的双闭环控制方法控制电机转速，其工作原理为：

各变频器1还在载波信号过零处或最大值处获取自身三相实际输出电流，相当于周期性获取自身三相实际输出电流，然后将三相实际输出电流相应经各通讯从站模块2上传至通讯主站模块3。通讯主站模块3在每次接收到各变频器1的三相实际输出电流后，均将各三相实际输出电流中同一相的实际输出电流进行累加，得到三相电流累加值，然后将三相电流累加值经主机通讯从站模块下发至变频器主机。

变频器主机在每次接收到三相电流累加值时，均获取电机的实际转速，求取电机的实际转速和目标转速的差值，并将转速差值经PI

(Proportional–Integral，比例-积分)调节得到电机的目标转矩电流；根据实际输出电压及实际转速计算电机的目标励磁电流，然后根据本次接收到的三相电流累加值计算实际转矩电流与实际励磁电流，并对转矩电流与励磁电流的误差经PI调节得到目标输出电压，且经过调制得到PWM比较值，即周期性调整PWM比较值，然后将调整后的PWM比较值经主机通讯从站模块上传至通讯主站模块3。则通讯主站模块3具体在下一周期时，将最新调整的PWM比较值经各通讯从站模块2相应下发至各变频器1，从而实现各变频器1并联输出控制电机。

作为一种可选的实施例，变频器主机还用于接收系统启动指令或系统停止指令，并将系统启动指令或系统停止指令经主机通讯从站模块上传至通讯主站模块3；

通讯主站模块3还用于在接收到系统启动指令或系统停止指令后，在下一同步周期，将变频器的启动指令或停止指令经各通讯从站模块2相应下发至各变频器1，以使各变频器1同步启动或停止工作。

进一步地，本申请还可向变频器主机发送系统停止指令，变频器主机在接收系统停止指令后，将系统停止指令经主机通讯从站模块上传至通讯主站模块3。通讯主站模块3在接收到系统停止指令后，在下一同步周期，将变频器的停止指令经各通讯从站模块2相应下发至各变频器1，即同步下发停止指令至各变频器1，以使各变频器1在接收到停止指令后实现同步停止工作。

同理，本申请还可向变频器主机发送系统启动指令，变频器主机在接收系统启动指令后，将系统启动指令经主机通讯从站模块上传至通讯主站模块3。通讯主站模块3在接收到系统启动指令后，在下一同步周期，将变频器的启动指令经各通讯从站模块2相应下发至各变频器1，即同步下发启动指令至各变频器1，以使各变频器1在接收到启动指令后实现同步启动工作。

作为一种可选的实施例，变频器主机和变频器从机的软硬件结构相同。

具体地，考虑到现有技术中，只有变频器主机设有控制器，变频器从机中未设置控制器，导致在脱离变频器主机时，变频器从机无法独立运行，导致变频器并机控制系统不灵活，所以本申请的各变频器1设置相同的软硬件结构，只是在不同参数配置下得到变频器主机和变频器从机，也就是说，变频器从机也可在更改参数配置的情况下转变为变频器主机，使其在脱离变频器主机时也可作为一个完整的变频器独立运行，从而提高了变频器并机控制系统的灵活性。

此外，各变频器从机还可检测自身工作状态，并根据自身工作状态确定自身故障情况，以在故障时生成相应的故障数据，并经各通讯从站模块2反馈至变频器主机。

请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种变频器并机控制系统的具体结构示意图。

作为一种可选的实施例，变频器主机包括并行运行的主处理器和协处理器；其中，主处理器包括：

电流采样模块，用于在载波信号过零处或最大值处对变频器主机的三相输出电流进行采样，得到其三相实际输出电流；

载波同步模块，用于在接收到同步信号后同步自身载波信号；

与载波同步模块连接的PWM发波模块，用于根据载波信号和PWM比较值生成PWM信号至变频器主机的功率模块；

控制算法模块，用于根据电机的实际转速和目标转速的差值得到电机的目标转矩电流与目标励磁电流，并根据反馈的三相电流累加值、目标转矩电流及目标励磁电流计算PWM比较值；

功能程序模块，用于接收系统启动指令或系统停止指令；在接收到启动指令或停止指令后相应控制变频器主机启动或停止工作；

协处理器包括：

分别与功能程序模块和控制算法模块连接的主站数据交互模块，用于将系统启动指令或系统停止指令、计算得到的PWM比较值上传至主机通讯从站模块；将主机通讯从站模块下发的三相电流累加值传输至控制算法模块；将主机通讯从站模块下发的变频器的启动指令或停止指令传输至功能程序模块；

分别与电流采样模块和PWM发波模块连接的从站数据交互模块，用于将三相实际输出电流上传至主机通讯从站模块；将主机通讯从站模块下发的PWM比较值传输至PWM发波模块；

其中，变频器从机不执行控制算法模块和主站数据交互模块。

具体地，本申请的变频器主机包括主处理器和协处理器，其中，主处理器包括电流采样模块、载波同步模块、PWM发波模块、控制算法模块及功能程序模块；协处理器包括主站数据交互模块和从站数据交互模块。变频器从机与变频器主机结构相同，只是不执行控制算法模块和主站数据交互模块。

关于变频器主机和变频器从机内工作模块的具体工作原理介绍，可参考上述实施例对变频器的介绍，本申请在此不再赘述。

作为一种可选的实施例，通讯从站模块2与通讯主站模块3之间的通讯协议为EtherCAT通讯协议。

具体地，本申请的各通讯从站模块2与通讯主站模块3之间的通讯协议可选用EtherCAT(Ether Control Automation Technology，以太网控制自动化技术)通讯协议。EtherCAT是一个开放架构，基于以太网的现场总线系统，采用主从通讯机制，其通讯速度快，可为从站提供高精度的同步信号。

另外，由于变频器并机控制系统采用的是标准EtherCAT通讯协议，若系统中存在其他EtherCAT从站(非变频器)，仍然可以与EtherCAT主站模块组成通讯系统，从而提高了系统的兼容性。

作为一种可选的实施例，通讯从站模块2与所连接的变频器之间的通讯协议为SPI通讯协议。

具体地，本申请的各通讯从站模块2与所连接的变频器之间的通讯协议可选用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)通讯协议。SPI是一种高速、全双工、同步的通讯总线，且在芯片的管脚上只占用四根线，从而节约了芯片的管脚。

可以理解的是，各通讯从站模块2需在EtherCAT通讯协议和SPI通讯协议之间进行转换，以实现与通讯主站模块3和变频器1之间的交互。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种变频器并机控制系统，其特征在于，包括：

与电机连接的变频器，用于在接收到同步信号后同步自身载波信号，并根据所述载波信号和PWM比较值同步生成PWM信号至自身功率模块，以实现各变频器并联输出控制所述电机；

与各所述变频器一一连接的多个通讯从站模块；每个通讯从站模块均用于在接收到同步指令后生成同步信号至对应变频器；在接收到PWM比较值后将所述PWM比较值下发至对应变频器；

分别与多个所述通讯从站模块连接的通讯主站模块，用于周期性生成同步指令，并将所述同步指令和PWM比较值下发至各通讯从站模块；

其中，所述变频器包括变频器主机和变频器从机；所述变频器主机还用于根据电机控制算法得到PWM比较值，并将所述PWM比较值经自身所连接的主机通讯从站模块上传至所述通讯主站模块；

其中，各所述变频器还用于在所述载波信号过零处或最大值处获取自身三相实际输出电流，并将所述三相实际输出电流相应经各所述通讯从站模块上传至所述通讯主站模块；

所述通讯主站模块还用于将各所述三相实际输出电流中同一相实际输出电流进行累加，得到三相电流累加值，并将所述三相电流累加值经所述主机通讯从站模块下发至所述变频器主机；

所述变频器主机用于根据所述电机的实际转速和目标转速的差值得到所述电机的目标转矩电流与目标励磁电流，并根据反馈的所述三相电流累加值、所述目标转矩电流及所述目标励磁电流计算PWM比较值，以使所述主机通讯从站模块将计算得到的PWM比较值上传至所述通讯主站模块。

2.如权利要求1所述的变频器并机控制系统，其特征在于，所述变频器主机还用于接收系统启动指令或系统停止指令，并将所述系统启动指令或所述系统停止指令经所述主机通讯从站模块上传至所述通讯主站模块；

所述通讯主站模块还用于在接收到所述系统启动指令或所述系统停止指令后，在下一同步周期，将所述变频器主机的启动指令或停止指令经各通讯从站模块相应下发至各变频器，以使各变频器同步启动或停止工作。

3.如权利要求2所述的变频器并机控制系统，其特征在于，所述变频器主机和所述变频器从机的软硬件结构相同。

4.如权利要求3所述的变频器并机控制系统，其特征在于，所述变频器主机包括并行运行的主处理器和协处理器；其中，所述主处理器包括：

电流采样模块，用于在所述载波信号过零处或最大值处对所述变频器主机的三相输出电流进行采样，得到其三相实际输出电流；

载波同步模块，用于在接收到所述同步信号后同步自身载波信号；

与所述载波同步模块连接的PWM发波模块，用于根据所述载波信号和所述PWM比较值生成PWM信号至所述变频器主机的功率模块；

控制算法模块，用于根据所述电机的实际转速和目标转速的差值得到所述电机的目标转矩电流与目标励磁电流，并根据反馈的所述三相电流累加值、所述目标转矩电流及所述目标励磁电流计算PWM比较值；

功能程序模块，用于接收系统启动指令或系统停止指令；在接收到所述启动指令或停止指令后相应控制所述变频器主机启动或停止工作；

所述协处理器包括：

分别与所述功能程序模块和所述控制算法模块连接的主站数据交互模块，用于将所述系统启动指令或所述系统停止指令、计算得到的PWM比较值上传至所述主机通讯从站模块；将所述主机通讯从站模块下发的三相电流累加值传输至所述控制算法模块；将所述主机通讯从站模块下发的变频器的启动指令或停止指令传输至所述功能程序模块；

分别与所述电流采样模块和所述PWM发波模块连接的从站数据交互模块，用于将所述三相实际输出电流上传至所述主机通讯从站模块；将所述主机通讯从站模块下发的PWM比较值传输至所述PWM发波模块；

其中，所述变频器从机不执行所述控制算法模块和所述主站数据交互模块。

5.如权利要求1所述的变频器并机控制系统，其特征在于，所述通讯从站模块与所述通讯主站模块之间的通讯协议为EtherCAT通讯协议。

6.如权利要求5所述的变频器并机控制系统，其特征在于，所述通讯从站模块与所连接的变频器之间的通讯协议为SPI通讯协议。

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