WO2012129844A1 - 一种高压变频器的智能综合开发测试系统及其建立方法 - Google Patents

Description

一种高压变频器的智能综合开发测试系统及其建立方法 技术领域

本发明涉及电气控制与测试技术领域，具体涉及一种基于虚拟仪器技术 和 DSP数字控制技术的适用于高压变频器的智能综合开发测试系统及其建 立方法。 背景技术

作为一种重要的节能减排产品， 高压变频器日益受到业界和用户的关 注。对于市场的最终决定者一一用户而言， 除了关心高压变频器的节能效率 和成本之外， 更为关注的是产品本身的质量和可靠性。如果变频器因为质量 不可靠导致停机，造成的损失将可能抵消部分甚至超过节能带来的效益。 目 前高压变频器的主电路拓朴结构相对成熟， 核心器件如 IGBT、 电容等关键 器件也主要依靠进口，因此高压变频器的制造质量更多的是受到控制技术及 相应软件编程的影响。

高压变频器产品开发通常是分为硬件和软件两个体系来进行的，且由于 所涉及工作量巨大， 两个体系也必须是分别由许多不同的工程师来协力完 成， 因此产品开发的质量保证除了依靠一套完善的研发制度体系外， 更依靠 于各个工程师对这套研发制度体系的理解和严格遵守。 即便如此，往往由于 缺乏对所开发产品的系统整体的了解，研发人员通常需要经由不断反复的控 制参数选取、 程序设计、 程序修改、 编译、 联接、 烧录、 测试、 参数调整等 过程， 这些过程不仅繁瑣， 效率低下， 有时还由于牵涉面广往往在故障诊断 时难以找出问题所在，同时还由于开发人员个体认知所限容易造成各种潜在 的不可靠事故， 降低产品的质量和可靠性， 增加售后维护的工作量。 发明内容

本发明为了解决现有技术问题，在于提供一种依托现代数字化智能控制 技术、 虚拟仪器技术和综合仿真技术等高科技技术； 兼具了良好的集成性、 扩充性和模块化的； 可以适应多种硬件体系、 减少产品开发周期、 可直接修 改控制参数、 查询任一变量历史记录、 支持预览和打印功能的高压变频器的 智能综合开发测试系统及其建立方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，

为实现上述技术本发明首先提供一种高压变频器的智能综合开发测试 系统， 该系统包括高压变频器、 电机、 联轴器、 模拟负载和 PC机， 所述电 机通过所述联轴器与所述模拟负载相连， 其特征在于： 所述高压变频器由功 率变换单元和 DSP控制器组成， 所述功率变换单元与所述电机相连， 经由 适当脉宽调制策略， 可以向所述电机提供高效低谐波的电源， 驱动所述电机 运转； 所述 DSP控制器与所述 PC机相连， 并由所述 PC机提供控制信号参 数， 所述模拟负载由负荷电机和负荷电机控制器所组成， 所述负荷电机控制 器与所述 PC机相连， 并由所述 PC机提供控制参数， 以实现控制所述负荷 电机模拟各种负载运行。

所述高压变频器和所述电机还均与一电参数测量仪相连，所述电参数测 量仪通过数据线与所述 PC机相连， 并将所测系统空载时的电压、 电流、 损 耗、 功率因数、 直流母线电压， 和系统负载时的电压、 电流、 损耗、 功率因 数、 直流母线电压等电参数传输给所述 PC机， 以供所述 PC机作数据分析、 显示、 制图、 绘表、 打印等用。

所述电机和所述模拟负载中的所述负荷电机还均与一转速转矩测试仪 相连， 所述转速转矩测试仪还通过数据线与所述 PC机相连， 并将测得所述 电机和所述负荷电机的转速、转加速、转矩等机械参数传递到所述 PC机中， 以用作数据分析、 显示、 制图、 绘表、 打印等用。

在所述 PC机上还接有一打印输出装置， 可按需要打印各种电参数、 机 械参数、 以及各种生成的相关曲线、 图表、 测试报告等。

在所述 PC机内至少安装有一种以上模拟仿真软件、 开发软件、 数据处 理软件以及通信软件， 其主要功能有对所述高压变频器功率硬件电路仿真、 所述高压变频器控制系统参数仿真、 系统模拟仿真、 电参数信号处理、 转速 转矩参数信号处理、 变频器控制、 模拟机械负载控制、 变频器控制软件调试 写入、 打印驱动等。

通过在所述 PC机上设定软件通信协定，开发者可采用 C语言或者汇编 语言编写控制程序， 经过编译后的控制程序可由所述 PC机直接载入所述 DSP控制器中， 进行实时数字控制。

在所述 PC机中安装有 MATLAB/SIMULINK仿真软件， 设计控制系统 时， 通过所述 PC机中的 MATLAB/SIMULINK可以实现所述高压变频器驱 动所述电机运行仿真， 以及所述 DSP控制器参数调试选择和信号分析动作。

在所述 PC机中还安装有 dSPACE软件， dSPACE软件同时也提供了与 MATLAB/SIMULINK仿真软件之间相互通信的界面， 使用者可以在

MATLAB/SIMULINK的环境下开发控制法则并进行系统模拟， 之后再将开 发的控制程序载入目标处理器进行硬件回路模拟， 因此藉由所述 PC机所提 供的人机界面环境和界面控制卡， 开发者能完成硬件回路模拟系统的设计， 并在此基础上进行系统可行性评估。

在所述 PC机中还装有虚拟仪器软件， 虚拟仪器软件可充分发挥计算机 的能力， 有强大的数据处理功能， 可以创造出各种功能更强的仪器， 并且用 户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器，因此也可以通过虚拟仪器软件 定制的各种观测工具 （如示波器等） 实时在线观测各种变量或调整参数。

本发明的进一步技术特征还在于提供了高压变频器智能综合开发测试 系统的建立方法： 该方法包括以下步骤： 述高压变频器调速系统的数学模型。 ' ^

步骤 b、 决定所述 DSP控制器的控制架构与设计方法，根据步骤 a中所 建立的数学模型仿真得出所述 DSP控制器的初始参数， 由于仿真模型同实 际应用环境还是存在许多不完全一致的地方， 因此， 这些所述 DSP控制器 的初始参数仍需最后通过实验来验证， 在传统设计开发过程中， 这是一个非 常繁复的过程， 需要花费大量的人力物力， 而在本发明中则可以通过由虚拟 仪器和 M ATL AB/SIMULINK仿真软件构成的互动开发测试环境直接在线实 时调试。

步骤 c、 调整参数， 实现所述 DSP控制器集成， 所述 DSP控制器的设 计包含了硬件设计和软件设计两个部分， 其中， 硬件设计在兼顾计算性能、 价格、 接口等因素的前提下决定适当的 CPU; 软件设计则主要考虑数字化、 汇编语言程序设计、 中断、 信号处理等问题。

步骤 d、 在所述 PC机中安装虚拟仪器软件， 结合步骤 a中所述 PC机 中的 MATLAB/SIMULINK仿真软件环境， 进行半实物仿真模拟测试。

步骤 e、 对半实物仿真模拟测试得到的控制参数实时在线调整与确认， 并通过虚拟仪器界面构成的虚拟数字示波器观测到控制参数调整后的系统 响应。

步骤 f、 通过半实物仿真模拟测试， 试验所述 DSP控制器中硬件设计和 软件设计性能。

步骤 g、 系统的集成测试： 通过对同一所述功率变换单元输入不同的控 制程序， 甚至包括各种自适应控制和智能控制程序， 以得到不同控制结果和 可能的应用效果进行对比分析，或者通过对于由不同开发人员编写的控制程 序片段或者改进的某一段程序可以通过所述 PC机直接覆盖写入到所述 DSP 控制器中进行程序侦错和效果验证， 来实现对整个系统的集成测试。

步骤 h、 各项参数的调整与确定。

本发明的有益效果是： 通过在 PC机内安装模拟仿真、 虚拟仪器、 数据 处理及通信等多种软件，在半实物环境下利用模拟仿真技术对系统负载的各 项参数进行测试， 不仅大大减少了产品开发周期， 而且还提高了系统的安全 性和可靠性。 附图说明

图 1为本发明中一种高压变频器的智能综合开发测试系统的整体结构 示意图：

图 2为本发明中一种高压变频器智能综合开发测试系统的建立方法的 流程示意图。 具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、 达成目的与功效易于明白了 解， 下面结合具体图示， 进一步阐述本发明。

如图 1、 2所示， 本发明的高压变频器的智能综合开发测试系统由被测 高压变频器 1、 被测电机 2、 联轴器 3、 模拟负载 4、 电参数测量仪 7、 转速 转矩测量仪 8、 打印机 9、 PC机 10等组成。

高压变频器 1由功率变换单元 11和 DSP控制器 12组成， 功率变换单 元 11连到电机 2, 经由适当脉宽调制策略， 可以向被测电机提供高效低谐 波的电源， 驱动被测电机 2运转。 高压变频器 1中的 DSP控制器 12由 PC 机 10提供控制信号参数。 DSP控制器 12采用 TMS320f2407系列控制芯片， 具有强大的计算能力、 完整的控制界面、 低廉的价格， 采用高级语言作为开 发工具， 可将各种控制功能以软件方式编程实现， 不仅具有灵活性， 还能大 幅缩短产品开发的时间， 将智能控制、 自适应控制、 估值理论、 信号处理技 术等应用于实际系统。 因此不仅可以把软件系统和硬件系统完美整合，还可 以通过对软件或者控制参数的调整， 实现智能控制。 DSP內含特殊设计的 JTAG通信界面， 经由此介面可使用 TI所设计的仿真器 (emulator)进行程序 侦错， 在产品开发的初期阶段， 对软件的侦错具有相当大的帮助。

模拟负载 4由负荷电机 5和负荷电机控制器 6组成， 负荷电机控制器 6 由 PC机 10提供控制参数控制负荷电机 5模拟各种负载运行。 不仅可以模 拟负载常态运行状况， 还可以模拟负载加减速运行状况。 电参数测量仪 7测量空载时电压、 电流、 损耗、 功率因数、 直流母线电 压和负载时电压、 电流、 损耗、 功率因数、 直流母线电压等电参数， 并传输 到 PC机 10中作数据分析、 显示、 制图、 绘表、 打印等用。

转速转矩测试仪 8测量转速转矩传感器传递过来的转速、转加速、转矩 等机械参数， 并传递到 PC机 10中作数据分析、 显示、 制图、 绘表、 打印 等用。

打印机 9可按需要打印各种电参数、机械参数、 以及各种生成的相关曲 线、 图表、 测试报告等。

PC机 10作为人机界面控制平台， 是整个开发测试系统的大脑， 安装有 各种模拟仿真软件、 开发软件、 数据处理软件以及通信软件。 其主要功能有 对变频器功率硬件电路仿真、 变频器控制系统参数仿真、 系统模拟仿真、 电 参数信号处理、 转速转矩参数信号处理、 变频器控制、 模拟机械负载控制、 变频器控制软件调试写入、 打印驱动等。 通过 PC机 10上 RS-232可以监控 被测高压变频器 1中的 DSP控制器 12, 达到通过 PC机控制变频器软件开 发和测试的目的。 通过 PC机 10上设定的软件通信协定， 开发者可采用 C 语言或者汇编语言编写控制程序， 经过编译后可直接载入 DSP,进行实时数 字控制。 PC机 10中安装有 MATLAB/SIMULINK仿真软件， 设计控制系统 时通过 PC机 10中的 MATLAB/SIMULINK可以进行高压变频器驱动电机运 行仿真与控制器参数调试选择、信号分析。 PC机 10中安装有 dSPACE软件， dSPACE同時也提供了与 MATLAB/SIMULAINK的通信界面， 使用者可以 在 MATLAB/SIMULAINK的环境下开发控制法则并进行系统模拟， 之后再 将开发的控制程序载入目标处理器进行硬件回路模拟， 因此藉由 PC所提供 的人机界面环境和界面控制卡， 开发者能完成硬件回路模拟系统的设计， 并 在此基础上进行系统可行性评估。 PC机 10中还装有虚拟仪器软件， 虚拟仪 器可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能， 可以创造出各种功能 更强的仪器， 并且用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器， 因此也可 以通过虚拟仪器软件定制的各种观测工具（如示波器等）实时在线观测各种 变量或调整参数。

所述系统具有变频器开发与软硬件模块测试功能，其工作流程如图二所 示， 包括以下步骤：

步骤 a、 首先建立上述的高压变频器的智能综合开发测试系统； 述高压变频器调速系统的数学模型； ' ^ 步骤 C、确定所述 DSP控制器的控制架构与设计方法，根据步骤 b中所 建立的数学模型进行计算机仿真得出所述 DSP控制器的初始参数；

步骤 d、 代入初始参数， 实现所述 DSP控制器集成；

步骤 e、 在所述 PC机中安装虚拟仪器软件， 结合所述 PC机中的

MATLAB/SIMULINK仿真软件环境， 进行半实物仿真模拟测试； 由于仿真 模型同实际应用环境还是存在许多不完全一致的地方， 因此 DSP控制器的 初始参数仍需最后通过实验来验证， 在传统设计开发过程中， 这是一个非常 繁复的过程， 需要花费大量的人力物力， 而在本发明中则可以通过由虚拟仪 器和 M ATLAB/SIMULAINK构成的互动开发测试环境直接在线实时调试。 如果设计能符合规格的要求， 那么就可进一步来实现 DSP控制器；

步骤 f、在半实物仿真模拟测试中对步骤 c中计算机仿真得到的 DSP控 制器的初始参数进行实时在线调整，并通过虚拟仪器界面构成的虚拟数字示 波器观测控制参数调整后的系统响应；

步骤 g、通过半实物仿真模拟测试，进一步缩小所述 DSP控制器的参数 范围， 并初步确认所述 DSP控制器能满足系统额定运行条件的控制参数， 根据所述 DSP控制器能满足系统额定运行条件的控制参数， 分别进行所述 DSP控制器的硬件设计和软件设计； 硬件设计首先应根据计算性能、 价格、 接口等决定适当的 CPU, 软件设计则主要考虑数字化、 汇编语言程序设计、 中断、信号处理等问题。控制系统设计过程中开发人员可采用高级语言对控 制法则编程， 再经过编译、 下载、 执行等过程， 迅速进入实际测试与调整， 在控制法则编程测试与调整过程中，可通过虚拟仪器建立的虚拟数字示波器 观测控制法则中所有的变量， 并将这些变量的波形实时显示；

步骤 h、在所述 DSP控制器硬件设计和软件设计完成以后，分别将新设 计的硬件和软件部分代入到所述系统中进行系统集成测试。

系统集成测试除了要满足额定运行条件或正常运行条件范围之外，更要 通过所述 PC机修改所述模拟负载中的所述负荷电机控制器的参数以使系统 完成在边界条件或 /和临界运行环境下的稳态测试和动态测试。 具体可举例 如下： 假如在 DSP控制器软件设计中某一子程序块做了改进设计， 为了验 证（1 ) 改进子程序后 DSP控制器的性能是否能达到设计初衷期望值 （2 ) 以及改进后的子程序会否和原先程序部分产生沖突或不适应 （3 ) 在边界条 件下或各种临界运行环境下控制器的稳态和动态运行性能是否满足要求。 (通过对同一所述功率变换单元输入不同的控制程序，甚至包括各种自适应 控制和智能控制程序， 以得到不同控制结果和可能的应用效果进行对比分 析，或者通过对于由不同开发人员编写的控制程序片段或者改进的某一段程 序可以通过所述 PC机直接覆盖写入到所述 DSP控制器中进行程序侦错和效 果验证， 来实现对整个系统的集成测试。 ）显然， 如果满足上述 3项， 则这 种改进认为是可行的，可以应用到产品设计制造流程中并在产品最终出厂试 验中得到进一步验证。 如果不满足， 则所述系统中的所述 PC机会高亮显示 子程序不符合处或沖突处以供查找并修改，修改后的子程序仍可继续进行上 述测试流程， 直至最后合格为止。 这样显然可以节约传统开发过程中从程序 编写到实物测试系列流程所耗费的大量人力物力， 并极大提高开发效率， 节 约宝贵开发时间。 DSP控制器硬件设计 （改良） 部分也可作同样集成测试， 应该说所述系统中各个环节部分都是按照实际运行需求可以独立代入，单独 验证的。 该系统的功能同样可适用于产品售后服务或者研发人员培训。 在 售后服务过程中， 可以通过此系统辅助查找故障分析其产生原因， 并在线进 行修改测试；

步骤 i、 各项参数的调整与确定。

本发明的有益效果是： 通过在 PC机内安装模拟仿真、 虚拟仪器、 数据 处理及通信等多种软件，在半实物环境下利用模拟仿真技术对系统负载的各 项参数进行测试， 不仅大大减少了产品开发周期， 而且还提高了系统的安全 性和可靠性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范 围内。 本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

权利要求书

1、一种高压变频器的智能综合开发测试系统，该系统包括高压变频器、 电机、 联轴器、 模拟负载和 PC机， 所述电机通过所述联轴器与所述模拟负 载相连， 其特征在于： 所述高压变频器由功率变换单元和 DSP控制器组成， 所述功率变换单元与所述电机相连， 所述 DSP控制器与所述 PC机相连， 并 由所述 PC机提供控制信号参数， 所述模拟负载由负荷电机和负荷电机控制 器所组成， 所述负荷电机控制器与所述 PC机相连， 并由所述 PC机提供控 制参数。

2、 根据权利要求 1所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统， 其特征在于： 所述高压变频器和所述电机还均与一电参数测量仪相连， 所述 电参数测量仪通过数据线与所述 PC机相连。

3、 根据权利要求 1所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统， 其特征在于： 所述电机和所述负荷电机还均与一转速转矩测试仪相连， 所述 转速转矩测试仪还通过数据线与所述 PC机相连。

4、 根据权利要求 1所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统， 其特征在于： 在所述 PC机上还接有一打印输出装置。

5、一种高压变频器智能综合开发与测试方法，其特征在于该方法包括以 下步骤：

步骤 a、 建立如权利要求 1所述的系统； 述高压变频器调速系统的数学模型；

步骤 c、 确定所述 DSP控制器的控制架构与设计方法， 根据步骤 b中 所建立的数学模型进行计算机仿真得出所述 DSP控制器的初始参数；

步骤 d、 代入初始参数， 实现所述 DSP控制器集成；

步骤 e、 在所述 PC机中安装虚拟仪器软件， 结合所述 PC机中的 MATLAB/SIMULINK仿真软件环境， 进行半实物仿真模拟测试；

步骤 f、 在半实物仿真模拟测试中对步骤 c中计算机仿真得到的 DSP 控制器的初始参数进行实时在线调整，并通过虚拟仪器界面构成的虚拟数字 示波器观测控制参数调整后的系统响应；

步骤 g、 通过半实物仿真模拟测试， 进一步缩小所述 DSP控制器的参 数范围， 并初步确认所述 DSP控制器能满足系统额定运行条件的控制参数， 根据所述 DSP控制器能满足系统额定运行条件的控制参数， 分别进行所述

DSP控制器的硬件设计和软件设计；

步骤 h、 在所述 DSP控制器硬件设计和软件设计完成以后， 分别将新 设计的硬件和软件部分代入到所述系统中进行系统集成测试；

步骤 i、 各项参数的调整与确定。

6.如权利要求 5所述的方法，其特征在于所述步骤 h中进一步包括通过 所述 PC机修改所述模拟负载中的所述负荷电机控制器的参数以使系统完成 在边界条件或 /和临界运行环境下的稳态测试和动态测试。