CN205681284U - 变频器的控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种变频器的控制器，包括金属屏蔽盒、主控板、接口板、背板、对外连接端子；壳体包括金属屏蔽盒，主控板、接口板、背板均竖直插入安装在金属屏蔽盒内，对外连接端子布置在壳体的顶面或者侧面；主控板通过背板电连接多个接口板；接口板电连接对外连接端子。本实用新型布局合理、结构尺寸紧凑，接口丰富，可以满足钢铁行业高性能多场合的应用需求，实现中功率多传动产品的国产化。

Description

变频器的控制器

技术领域

本实用新型涉及变频领域，具体地，涉及变频器的控制器。

背景技术

变频器作为马达的主要驱动设备，在保证用户不同速度需求及保证产品质量的基础上，为用户节约大量能源并降低运营成本。变频器作为自动化工程的基础设备，在各行业广泛应用，而控制器则属于变频器装置产品的核心单元。

本实用新型变频器的控制器主要针对高性能中功率多传动变频装置，能够广泛应用于轧钢辅传动(卷取、飞剪、压下、矫直机、成组辊道)、连铸、平整机、高线连轧、冷轧处理线等，可推广应用于高铁动车、城市轨道交通牵引等。

经检索发现如下相关专利文献：

相关检索结果1：

申请号：CN201520997853.7；名称：《一种基于PLC的高压变频器的控制器》。

摘要：本实用新型涉及一种基于PLC的高压变频器的控制器，包括电机、PLC、变频器、手动操作模块、设备传感器，其特征在于，所述变频器置于电机的驱动电路中，所述电机与电机检测装置连接，所述电机检测装置与PLC连接，且电机检测装置监测电机运行并传送电机运行状况信号至PLC，并在PLC上显示。本实用新型可以根据设备运行状况，自动调节设备变频器频率，智能化程度高，同时具有变频调节效果的反馈信号，确保自动调节稳定性，降低变频调节出错率。

技术要点比较：该专利文献根据设备运行状况，自动调节设备变频器频率，智能化程度高，但是PLC的响应速度，采样精度不能满足钢铁行业的应用需求。

相关检索结果2：

申请号：CN201320882079.6；名称：一种变频器的控制器。

摘要：本实用新型提供一种变频器的控制器，应用于自动控制技术领域，变频器的控制器包括主控制器PCB；主控制器PCB进一步包括：中央处理器和以太网光纤通信单元；其中，中央处理器采用Express-ATC型处理器；以太网光纤单元包括顺序连接的以太网协议芯片、以太网PHY芯片和以太网光收发器；以太网协议芯片与中央处理器通过PCIe总线相连接；以太网光收发器与变频器的功率单元通过光纤相连接。本实用新型兼顾了高性能变频控制要求以及实时多任务处理要求，并具有数据传输效率高、抗干扰性强等特点。

技术要点比较：该专利文献兼顾了高性能变频控制要求以及实时多任务处理要求，但该系统架构并不适合钢铁行业中功率单机变频传动应用。

相关检索结果3：

申请号：CN201520587463.2；名称：抽拉式变频控制器。

摘要：本实用新型涉及一种抽拉式变频控制器，包括盖体和箱体，箱体一面设置开口，开口位于箱体竖立放置时的正面，开口的边缘向外延伸设有限位凸缘；盖体的边缘内设置与限位凸缘相配合的限位弯槽，限位弯槽的弯口朝向盖体的中部；限位弯槽的纵向宽度为0.5～1mm，当盖体套装到箱体后，限位凸缘和限位弯槽的横向间距为0.2～0.6mm。本实用新型的盖体和箱体的抽拉式套接方式不仅使得变频控制器的安装操作变得简单方便，而且替代了原有变频控制器的防水圈，减少变频控制器的安装工序，同时也简化变频器的控制器的结构。

技术要点比较：该专利文献的盖体和箱体采用抽拉式套接方式，但这种结构有应用局限性，不适合钢铁行业的多变应用环境，特别是不适合壁挂式变频器。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种变频器的控制器。

根据本实用新型提供的一种变频器的控制器，包括金属屏蔽盒、主控板、接口板、背板、对外连接端子；

壳体包括金属屏蔽盒，主控板、接口板、背板均竖直插入安装在金属屏蔽盒内，对外连接端子布置在壳体的顶面或者侧面；主控板通过背板电连接多个接口板；接口板电连接对外连接端子。

优选地，主控板包括电机控制芯片、数字信号处理芯片；电机控制芯片电连接数字信号处理芯片，数字信号处理芯片电连接所述多个接口板。

优选地，接口板包括A/D采集板、PWM控制板、模拟量输入输出板、数字量输入输出板、通讯板。

优选地，在金属屏蔽盒的内部空间中，PWM控制板、主控板、模拟量输入输出板由上往下依次排布在第一垂直面内，A/D采集板、通讯板、数字量输入输出板由上往下依次排布在平行于第一垂直面的第二垂直面内，背板的法向为水平方向。

优选地，PWM控制板包括PWM控制器和PWM输出接口，PWM控制器连接PWM输出接口，PWM输出接口采用工业光纤；A/D采集板包括∑-△型A/D控制器；模拟量输入输出板包括第一隔离电路；数字量输入输出板包括第二隔离电路；通讯板连接对外连接端子，对外连接端子包括以太网接口、RS485接口，PROFIBUS接口或者DP接口。

优选地，PWM控制板、主控板、模拟量输入输出板之间均设置有间隙；A/D采集板、通讯板、数字量输入输出板之间均设置有间隙。

优选地，壳体的顶部、侧面或者底部设置有散热孔。

优选地，主控板负责电机控制算法运算、外部模拟量信号的采集与处理、人机界面通讯、系统管理与调度；背板主要负责总线控制，采样接口板信号，实现主控板和接口板的通信功能。

优选地，电机控制芯片负责电机控制算法的运算、PWM脉冲生成与电机转速检测；数字信号处理芯片将采集的I/O信号和模拟信号通过RAM传递给电机控制芯片，数字信号处理芯片用于控制对外连接端子的通讯。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型主要应用于钢铁行业，特别是钢铁处理线上的部分设备要求很高，相应的对控制器的采样精度、响应速度、抗干扰能力及可靠性要求极高。大多数应用场合是没有配备单独的控制柜，直接安装在主回路旁边，对控制器的结构尺寸和抗干扰能力要求很高。应用于钢铁行业的变频传动产品功率规格覆盖范围较广，适合此应用的控制器的接口种类要求较多，故所设计的控制器要求性能优越、结构紧凑，接口丰富。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的原理示意图。

图2为本实用新型中板卡的侧面结构示意图。

图3为本实用新型中板卡布局的尺寸示意图。

图4为本实用新型中板卡的俯视结构示意图。

图中尺寸的单元为mm。

图中：

1-PWM控制板

2-主控板

3-模拟量输入输出板

4-A/D采集板

5-通讯板

6-数字量输入输出板

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型的目的在于提出一种变频器的控制器，该控制器性能优越、结构尺寸紧凑，接口丰富，最终可以满足钢铁行业高性能多场合的应用需求，实现中功率多传动产品的国产化。

根据本实用新型提供的一种变频器的控制器，包括金属屏蔽盒、主控板、接口板、背板、对外连接端子；

壳体包括金属屏蔽盒，主控板、接口板、背板均竖直插入安装在金属屏蔽盒内，对外连接端子布置在壳体的顶面或者侧面；主控板通过背板电连接多个接口板；接口板电连接对外连接端子。

主控板包括电机控制芯片、数字信号处理芯片；电机控制芯片电连接数字信号处理芯片，数字信号处理芯片电连接所述多个接口板。

接口板包括A/D采集板、PWM控制板、模拟量输入输出板、数字量输入输出板、通讯板。

在金属屏蔽盒的内部空间中，PWM控制板、主控板、模拟量输入输出板由上往下依次排布在第一垂直面内，A/D采集板、通讯板、数字量输入输出板由上往下依次排布在平行于第一垂直面的第二垂直面内，背板的法向为水平方向。

PWM控制板包括PWM控制器和PWM输出接口，PWM控制器连接PWM输出接口，PWM输出接口采用工业光纤；A/D采集板包括∑-△型A/D控制器；模拟量输入输出板包括第一隔离电路；数字量输入输出板包括第二隔离电路；通讯板连接对外连接端子，对外连接端子包括以太网接口、RS485接口，PROFIBUS接口或者DP接口。

PWM控制板、主控板、模拟量输入输出板之间均设置有间隙；A/D采集板、通讯板、数字量输入输出板之间均设置有间隙。

壳体的顶部、侧面或者底部设置有散热孔。

主控板负责电机控制算法运算、外部模拟量信号的采集与处理、人机界面通讯、系统管理与调度；背板主要负责总线控制，采样接口板信号，实现主控板和接口板的通信功能。

电机控制芯片负责电机控制算法的运算、PWM脉冲生成与电机转速检测；数字信号处理芯片将采集的I/O信号和模拟信号通过RAM传递给电机控制芯片，数字信号处理芯片用于控制对外连接端子的通讯。

下面对本实用新型进行更为具体的说明。

考虑到控制器在变频柜内的空间摆放，控制器安装于金属屏蔽盒内，其结构采用竖直插入式，对外连接端子的布置可以在控制器上方或者侧面；控制器主要是由多块电路板组成的，包括主控板、接口板、背板，采用插卡式总线结构，主控板与各个接口板卡都是通过背板进行通信的，它的特点是体积较小，板卡集成度很高，而且对外接口十分丰富，板卡调整灵活，易于进行对电路板的改版设计。

控制器主要由这些部分组成：主控板、接口板、背板。主控板负责电机控制算法运算、外部模拟量信号的采集与处理、人机界面通讯、系统管理与调度等。背板主要负责总线控制，采样所有接口板卡信号，实现主控板和接口板的通信功能。

主控板选用了电机控制芯片和高性能数字信号处理芯片，电机控制芯片负责电机控制算法的运算、PWM脉冲生成与电机转速检测；高性能数字信号处理芯片主要功能为采集部分I/O信号和模拟信号，并作适当处理后通过高速双口RAM传递给电机控制芯片，还负责主机部分与手操器、现场其他设备的以太网、RS485和工业通用的现场总线接口PROFIBUSDP通讯，系统管理与调度等。

接口板是根据项目实际需求及现场信号的分类，定义了电压电流信号A/D采集板、PWM控制板、模拟量输入输出板、数字量输入输出板、通讯板。

∑-△型A/D板和PWM控制板：控制器的关键信号转换板，整流侧电压传感器、电压传感器，电机侧电流传感器，直流电压传感器，同步变压器等测得的共14路信号都需要经过这两块接口板调理后送给主控板，采样周期为25us。∑-△型A/D转换器与传统的A/D转换器不同，它由模拟的∑-△调制器和数字抽取滤波器两部分组成，它不是根据信号的幅度进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差(即所谓的增量)进行量化编码。∑-△调制器以极高的采样频率对输入的模拟信号进行采样，对两个采样值之间的差值进行低位量化(常为1bit)得到∑-△调制码，然后送给数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码的数字信号。∑-△型A/D转换器属于片内隔离芯片，实现了主回路信号与控制器内部信号的隔离，减少了噪声的传入和对控制器内部数字信号的干扰，并且模拟信号采样前端电路设计为差分仪表放大器，提高控制器的抗干扰性。

PWM控制板还负责控制器与主回路(PWM信号生成、驱动)之间的信号传输，采用工业光纤(9路光纤)实现，它的特点是抗干扰能力强，传输距离远。

模拟量输入输出板和数字量输入输出板：在对接口设计电路都增加了隔离电路，保证控制器的可靠性和抗干扰性。模拟量输入输出板上对模拟信号的采集使用隔离放大器将外部的模拟信号进行隔离在经过AD芯片转换，对数字量的采集使用数字光耦器件将外部的数字量信号进行隔离并转换为CPU、数字信号处理芯片可识别的数字量用于逻辑控制。数字量输入输出板上对模拟信号的输出使用隔离放大器将内部的模拟信号进行隔离再输出到外部供用户使用，对数字量的输出使用数字光耦器件将内部的数字量信号进行隔离在输出到外部供用户使用。

通讯板主要负责对外通讯，有以太网RJ45接口，现场总线PROFIBUS-DP接口。

由于采用了上述技术方案，本实用新型的优点是：采用∑-△型A/D转换器实现模拟信号采样和处理的高分辨率、高精度，动态响应速度快等优点，采用电机控制芯片充分满足变频系统高技术性能控制模型与算法的运算速度和精度的要求，对模拟量、数字量的输入和输出都在接口电路设计信号隔离，PWM信号采用工业光纤传输，提高了控制器的抗干扰性和稳定性。所述变频器的控制器特点是体积较小，板卡集成度很高，而且对外接口十分丰富，适合装机装柜式变频器和壁挂式变频器，满足钢铁行业高性能多场合的应用需求。

更为具体地：

1.为了满足控制器紧凑型的设计要求，控制器内部电路板的层叠结构设计见系统结构示意图，即图2，各电路板的尺寸见图3，控制器机箱的尺寸是318mm×235mm×52mm。机箱内部板卡密集度很高，考虑到机箱的散热问题，在机箱的顶面和底面各设计了散热孔。

2.所述变频器的控制器对关键的模拟信号采样处理选用高精度、高分辨率的∑-△型A/D转换器，以满足整个变频器控制控制精度可以达到万分之一；∑-△型A/D转换器属于片内隔离芯片，实现了主回路信号与控制器内部信号的隔离，减少了噪声的传入和对控制器内部数字信号的干扰，并且模拟信号采样前端电路设计为差分仪表放大器，提高控制器的抗干扰性。

3.所述变频器的控制器对通用模拟输入和输出接口电路都设计了隔离电路，选用了高精度模拟隔离式放大器，避免回路电流的干扰，确保信号的准确性。

4.所述变频器的控制器对数字量的输入和输出接口电路都设计了隔离电路，选用的是高速数字光耦，保证高速数字通讯接口满足抗干扰性强、隔离电压高、高速度，优良的高频特性等要求。

5.所述变频器的控制器选用的电机专用控制芯片，满足变频系统高技术性能控制模型与算法的运算速度快、响应速度快、高精度等要求。

6.所述变频器的控制器的PWM输出接口选用工业光纤，保证长距离传输时控制器的高可靠性和抗干扰能力强。

7.所述变频器的控制器设计有分级保护电路，包括硬件比较电路、故障连锁保护电路等，减少误故障率，提高整个系统的可靠性和稳定性。

8.所述变频器的控制器具有丰富的通讯接口，支持以太网口，RS485，PROFIBUS DP接口。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种变频器的控制器，其特征在于，包括金属屏蔽盒、主控板、接口板、背板、对外连接端子；

壳体包括金属屏蔽盒，主控板、接口板、背板均竖直插入安装在金属屏蔽盒内，对外连接端子布置在壳体的顶面或者侧面；主控板通过背板电连接多个接口板；接口板电连接对外连接端子。

2.根据权利要求1所述的变频器的控制器，其特征在于，主控板包括电机控制芯片、数字信号处理芯片；电机控制芯片电连接数字信号处理芯片，数字信号处理芯片电连接所述多个接口板。

3.根据权利要求1所述的变频器的控制器，其特征在于，接口板包括A/D采集板、PWM控制板、模拟量输入输出板、数字量输入输出板、通讯板。

4.根据权利要求3所述的变频器的控制器，其特征在于，在金属屏蔽盒的内部空间中，PWM控制板、主控板、模拟量输入输出板由上往下依次排布在第一垂直面内，A/D采集板、通讯板、数字量输入输出板由上往下依次排布在平行于第一垂直面的第二垂直面内，背板的法向为水平方向。

5.根据权利要求3所述的变频器的控制器，其特征在于，PWM控制板包括PWM控制器和PWM输出接口，PWM控制器连接PWM输出接口，PWM输出接口采用工业光纤；A/D采集板包括∑-△型A/D控制器；模拟量输入输出板包括第一隔离电路；数字量输入输出板包括第二隔离电路；通讯板连接对外连接端子，对外连接端子包括以太网接口、RS485接口，PROFIBUS接口或者DP接口。

6.根据权利要求3所述的变频器的控制器，其特征在于，PWM控制板、主控板、模拟量输入输出板之间均设置有间隙；A/D采集板、通讯板、数字量输入输出板之间均设置有间隙。

7.根据权利要求1所述的变频器的控制器，其特征在于，壳体的顶部、侧面或者底部设置有散热孔。