NL1029659C2 - Verwerkingseenheid. - Google Patents

Description

Titel: Verwerkingseenheid I De uitvinding heeft betrekking op een verwerkingseenheid voor het verwerken van een meetsignaal dat is gerelateerd aan condities van een door vermogenselektronica aangestuurd object, omvattende een interface met digitale aansluitpunten, waarbij het interface is voorzien van tenminste 5 één aansluitpunt voor een sensor die het meetsignaal genereert, voorts omvattende een rekeneenheid waarop het interface is aangesloten, waarbij de rekeneenheid is uitgerust met een real time besturingssysteem.

Een dergelijke verwerkingseenheid is bijvoorbeeld bekend als meetapparatuur voor het verwerken en weergeven van een meetsignaal dat 10 is gerelateerd aan bedrijfscondities van een wisselstroommotor die een compressor met hoog vermogen aandrijft. Een meetsignaal dat tijdens bedrijf van de motor wordt gegenereerd door een stroomsensor geeft bijvoorbeeld de elektrische stroom weer in een wikkeling van de motor. Het interface digitaliseert het analoge meetsignaal en voert het door aan de 15 rekeneenheid. In de bekende verwerkingseenheid is de rekeneenheid uitgevoerd als een digitale signaalprocessor (DSP), zodat het gedigitaliseerde signaal verder kan worden verwerkt, bijvoorbeeld voor weergave, opslag en/of berekeningen. Aangezien de rekeneenheid is uitgerust met een real time besturingssysteem kan het meetsignaal real 20 time worden verwerkt.

Digitale signaalprocessoren zijn bij uitstek geschikt voor het real time verwerken van digitale signalen, onder meer vanwege bewezen betrouwbaarheid, aantrekkelijke energetische eigenschappen en lage kostprijs. Voor het real time verwerken van een meetsignaal dat is 25 gerelateerd aan bedrijfscondities van een wisselstroommotor die een compressor met een relatief hoog nominaal toerental, zoals een turbocompressor, aandrijft, kan de rekencapaciteit van huidige DSP’s echter 1029659- 2 tekort schieten. Het aantal verwerkingsstappen dat de DSP binnen een bemonsteringscyclus van het meetsignaal kan uitvoeren neemt namelijk af naarmate de bemonsteringsfrequentie van het meetsignaal toeneemt. Veelal is de bemonsteringsfrequentie van het meetsignaal gekozen in 5 evenredigheid met de frequentie van een aanstuursignaal van de wisselstroommotor. Meestal is de frequentie van het aanstuursignaal hoger naarmate het toerental van de wisselstroommotor toeneemt, zodat de relatief hoge fundamentele frequenties van de wisselstroommotor kunnen worden verwerkt.

10 De uitvinding beoogt een verwerkingseenheid overeenkomstig de aanhef van conclusie 1 te verkrijgen, waarbij het hierboven genoemde nadeel wordt tegengegaan. In het bijzonder beoogt de uitvinding een verwerkingseenheid te verkrijgen voor het verwerken van een meetsignaal dat is gerelateerd aan condities van een door vermogenselektronica 15 aangestuurd object, waarbij de verwerkingseenheid bij een relatief hoog nominaal toerental van de elektrische machine en een daarbij gewenste hoge bemonsteringsfrequentie toch een relatief hoog aantal verwerkingsstappen real time kan uitvoeren voor het verwerken van relatief hoge fundamentele frequenties van de elektrische machine. Daartoe omvat 20 de rekeneenheid general purpose apparatuur.

Hoewel een general purpose processor vanwege lagere betrouwbaarheid, hoger energieverbruik en relatief hoge kostprijs niet in aanmerking zou komen voor toepassing in een verwerkingseenheid voor het verwerken van meetsignalen van objecten die worden aangestuurd door 25 vermogenselectronica, leidt applicatie van een general purporse processor echter wel tot een grotere rekencapaciteit, met name ten aanzien van floating point operaties, zodat bij een relatief hoog toerental van de wisselstroommotor toch real time een relatief hoog aantal verwerkingsstappen op het gedigitaliseerde meetsignaal kan worden 30 uitgevoerd.

'1029659” i 3 !

Door toepassing van een general purpose processor is bovendien een platform verkregen waarop standaard programmatuur kan worden geïnstalleerd, bijvoorbeeld voor het programmeren van de verwerkingsstappen. Bovendien kunnen gecompileerde programma’s van 5 specifieke algoritmen worden gecombineerd zonder vrijgave van broncodes, bijvoorbeeld voor testdoeleinden. Daarnaast kan de verwerkingseenheid relatief gemakkelijk worden ingericht om gegevens met andere apparatuur uit te kunnen wisselen, bijvoorbeeld voor het downloaden van programmatuurcode, het verkrijgen van meetgegevens, het opslaan van 10 gegevens, het aanpassen van parameters, etcetera. Voorts kan de verwerkingseenheid in een bestaande PC worden ingebouwd of als standalone eenheid worden uitgevoerd.

Door de verwerkingseenheid zodanig in te richten dat de eenheid in afhankelijkheid van het meetsignaal een stuursignaal voor het regelen van 15 het door de vermogenselektronica aangestuurd object genereert, is op voordelige wijze een verwerkingseenheid verkregen die ook kan worden toegepast voor het regelen van bijvoorbeeld een wisselstroommotor van een compressor met een relatief hoog toerental, zoals een turbocompressor. Voor het regelen van een wisselstroommotor is namelijk een minimaal aantal 20 verwerkingsstappen van het meetsignaal vereist. Deze verwerkingsstappen kunnen door gebruik van de general purpose processor binnen de bemonsteringscyclus van het meetsignaal worden uitgevoerd, zodat het regelen van compressoren met relatief hoge toerentallen tot de mogelijkheden behoort, dit in tegenstelling tot de bekende 25 verwerkingseenheid die is uitgevoerd met een huidig verkrijgbare DSP.

Op voordelige wijze kan de verwerkingseenheid worden toegepast voor het verwerken van een meetsignaal dat is gerelateerd aan een elektrische machine met een hoog nominaal vermogen dat wordt aangestuurd door de vermogenselektronica. Hierdoor kunnen ook 30 meetsignalen van elektrische machines met hoog nominaal vermogen, 1029659“ 4 bijvoorbeeld met een vermogen van meer dan circa 1 kW, of meer dan 30 kW of circa 50 kW, real time worden verwerkt. Voorts kunnen elektrische motoren met hoog vermogen aldus worden geregeld.

Voorts kan het interface worden ingericht voor het ontvangen van 5 een meervoudig aantal meetsignalen die gerelateerd zijn aan condities van het door de vermogenselektronica aangestuurde object. Zo kunnen naast één of een meervoudig aantal meetsignalen die stroomsterktes representeren in wikkelingen van de elektrische machine, ook andere meetsignalen op het interface worden aangesloten, bijvoorbeeld een meetsignaal dat de 10 voedingsspanning van vermogenselektronica van de motor representeert, en/of een meetsignaal dat de positie, het toerental en/of het actuele koppel van de motor representeert. Ook kunnen meetsignalen die betrekking hebben op bedrijfscondities van de compressor, zoals opgebouwde druk, stroming, temperatuur, trillingen en/of ruis, worden toegevoerd aan de 15 digitale invoer/uitvoereenheid. Door toepassing van de general purpose processor kunnen diverse meetsignalen eenvoudig op de verwerkingseenheid worden aangesloten. Bovendien kan eventueel vermogenselektronica van verschillende elektrische machines door slechts één verwerkingseenheid worden geregeld. In plaats van meetsignalen die 20 allerlei fysische grootheden representeren kan de elektrische machine ook worden geregeld met behulp van meetsignalen die slechts elektrische stromen door één of een meervoudig aantal wikkelingen van de wisselstroommotor representeren. Hierdoor kan worden bespaard op sensoren, hetgeen naast een kostprijsvoordeel tevens een 25 betrouwbaarheidstoename oplevert. Voor het verkrijgen van een stabiele regeling kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van een wiskundig model van de motor.

Op gemerkt wordt dat de verwerkingseenheid overeenkomstig de uitvinding kan worden toegepast op elektrische machines die ofwel een ' 30 enkelvoudige wikkeling ofwel een meervoudige wikkeling hebben, 1029659“ 5 bijvoorbeeld voor voeding met drie fasen. Voorts kan de verwerkingseenheid worden toegepast op een elektrische machine die in plaats van een compressor een andere inrichting aandrijft, zoals robotactuatoren.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn 5 weergegeven in de volgconclusies.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden die in de tekening zijn weergegeven. In de tekening toont:

Figuur 1 een schematisch aanzicht van een verwerkingseenheid 10 overeenkomstig de uitvinding; en

Figuur 2 een grafische weergave van een aanstuursignaal overeenkomstig de uitvinding.

De figuren zijn slechts schematische weergaven van de uitvinding en worden uitsluitend gegeven bij wijze van niet-beperkende 15 uitvoeringsvoorbeelden.

Figuur 1 toont een schematisch aanzicht van een verwerkingseenheid 1 overeenkomstig de uitvinding. De verwerkingseenheid 1 omvat een rekeneenheid die is uitgevoerd als een general purpose processor 2, ook wel PC-compatibele processor genoemd, 20 zoals een desktop PC, PC/104, Compact PCI, Industriële PC, PC- moederbord en dergelijke. Voorts omvat de verwerkingseenheid 1 een interface dat een FPGA 3 omvat. Uiteraard kan het interface in plaats van een FPGA 3 ook een ander type omvatten, bijvoorbeeld een PLD. Voorts omvat het interface een A/D omzetter 4 met een meervoudig aantal 25 aansluitingen 5a-5e voor sensoren. De FPGA 3 is op een printplaat 3a aangebracht. De FPGA 3 heeft digitale aansluitpunten voor communicatie met de general purpose processor 2.

De general purpose processor 2 is gemonteerd op een standaard moederbord 6. De FPGA 3 is via een PCI bus aangesloten op de processor 2, 30 zodat een relatief goedkope en flexibele implementatie is verkregen.

1029659" 6

Transport van gegevens tussen de FPGA 3 en de processor 2, in Figuur 1 symbolisch aangeduid door een wederkerige pijl 7, kan hierdoor snel en betrouwbaar kan worden uitgevoerd. In plaats van een separate uitvoering kunnen de FPGA 3 en de processor 2 ook worden geïntegreerd op één 5 printplaat zodat een compacte eenheid is verkregen en datatransport potentieel nog sneller en betrouwbaarder kan worden uitgevoerd. Voorts kan de A/D omzetter 4 naar keuze geïntegreerd met de FPGA 3 op één printplaat 3a worden geïmplementeerd of separaat daarvan.

Het is echter ook mogehjk zowel de processor 2, als de FPGA 3 en 10 de AD omzetter 4 in een standaard PC 8 onder te brengen, bijvoorbeeld voor het downloaden van broncode.

De verwerkingseenheid 1 regelt de aandrijving van een als wisselstroommotor 9 uitgevoerd object dat door vermogenselektronica wordt aangestuurd, zoals hieronder in meer detail wordt beschreven. De 15 wisselstroommotor 9 heeft bijvoorbeeld een nomimaal toerental van circa

80.000 toeren per minuut bij bijvoorbeeld circa 500 kW en drijft een compressor 10 aan. De drie-fasige voeding lla-llc is aangesloten op een gelijkrichter 12. Bij de uitgangen van de gelijkrichter 12 is een eerste sensor op gesteld die een meetsignaal genereert dat de gelijkspanning 20 representeert. Het meetsignaal wordt via een aansluiting 5a van de A/D

omzetter 4 ingevoerd in de verwerkingseenheid 1. Voorts is een pulsbreedte modulatie (PWM) omzetter 14 via een driver aangesloten op de uitgangen van de gelijkrichter 12. De PWM-omzetter 14 omvat vermogenselektronica voor het in afhankelijkheid van stuursignalen genereren van een 25 hoogfrequente vermogensspanning die wordt aangeboden aan de wikkelingen van de wisselstroommotor 9. De vermogenselektronica is aldus via de driver aangesloten op digitale uitgangen van de FPGA 3 en verkrijgt daardoor de stuursignalen die worden gegenereerd door de verwerkingseenheid 1. De driver kan in of aan de PWM-omzetter 14 zijn 30 aangebracht. Het is echter ook mogehjk de driver elders onder te brengen, 1029659' 7 bijvoorbeeld bij de uitgang van de A/D omzetter 4. De uitgangen van de PWM-omzetter 14 zijn via stroomsensoren 15, 16, bijvoorbeeld Hall-sensoren of sensoren met een shunt, aangesloten op de wikkelingen van de motor 9. De stroomsensoren 15, 16 zijn via aansluitpunten 5b, 5c 5 aangesloten op de A/D omzetter 4 voor het verwerken van meetsignalen, namelijk van elektrische stromen, die gerelateerd zijn aan bedrijfscondities van de elektrische machine. Voorts zijn als optie op de as van de motor 9 sensoren 17 aangebracht voor het meten van overige bedrijfscondities, zoals de aspositie en/of toerental van de motor. Daarnaast zijn optioneel sensoren 10 aangebracht in en/of aan de turbine 10 voor het verrichten van metingen aan bijvoorbeeld opgebouwde druk, stroming, temperatuur, trillingen en/of ruis in de turbine. De sensoren 17 op de as van de motor 9 en in en/of aan de turbine 10 zijn via aansluitpunten 5d, 5e aangesloten op de A/D omzetter 4.

Door toepassing van de A/D omzetter 4 kunnen de door de sensoren 15 gegenereerde meetsignalen op discrete niveau’s worden afgebeeld, zodat na bemonstering een digitaal signaal is verkregen. De digitale signalen worden via communicatiekanalen 7 in de printplaat 6 naar de processor 2 getransporteerd. Aangezien de general purpose processor 2 is voorzien van een real time besturingssysteem kunnen real time verwerkingsstappen op 20 de gedigitaliseerde meetsignalen worden uitgevoerd. In afhankelijkheid van de gedigitaliseerde meetsignalen genereert de processor 2 een stuursignaal. Het stuursignaal wordt vervolgens via de FPGA 3 naar de vermogenselektronica van de PWM-omzetter 14 gezonden.

Figuur 2 toont een aantal grafische weergaven van een 25 aanstuur signalen 20 voor een driefasige motor waarbij de spanning ui, U2 en U3, uitgedrukt in spanning V is weergegeven als functie van de tijd, uitgedrukt in milliseconden ms. De figuren tonen aldus de signalen voor achtereenvolgens fase 1, fase 2 en fase 3 van de elektrisch motor 9. Het aanstuursignaal 20 is een pulsbreedte gemoduleerd signaal en representeert 30 de stuurspanning die wordt aangeboden aan het circuit van de elektrische 1029659' 8 motor. Het tijdgemiddelde van het pulsbreedte gemoduleerde signaal is de gewenste referentiespanning 21 die door de processor 2 is berekend. Door het inductieve karakter van de elektrische motor wordt slechts de tijdgemiddelde waarde van het aanstuursignaal 20 gevolgd, terwijl hogere 5 tijdharmonische componenten worden uitgefilterd.

Figuur 3 toont een aantal signalen in meer detail. Voor de eenvoud is ervoor gekozen in Figuren 3 en 4 signalen weer te geven die betrekking hebben op een elektrische DC-motor. In het geval van een AC-motor is het gedrag van de signalen vergelijkbaar. Zo is in de bovenste grafiek het 10 aanstuursignaal (Ui) 20 weergegeven. Dit signaal is symmetrisch pulsbreedte gemoduleerd, zodat het signaal de hoge waarde aanneemt rondom het centrum van de pulscode-periode. Uiteraard is het ook mogelijk de modulatie anders uit te voeren, bijvoorbeeld asymmetrisch. Aangezien de elektrische motor zich inductief gedraagt, neemt de elektrische stroom in de 15 wikkeling toe, in hoofdzaak lineair, wanneer de stuurspanning positief is, en neemt de elektrische stroom af wanneer de stuurspanning negatief is. Dit is weergegeven in de middelste grafiek van Figuur 3. Hierbij is de elektrische stroom 22 aangegeven als I\. De elektrische stroom 22 heeft in hoofdzaak een zaagtandvormig profiel dat is gesuperponeerd op een constante waarde, 20 namelijk in het geval van een gelijkstroommotor, of op een harmonisch signaal, namelijk in het geval van een motor die wordt aangedreven door een wisselspanning.

In een eerste uitvoeringsvorm is bemonsterd op tijdstippen 23 die zijn aangegeven met een vetgedrukte stip in de middelste grafiek van 25 Figuur 3. De gemeten waarden van de elektrische stroom op de bemonsteringstijdstippen 23 variëren enigszins ten gevolge van het zaagtandvormige profiel van de elektrische stroom 22. Hierbij wordt voor de berekening van een besturingssignaal 21 in de pulscode-periode volgend op de periode waarin de elektrische stroom 22 is gemeten, steeds een constante 30 waarde 24 van de elektrische stroom 22 verondersteld. Deze constante 1029659" 9 waarde 24 verspringt dus ten gevolge van de willekeurige bemonsteringstijdstippen in de pulscode-periode. Aangezien het gemiddelde van de elektrische stroom 22 binnen een pulscode-periode nagenoeg constant is, zou een nagenoeg constante referentiestroom 25 praktisch 5 hetzelfde motorgedrag opleveren. In de huidige uitvoeringsvorm zal de referentiespanning 21 corrigeren voor het enigszins grillige gedrag van de binnen een pulscode-periode constant veronderstelde elektrische stroom 24. De corrigerende referentiespanning 21 is getoond in de onderste grafiek van Figuur 3, aangegeven als {Tref.

10 In een tweede uitvoeringsvorm is de bemonsteringstijdstip van de elektrische stroom 22 gesynchroniseerd met het stuursignaal 20, en wel zodanig dat de elektrische stroom 22 in het centrum van de pulscode-periode wordt gemeten. Aangezien het stuursignaal 20 symmetrisch is, is de elektrische stroom 22 in het centrum van de pulscode-periode gelijk aan de 15 fundamentele stroomwaarde. Door op bovengenoemde tijdstip te bemonsteren worden bovenharmonisch componenten van de elektrische stroom 22 uitgefilterd, zodat de regeling stabieler wordt. Dit is weergegeven in Figuur 4, waarbij de drie grafieken dezelfde signalen tonen als in Figuur 3. Duidelijk zichtbaar is dat de bemonsterde elektrische stroom 23 vrijwel 20 constant is en samenvalt met de nagenoeg constante referentiestroom 25. Bijgevolg is de corrigerende stuur spanning 21 ook praktisch constant, hetgeen frequentieschommelingen in het toerental van de motor 9 en overmatig motorverlies door opwarming tegengaat. Voor het realiseren van de synchrone bemonstering wordt de klok van de processor geregeld door de 25 FPGA met behulp van een interruptverbinding 18.

Opgemerkt wordt dat het door de processor 2 geconsumeerde vermogen bij toepassing van compressoren 10 met relatief groot vermogen verwaarloosbaar is. Ten einde een grote betrouwbaarheid van de verwerkingseenheid 1 te verkrijgen is een deel van de tijdkritische 30 functionaliteit geïmplementeerd in de FPGA 3.

1029659- 10

De uitvinding is niet beperkt tot het hier beschreven uitvoeringsvoorbeeld. Vele varianten zijn mogelijk.

Zo kan de verwerkingseenheid worden ingericht voor het verwerken van een meetsignaal dat in plaats van vermogenselektronica van 5 een elektrische machine is gerelateerd aan vermogenselektronica van een actief front end van een inverter voor het reduceren van de harmonische inhoud van de elektrisch aansturing, of van een magnetisch lagersysteem van een compressor.

Voorts kan een meervoudig aantal FPGA's worden toegepast in 10 plaats van slechts één FPGA. Ook kan in plaats van een wisselstroommotor een gelijkstroommotor worden toegepast. Daarnaast is het mogelijk de verwerkingseenheid in te richten voor het verwerken van meetsignalen die gerelateerd zijn aan vermogenselektronica van een meervoudig aantal elektrische machines.

15 Dergelijke varianten zullen de vakman duidelijk zijn en worden geacht te liggen binnen het bereik van de uitvinding, zoals verwoord in de hiernavolgende conclusies.

1029659-

Claims (13)

1. Verwerkingseenheid voor het verwerken van een meetsignaal dat is gerelateerd aan condities van een door vermogenselektronica aangestuurd object, omvattende een interface met digitale aansluitpunten, waarbij het interface is voorzien van tenminste één aansluitpunt voor een sensor die het 5 meetsignaal genereert, voorts omvattende een rekeneenheid waarop het interface is aangesloten, waarbij de rekeneenheid is uitgerust met een real time besturingssysteem en waarbij de rekeneenheid een general purpose processor omvat.

2. Verwerkingseenheid volgens conclusie 1, waarbij de 10 verwerkingseenheid is ingericht voor het in afhankelijkheid van het meetsignaal genereren van een stuursignaal voor het regelen van het door de vermogenselektronica aangestuurd object.

3. Verwerkingseenheid volgens conclusie 1 of 2, waarbij het door de vermogenselektronica aangestuurde object een elektrische machine omvat.

4. Verwerkingseenheid volgens conclusie 3, waarbij de elektrische machine een hoog nominaal vermogen heeft.

5. Verwerkingseenheid volgens conclusie 4, waarbij de wisselstroommotor tijdens bedrijf een compressor aandrijft.

6. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, 20 waarbij het interface is voorzien van een aansluitpunt voor het verzenden van het stuursignaal naar schakelmiddelen van de vermogenselektronica

7. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het meetsignaal de elektrische stroom door een wikkeling van de elektrische machine representeert.

8. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het interface is ingericht voor het ontvangen van een meervoudig 1029659- aantal meetsignalen die gerelateerd zijn aan condities van het door de vermogenselektronica aangestuurde object.

9. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de verwerkingseenheid is ingericht voor het genereren van het 5 stuursignaal in afhankelijkheid van meetsignalen die slechts elektrische stromen door één of een meervoudig aantal wikkelingen van de elektrische machine representeren.

10. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de general purpose processor is gesynchroniseerd met de 10 bemonsteringsverwerking van het meetsignaal.

11. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het interface tenminste een digitale invoer/uitvoereenheid en tenminste een analoog/digitaalomzetter omvat.

12. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, 15 waarbij de digitale invoer/uitvoereenheid een FPGA omvat.

13. Verwerkingseenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de digitale invoer/uitvoereenheid met de rekeneenheid is geïntegreerd op één printplaat. 1029659'