DE19927126A1

DE19927126A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung und Regelung von Pulsumrichtern für elektrische Drehstromnetze

Info

Publication number: DE19927126A1
Application number: DE1999127126
Authority: DE
Inventors: Michael Krueger
Original assignee: ASK ANTRIEBS STEUERUNGS und IN
Current assignee: ASK ANTRIEBS STEUERUNGS und IN
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2001-01-04

Abstract

Eine Schaltungsanordnung (1) zur Steuerung und Regelung von Pulsumrichtern (2) für elektrische Drehstromnetze (3) mit einer Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung (4) und einem Prozessor zur Steuerung der Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung (4), der über einen Datenbus mit externen Steuergeräten (10) verbunden ist, hat als Prozessor einen RISC-Prozessor (8) mit einer integrierten Schnittstelle für einen Ethernet-Datenbus.

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Bauelement zur Steuerung von Pulsumrichtern für elektrische Drehstromnetze mit einer Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung und einem Prozessor zur Ansteuerung der Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschal tung, wobei der Prozessor über einen Datenbus mit externen Steu ergeräten verbunden ist.

Für die Ansteuerung von Drehstromversorgungen und von drehzahl variablen Drehstrommaschinen werden herkömmlicherweise Pulsum richter eingesetzt, bei denen die drei Phasenleitungen mit Hilfe einer pulsgesteuerten Halbbrücke mit dem oberen oder unteren Potential eines Gleichspannungszwischenkreises verbunden werden. Der Pulsumrichter wird von einem Pulsumrichter-Steuer- und Rege lungsteil angesteuert, der die für den gewünschten Betrieb er forderlichen Größen, wie z. B. Motordrehzahl und Motorstrom, mißt und die Frequenz und den Strom der drei Phasen mit dem Pulsumrichter steuert.

Herkömmliche Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltungen wei sen einen Microcontroller als Kern für die Mikroprozessorsteue rung auf. Für industrielle Anwendungen werden dabei bevorzugt Mikrocontroller verwendet, die für sogenannte "embedded control"-Anwendungen optimiert sind. Das heißt, daß der Mikro controller mit weiteren Funktionselementen zusammenarbeiten kann. Hierbei sind neben dem eigentlichen zentralen Prozessor (CPU) zusätzliche Komponenten wie Programm- und Datenspeicher, Oszillator und weitere optionale I/O-Funktionen auf einem Chip integriert.

Für die Ansteuerung des Leistungsteils, d. h. des Pulsumrich ters, sind allerdings besondere Peripheriefunktionen für die Pulserzeugung zur Steuerung des Pulsumrichters und zur Erfassung von analogen Meßgrößen erforderlich. Es sind daher sogenannte Motion-Controller bekannt, die eine Mikroprozessorsteuerung und zusätzliche umrichterspezifische Funktionen beinhalten. Dies sind z. B. Produkte wie der TMS 320 F 240-Motion Controller von Texas Instruments oder der C164-Motion Controller von Infinion Technologies.

Zur Vernetzung der Motion-Controller mit anderen Antriebsumrich tern und mit übergeordneten Steuerungen ist herkömmlicherweise eine serielle Kommunikationsschnittstelle, z. B. ein Feldbusin terface, vorgesehen, die von der Mikroprozessorsteuerung unter stützt wird.

Die bekannten Motion-Controller haben den Nachteil, daß nicht sämtliche Funktionen integriert und zusätzliche Elektronikbau teile erforderlich sind. Dies liegt daran, daß unterschiedliche Halbleiterprozesse für die verschiedenen Funktionen erforderlich sind. So sind z. B. für sehr hochwertige A/D-Umsetzer nicht zu sammen mit digitalen Mikroprozessoren integrierbar. Die oben genannten Motion-Controller verfügen daher z. B. nur über 10 Bit-A/D-Umsetzer, während bei hochwertigen Antriebsumrichtern mindestens eine 12 Bit Auflösung und mehr gefordert wird.

Die bislang verwendeten Mikroprozessoren sind relativ kostengün stige und einfache Prozessoren und haben daher auch nur relativ einfach anzusteuernde serielle Schnittstellen, wie beispielswei se eine RS232-Schnittstelle. Hierfür sind in den Mikrocontrol lern einfache Funktionen in Form z. B. eines sogenannten USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) vorge sehen.

Da in der Automatisierungstechnik sehr hohe Anforderungen an die Störsicherheit an die Datenübertragung gestellt werden, sind zusätzlich zu den einfachen seriellen Schnittstellen schaltungs technische Maßnahmen und zusätzliche Protokollfunktionen erfor derlich. Diese Sicherungsmaßnahmen sind als spezielle Standards definiert, um eine Austauschbarkeit und Universalität der Geräte für den Endanwender gewährleisten zu können. Diese Standards sind als Feldbussysteme bekannt, die jedoch sehr unterschiedli che Systeme wie Sercos, Interbus-S, CAN, Profibus, ASI usw. be inhalten. Damit die Endgeräte eine Vielzahl unterschiedlicher Feldbusstandards unterstützen, müssen die Motion-Controller nachteilig stark diversifiziert werden. Neben verschiedenen Va rianten der Schaltungsfunktionen werden auch verschiedene Va rianten der Programmsteuerung benötigt. Hierdurch wird der Ent wicklungsaufwand für entsprechend universell ausgerichtete An triebsumrichter enorm vergrößert. Zudem wirkt die Vielzahl einer gewünschten Bündelung zu großen Fertigungslosen entgegen.

Die Aufgabe der Erfindung war es daher eine universell einsetz bare Schaltungsanordnung zur Steuerung und Regelung von Pulsum richtern für elektrische Drehstromnetze anzugeben, die in großen Stückzahlen kostengünstig gefertigt werden kann, universell ein setzbar und sicher zu betreiben ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, eine bekannte Puls umrichter-Steuer- und Regelungsschaltung und einen RISC-Prozes sor zusammenzuschalten, der eine integrierte Schnittstelle für einen Ethernet-Datenbus hat.

Die Verwendung eines Ethernet-Datenbusses hat den Vorteil, daß dieser sehr universell einsetzbar und sicher zu betreiben ist.

Aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Personalcomputern als Industrie-PC ist ein Ethernet-Netzwerk in der Automatisierungs technik gut einsetzbar und kann somit als universelles Interface zum Einsatz kommen.

Funktional entspricht ein Ethernet-Interface den bisher verwen deten Feldbus-Interface. Allerdings benötigt die Protokollab wicklung des Ethernet-Standards eine sehr leistungsfähige Rech nereinheit. Die bisher verwendeten. Mikrocontroller, zumeist 16- Bit-Controller mit Taktfrequenzen im Bereich von 20 bis 40 MHz, können hierfür nicht verwendet werden. Aus diesem Grunde wurden die bekannten Feldbussysteme entwickelt.

Um die bekannten Motion-Controller für eine Ethernet-Anbindung umzukonstruieren hätten daher für Industrieanwendungen geeignete Hochleistungs-DSP (digitale Signal-Prozessoren) mit signifikant höherer Leistungsfähigkeit alsdie herkömmlichen Mikrocontroller eingesetzt werden müssen. Diese sind jedoch sehr teuer und wei sen eine relativ große Chipfläche auf.

Es hat sich gezeigt, daß RISC-Prozessoren mit Ethernet-Datenbus, die eigentlich für Telekommunikationsaufgaben optimiert sind, hervorragend in Verbindung mit Prozessumrichterschaltungen ein gesetzt werden können. RISC-Prozessoren sind Prozessoren mit re duziertem Befehlsvorrat, die mit Taktfrequenzen von ca. 100 bis 200 MHz arbeiten und eigentlich für die digitale Signalverarbei tung von Bild- und Audiodaten konstruiert sind. Derartige RISC- Prozessoren sind mit integriertem Ethernet-Interface verfügbar und sehr preisgünstig, da im Unterschied zur Industrieelektronik im Bereich der Telekommunikation enorme Produktionsstückzahlen vorherrschen. Es kann damit eine preiswerte und sehr leistungs fähige Schaltungsanordnung zur Steuerung- und Regelung von Puls wellen-Umrichtern bereitgestellt werden, die durch das Ethernet- Interface ein universell verfügbares Kommunikationsinterface bietet, wodurch zusätzlich die Variantenzahl bei der Geräteaus führung verringert wird.

Zusätzlich haben RISC-Prozessoren den Vorteil, daß sie Funktio nen bereitstellen, wie sie für die Steuerung von Pulsumrichtern benötigt werden. Dies sind insbesondere integrierte Programm- und Datenspeicher, ein integriertes Kommunikationsinterface und optional einsetzbare I/O-Funktionen.

RISC-Prozessoren sind Prozessorbausteine, die einen im Vergleich zu Mikroprozessoren reduzierten Befehlssatz haben und dadurch weniger komplex aufgebaut sind. Eine besondere Ausführung eines RISC-Prozessors ist der sogenannte ARM™-Prozessor, der von ver schiedenen Herstellern in Lizenz gefertigt und mit zusätzlichen Funktionen wie z. B. einem Ethernet-Interface integriert ist.

Es ist vorteilhaft, wenn der verwendete RISC-Prozessor zur digi talen Signalverarbeitung mit hoher Taktrate ausgebildet ist. Vorzugsweise werden RISC-Prozessoren verwendet, die für Telekom munikationsaufgaben, insbesondere für die digitale Signalverar beitung von Bild- und Audiodaten optimiert sind.

Die Taktrate der RISC-Prozessoren sollte mindestens 100 MHz be tragen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der RISC-Prozessor zusammen mit der Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung integriert ist, wobei die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung di gitale und analoge Schaltungsfunktionen aufweist. Hierbei be steht die Problematik, daß zur Integration mehrere Prozesse be nötigt werden. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, daß die Schaltungsanordnung als anwenderintegriertes Bauelement (ASIC) gefertigt wird. Vorzugsweise erfolgt die Integration jedoch in der 0,35 µ Technik.

Die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung ist vorzugswei se so ausgebildet, daß sie ein dreikanaliges impulslängenmodu liertes Signal (PWM-Signal) für die Pulsansteuerung des Pulsum richters bereitstellt. Vorzugsweise sind zusätzliche einkanalige PWM-Signale für optional erforderliche Hilfsfunktionen, wie z. B. die Anforderung von Bremschoppern o. ä., vorhanden. Die Puls umrichter-Steuer- und Regelungsschaltung sollte weiterhin mehre re Sample- und Hold-Elemente haben, die zeitsynchron zur Impuls längenmodulation bzw. den PWM-Signalen umgeschaltet werden. Wei terhin sollten Schnittstellen, digitale Zähler- und andere Lo gikfunktionen für die Auswertung von digitalen Sensoren, wie z. B. Encodern in Schaltern und Meßtastern vorgesehen sein.

Zudem ist vorteilhaft, wenn die Pulsumrichter-Steuer- und Rege lungsschaltung eine Anzahl Komparatoren bereitstellt um analoge Gebersignale wie z. B. von Encodern, in digitale Signale für die Auswertung durch die Zählerfunktionen bereitstellt. Es sollte weiterhin eine Anzahl von Operationsverstärkern zur Signalanpas sung und Filterung von analogen Eingangssignalen verfügbar sein. Zudem sollten hochauflösende A/D-Umsetzer zur Umwandlung analo ger Eingangssignale, z. B. zur Auswertung von Resolver-Signalen, bereitgestellt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnun gen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schaltungsanordnung zur Steuerung und Regelung von Pulsumrichtern mit einer Pulsumrichter-Steu er- und Regelungsschaltung und einem RISC-Prozes sor mit Ethernet-Datenbus;

Fig. 2 Herkömmliche Schaltungsanordnung mit Pulsumrich ter-Steuer- und Regelungsschaltung und Mikropro zessor mit Feldbus-Interface;

Fig. 3 Schaltungsskizze eines mit PWM-Signalen gesteuer ten Pulsumrichters für ein elektrisches Dreh stromnetz mit Pulsumrichter-Steuer- und Rege lungsschaltung.

Die Fig. 1 läßt eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung 1 zur Steuerung und Regelung von Pulsumrichtern 2 für ein elektri sches Drehstromnetz 3, insbesondere für elektrische Drehstroman triebe erkennen. Der Strom und die Frequenz des elektrischen Drehstromnetzes 3 werden durch einen an sich bekannte Pulsum richter 2 gesteuert, die z. B. aus einer pulsgesteuerten B6- Transistorbrücke gebildet sind und über einen Gleichspannungs zwischenkreis versorgt werden. Die Ansteuerung des Pulsumrich ters 2 erfolgt mit impulslängenmodulierten Signalen sogenannten PWM-Signalen, die von einer Pulsumrichter-Steuer- und Regelungs schaltung 4 generiert werden. Hierzu weist die Pulsumrichter- Steuer- und Regelungsschaltung 4 eine an sich bekannte Leistungsteilansteuerung 5 mit einer PWM-Modulation auf. Die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung 4 hat weiterhin ebenfalls bekannte Schnittstellen zu dem Drehstromnetz 3 und daran angeschlossenen Drehstromantrieben 6, insbesondere um den Zustand des Drehstromnetzes 3 und der Drehstromantriebe 6 zu messen und über die Leistungsteilansteuerung 5 nachzuregeln. Hierzu ist ein Analogteil 7 in der Pulsumrichter-Steuer- und Re gelungsschaltung 4 vorgesehen, u. a. mit Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlern (A/D, D/A). Zur Signalaufbereitung sind ferner Filter und Elemente zur Signalanpassung, wie z. B. Opera tionsverstärker vorgesehen.

Zur Steuerung der Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung 4 ist ein Mikroprozessor in Form eines RISC-Prozessors 8 vorgese hen. Der RISC-Prozessor 8 hat im Unterschied zu herkömmlichen Mikroprozessoren einen reduzierten Befehlssatz und kann daher kompakter aufgebaut werden. Auch im Vergleich zu herkömmlichen digitalen Signalprozessoren ist ein RISC-Prozessor 8 kleiner, kostengünstiger und hat weniger Overhead-Funktionen. Der RISC- Prozessor 8 hat ein integriertes Ethernet-Interface 9, so daß die Schaltungsanordnung mit einer übergeordneten Steuerung 10 oder weiteren Antrieben bzw. ähnlichen Schaltungsanordnungen verbunden werden kann.

Die Fig. 2 läßt eine herkömmliche Schaltungsanordnung 1 erken nen, die im Unterschied zu der erfindungsgemäßen Schaltungsan ordnung lediglich einen Mikroprozessor 11 aufweist. Dieser hat ebenso wie ein RISC-Prozessor konfigurierbare Steuer- und Rege lungsfunktionen 12 zur Steuerung der Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung 4. Im Unterschied zu dem RISC-Prozessor weist der Mikroprozessor 11 jedoch lediglich ein Feldbus-Interface 13 auf. Dies ist ein serielles Kommunikations-Interface, das nur eine eingeschränkte Rechenleistung erfordert und nur einen ge ringen Protokolloverhead aufweist. Als Feldbus-Interface 13 wer den meist einfache USARTs (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) verwendet, mit denen z. B. die weit ver breitete RS232-Schnittstelle umsetzbar ist. Das Feldbus-Inter face 13 der Mikroprozessoren 11 muß sowohl bzgl. der Hardware, als auch der Software an das jeweils verwendete Feldbus-System 13, wie z. B. Sercos, Interbus-S. CAN, Profibus, ASI etc. ange paßt werden.

Im Gegensatz hierzu wird bei dem in der Fig. 1 dargestellten RISC-Prozessor 8 ein Ethernet-Interface 9 verwendet, daß stan dardmäßig in den RISC-Prozessor 8 integriert ist. Das Ethernet- Interface 9 benötigt zur Protokollabwicklung eine sehr leistungsfähige Recheneinheit, wozu die in der Fig. 2 darge stellten Mikroprozessoren 11 nicht geeignet sind. Diese arbeiten nämlich mit Taktfrequenzen im Bereich von 20 bis 40 MHz und sind zumeist als 16-Bit-Controller ausgelegt. Ein RISC-Prozessor 8, der für Kommunikationsanwendungen optimiert ist, arbeitet hin gegen mit Taktfrequenzen von 100 bis 200 MHz. Die für einen Ethernet-Datenbus erforderliche Rechenleistung resultiert ins besondere an der Notwendigkeit der Umsetzung eines universellen TCP/IP-Protokolls, das sehr komplex und aufwendig ist.

In der Fig. 3 ist der grundlegende Aufbau einer Schaltungsan ordnung zur Steuerung und Regelung von elektrischen Drehstrom netzen 3 bzw. elektrischen Drehstromantrieben 6 skizziert. Kern der Schaltung ist ein Pulsumrichter 2, der aus einer B6- Transistorbrücke besteht. Hierbei werden die drei Phasen des Drehstromnetzes 3 an die obere bzw. untere Klemme eines Gleich spannungszwischenkreises 14 geschaltet. Die B6-Transistorbrücke wird durch ein impulslängenmoduliertes Signal (PWM-Signal) von einer Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung 4 angesteu ert. Hierzu werden von der Pulsumrichter-Steuer- und Regelungs schaltung 4 Signale des Drehstromnetzes 3 bzw. des Drehstroman triebes 6 gemessen und ausgewertet. Die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung 4 hat somit einen analogen Schaltungsteil zur Umwandlung und Digitalisierung dieser Meßgrößen. Im übrigen arbeitet die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung digi tal 4.

Die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung hat mindestens folgende Funktionen für die Steuerung des Pulsumrichters 2 und für die Systemeinbindung in Verbindung mit dem RISC-Prozessor 8, der eigentlich für Telekommunikationsanwendungen optimiert ist:

1. Dreikanalige PWM-Signalerzeugung für die Pulsansteuerung des Leistungsteils 5;
2. Universelles paralleles Prozessor-Businterface mit typi scherweise 16-Bit-Datenbus und zusätzlich benötigten Steu er- und Adressleitungen;
3. Mehrere einkanalige PWM-Signale für optional erforderliche Hilfsfunktionen, z. B. zur Ansteuerung von Bremschoppern;
4. Mindestens ein A/D-Umsetzer, vorzugsweise mit 12-Bit-Auflö sung;
5. Mehrere (typischerweise 3 bis 9) synchrone Sample- und Hold-Elemente und eine zugehörige Zeitsteuerung, die die Zustandsumschaltung der Sample- und Hold-Elemente zeitsyn chron zur PWM-Signalerzeugung erlaubt;
6. Digitale Zähler und andere Logikfunktionen für die Auswer tung von digitalen Sensoren, wie z. B. Encodern, Endschal tern und Meßtastern;
7. Mehrere Komparatoren für die Umwandlung analoger Gebersi gnale, wie z. B. bei Encodern gebräuchlich, in digitale Signale für die Auswertung durch Zähler;
8. Mehrere Operationsverstärker zur Signalanpassung und Filte rung analoger Eingangssignale;
9. Schutzfunktionen für das Leistungsteil 5, die bei Überla stungen oder sonstigen Überschreitungen des zulässigen Be triebsbereichs das Leistungsteil 5 unabhängig von dem über geordneten Prozeß deaktiviert;
10. Hochauflösende Analog-Digital-Umsetzer (≧ 16 Bit), die mit einem integrierenden Digitalisierungsverfahren arbeiten, für die Auswertungen von Resolver-Signalen;
11. Weitere Logikfunktionen, die für die Ablaufsteuerung der oben genannten Funktionen und für den Datenaustausch über das Businterface erforderlich sind.

Claims

1. Schaltungsanordnung (1) zur Steuerung und Regelung von Pulsumrichtern (2) für elektrische Drehstromnetze (3) mit einer Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung (4) und einem Prozessor zur Ansteuerung der Pulsumrichter- Steuerungs- und Regelungsschaltung (4), wobei der Prozessor über einen Datenbus mit externen Steuergeräten (10) verbun den ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein RISC-Prozessor (8) ist und eine integrierte Schnittstelle für einen Ethernet-Datenbus hat.

2. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der RISC-Prozessor (8) zur digitalen Signal verarbeitung mit hoher Taktrate ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Taktrate mindestens 100 MHz beträgt.

4. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsumrichter- Steuer- und Regelungsschaltung (4) digitale und analoge Schaltungsfunktionen aufweist.

5. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschal tung (4) zur Erzeugung eines dreikanaligen impulslängenmo dulierten Signals (PWM) für die Pulsansteuerung des Pulsum richters (2) ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschal tung (4) zur Erzeugung mehrerer einkanaliger impulslängen modulierter Steuersignale ausgebildet ist.

7. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung (4) mehrere Sample- und Hold-Elemente hat, die zeitsynchron mit den Impulslängen modulierten Si gnalen geschaltet werden.

8. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere Komparatoren zur Umwandlung analoger Gebersignale in digitale Signale.

9. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung (4) mehrere Operationsverstärker zur Signalanpassung und Filterung analoger Eingangssignale hat.

10. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschaltung (4) Analog-Digital-Umsetzer zur Umwand lung analoger Eingangssignale in digitale Signale hat.

11. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, daß die Pulsumrichter-Steuer- und Regelungsschal tung (4) und der RISC-Prozessor (8) ein integriertes Halb leiterbauelement bildet.