WO2023118495A1 - Konfigurierbarer frequenzumrichter - Google Patents

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WO2023118495A1
WO2023118495A1 PCT/EP2022/087590 EP2022087590W WO2023118495A1 WO 2023118495 A1 WO2023118495 A1 WO 2023118495A1 EP 2022087590 W EP2022087590 W EP 2022087590W WO 2023118495 A1 WO2023118495 A1 WO 2023118495A1
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frequency converter
configuration
power electronics
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electric motor
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English (en)
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Inventor
Peter Dück
Ewgeni Hoffmann
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Lenze Se
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Definitions

  • the invention relates to a configurable frequency converter that can be used as flexibly as possible.
  • the frequency converter according to the invention is configurable, i.e. it can be manufactured in different configurations, for example.
  • the frequency converter has a conventional (micro)processor with n processor cores, where n>1.
  • the processor has at least two processor cores.
  • the frequency converter has m power electronics, with m > 1 and m ⁇ n.
  • a respective power electronics is designed to drive an associated electric motor, for example by conventionally generating three phase voltages for a three-phase electric motor, which in their frequency and/or their amplitude are variable.
  • each power electronics unit is assigned at least one of the n processor cores, with the at least one processor core being designed to execute a set of necessary control functions for the assigned electric motor.
  • each electronic power unit is assigned exactly one processor core.
  • n 2.
  • the frequency converter has in a second configuration: the processor with the n processor cores, where n>1, and individual power electronics, with the power electronics being designed to drive an associated electric motor.
  • the processor In the second configuration, at least one processor core is designed to execute the set of control functions for the associated electric motor.
  • the set of control functions has at least one of the following functions: functions for error management of the frequency converter and/or its peripherals, functions that implement a CAN in Automation (CiA) 301 application protocol, functions that implement an EtherCAT stack, functions that implement monitoring of the assigned electric motor, and functions that regulate For example, implement vector control of the drive of the associated electric motor.
  • functions for error management of the frequency converter and/or its peripherals functions that implement a CAN in Automation (CiA) 301 application protocol
  • functions that implement an EtherCAT stack functions that implement monitoring of the assigned electric motor
  • functions that regulate For example, implement vector control of the drive of the associated electric motor.
  • the frequency converter has an FPGA which, in the first configuration, is connected between the processor and the plurality n of power electronics and, in the second configuration, is connected between the processor and the power electronics and which preferably executes hardware-related functions, for example pulse width modulation for Generation of motor control signals, etc.
  • the or a respective electronic power unit has an inverter, for example with a B6 bridge.
  • the frequency converter has m connections for safety modules which—if connected—provide a certain standardized level of functional safety, for example a Safe Torque Off STO function, etc.
  • a certain standardized level of functional safety for example a Safe Torque Off STO function, etc.
  • Relevant standards for functional safety are, for example, EN ISO 13849 and EN/IEC 62061.
  • the frequency converter has a fieldbus connection in the first configuration and in the second configuration.
  • Frequency converters are typically differentiated according to whether they can control a single axis, i.e. a single electric motor, or a multi-axis, i.e. several electric motors.
  • a single axis of a multi-axis converter is controlled/parameterized differently than the single axis of a single-axis converter.
  • the invention now provides a configurable frequency converter that can be configured in a single-axis configuration and that can be configured in a multi-axis configuration, with each axis being able to be parameterized and controlled in the same way, regardless of the available number of axes in the frequency converter.
  • the individual axis of a single-axis converter is controlled and parameterized in the same way as a respective individual axis of a multi-axis converter.
  • the invention provides a multi-axis converter in a single device or housing, the external behavior of which, in particular with regard to addressing/parameterization on a field bus, corresponds to the behavior of the corresponding number of individual axes.
  • the task is solved by using a multi-core or multi-core processor in which, for example, each processor core takes over the control/calculation for a single associated axis.
  • processors with multiple processor cores enables a clear structuring and separation of computing processes between multiple axes of a (double/ x-fold) frequency converter.
  • each processor core can independently take over the tasks for a single associated axis.
  • Each axis of the frequency converter behaves like an independent device. However, only one single device is physically visible from the outside and only one single device has to be connected.
  • a double-axis frequency converter for example, two independent power electronics are used with a common FPGA control section and a common FPGA control.
  • the processor can then function as a multi-core processor with more performance for the single axis.
  • a multi-axis converter can thus be handled by users in the same way as a single-axis converter, with the wiring effort on the mains and control side also being lower, since only a single frequency converter has to be connected.
  • a safety node or safety module only has to be verified once in or for the entire number of configurations or the entire device series, i.e. the safety approval is simplified.
  • the safety modules can be easily duplicated since the dual-axis drive behaves like two single-axis drives.
  • one axis can be stopped and parameterized while the second axis can continue to operate normally. This is only possible with split processor cores.
  • 1 shows a configurable frequency converter in a first configuration and 2 shows the configurable frequency converter in a second configuration.
  • a configurable frequency converter 100 in a first configuration, having: a processor 1 with, for example, two processor cores 1a, 1b, two power electronics units 2a, 2b, with a respective power electronics unit 2a, 2b being designed for this purpose, an associated electric motor 3a or 3b to drive or to control, wherein the power electronics 2a is assigned to the processor core 1a and the power electronics 2b is assigned to the processor core 1b.
  • the processor core 1a executes a set of control functions for the electric motor 3a and the processor core 1b executes a corresponding set of control functions for the electric motor 3b.
  • the power electronics 2a and 2b each have a conventional three-phase inverter 5 .
  • the set of control functions has at least one of the following functions: functions for error management, functions that implement a CAN in Automation (CiA) 301 application protocol, functions that implement an EtherCAT stack, functions that monitor the assigned electric motor 3a or 3b implement, and functions that implement a control of the drive of the associated electric motor 3a or 3b.
  • functions for error management functions that implement a CAN in Automation (CiA) 301 application protocol
  • functions that implement an EtherCAT stack functions that monitor the assigned electric motor 3a or 3b implement
  • functions that implement a control of the drive of the associated electric motor 3a or 3b functions that implement a control of the drive of the associated electric motor 3a or 3b.
  • the frequency converter 100 has a field programmable gate array FPGA 4, which is connected between the processor 1 and the power electronics 2a and 2b.
  • the FPGA 4 takes on typical hardware-related functionalities when controlling the electric motors 3a and 3b.
  • a respective processor core 1a or 1b accesses the associated power electronics 2a or 2b via the FPGA 4 and in this way controls the associated electric motor 3a or 3b in a desired manner, for example with a specified speed, a specified rotational angle position, a specified Torque, etc.
  • the respective inverter 5 can generate pulse-width-modulated control voltages for the associated electric motor 3a or 3b, which have a desired frequency and/or a desired amplitude.
  • the frequency converter 100 has two connections 6a, 6b for safety modules. When the safety modules are connected, a corresponding normatively defined level of functional safety can be guaranteed.
  • 2 shows the configurable frequency converter 100 in a second configuration. In the second configuration, the frequency converter 100 has only individual power electronics 2a. In the second configuration, both processor cores 1a and 1b execute the set of control functions for the associated electric motor 3a jointly or in parallel. For the rest, reference is made to the above explanations for FIG.
  • the first configuration of the frequency converter with two processor cores 1a, 1b and two associated power electronics 2a, 2b is merely an example.
  • the processor 1 can also have more than two processor cores and the frequency converter 100 can have more than two power electronics.
  • the frequency converter has a fieldbus connection 7 via which the functions of the frequency converter can be controlled.

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Abstract

Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100), aufweisend: - einen Prozessor (1) mit n Prozessorkernen (1a, 1b), mit n > 1, - wobei der Frequenzumrichter (100) in einer ersten Konfiguration aufweist: - m Leistungselektroniken (2a, 2b), mit m > 1 und m s n, wobei eine jeweilige der m Leistungselektroniken (2a, 2b) dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) anzutreiben, wobei in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters (100) jeder der m Leistungselektroniken (2a, 2b) mindestens einer der n Prozessorkerne (1a, 1b) zugeordnet ist, wobei der mindestens eine der n Prozessorkerne (1a,1b) dazu ausgebildet ist, einen Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) auszuführen.

Description

Konfigurierbarer Frequenzumrichter
Die Erfindung betrifft einen konfigurierbaren Frequenzumrichter, der möglichst flexibel verwendbar ist.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist konfigurierbar, d.h. kann beispielsweise in unterschiedlichen Konfigurationen hergestellt werden.
Der Frequenzumrichter weist einen herkömmlichen (Micro-) Prozessor mit n Prozessorkernen auf, mit n > 1. Mit anderen Worten weist der Prozessor mindestens zwei Prozessorkerne auf.
In einer ersten (Hardware-) Konfiguration weist der Frequenzumrichter m Leistungselektroniken auf, mit m > 1 und m < n. Eine jeweilige Leistungselektronik ist dazu ausgebildet, einen zugeordneten Elektromotor anzutreiben, beispielsweise indem sie herkömmlich für einen dreiphasigen Elektromotor drei Phasenspannungen erzeugt, die in ihrer Frequenz und/oder ihrer Amplitude veränderlich sind. In der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters ist jeder Leistungselektronik mindestens einer der n Prozessorkerne zugeordnet, wobei der mindestens eine Prozessorkern dazu ausgebildet ist, einen Satz von notwendigen Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor auszuführen.
In einer Ausführungsform ist in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters jeder Leistungselektronik genau ein Prozessorkern zugeordnet.
In einer Ausführungsform gilt m = n = 2.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter in einer zweiten Konfiguration auf: den Prozessor mit den n Prozessorkernen, mit n > 1 , und eine einzelne Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor anzutreiben. In der zweiten Konfiguration ist mindestens ein Prozessorkern dazu ausgebildet, den Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor auszuführen.
In einer Ausführungsform weist der Satz von Steuerungsfunktionen mindestens eine der folgenden Funktionen auf: Funktionen zum Fehlermanagement des Frequenzumrichters und/oder dessen Peripherie, Funktionen, die ein CAN in Automation (CiA) 301 Anwendungsprotokoll realisieren, Funktionen, die einen EtherCAT-Stack implementieren, Funktionen, die eine Überwachung des zugeordneten Elektromotors implementieren, und Funktionen, die eine Regelung, beispielsweise eine Vektor-Regelung, des Antriebs des zugeordneten Elektromotors implementieren.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter ein FPGA auf, das in der ersten Konfiguration zwischen den Prozessor und die Mehrzahl n von Leistungselektroniken geschaltet ist und in der zweiten Konfiguration zwischen den Prozessor und die Leistungselektronik geschaltet ist und das bevorzugt hardwarenahe Funktionen ausführt, beispielsweise eine Pulsweitenmodulation zur Erzeugung von Motoransteuer-Signalen, usw.
In einer Ausführungsform weist die bzw. eine jeweilige Leistungselektronik einen Wechselrichter auf, beispielsweise mit einer B6-Brücke.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter m Anschlüsse für Sicherheitsmodule auf, die - sofern angeschlossen - ein bestimmtes normiertes Maß an funktionaler Sicherheit bereitstellen, beispielsweise eine Safe Torque Off STO-Funktion, usw. Entsprechende Normen zur funktionalen Sicherheit sind beispielsweise die EN ISO 13849 und die EN / IEC 62061.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter in der ersten Konfiguration und in der zweiten Konfiguration einen Feldbusanschluss auf.
Frequenzumrichter werden typisch danach unterschieden, ob sie eine Einzelachse, d.h. einen einzelnen Elektromotor, oder eine Multiachse, d.h. mehrere Elektromotoren, ansteuern können. Eine einzelne Achse eines Multiachs-Umrichters wird hierbei anders angesteuert/parametriert als die einzelne Achse eines Einzelachs-Umrichters.
Die Erfindung stellt nun einen konfigurierbaren Frequenzumrichter zur Verfügung, der in einer Einzelachsenkonfiguration konfigurierbar ist und der in einer Multiachsenkonfiguration konfigurierbar ist, wobei jede Achse unabhängig von der verfügbaren Anzahl der Achsen des Frequenzumrichters auf die gleiche Art und Weise parametriert und angesteuert werden kann. Mit anderen Worten wird die einzelne Achse eines Einzelachsenumrichters auf die gleiche Art und Weise angesteuert und parametriert wie eine jeweilige einzelne Achse eines Multiachsenumrichters. Mit anderen Worten stellt die Erfindung einen Multiachsenumrichter in einem einzelnen Gerät bzw. Gehäuse zur Verfügung, dessen äußeres Verhalten, insbesondere bezüglich der Adressierung/Parametrierung auf einem Feldbus, dem Verhalten der entsprechenden Anzahl von Einzelachsen entspricht. Die Aufgabe wird gelöst durch den Einsatz eines Multicore- bzw. Mehrkern-Prozessors, bei dem beispielsweise jeder Prozessorkern die Ansteuerung/Berechnung für eine einzelne zugehörige Achse übernimmt. Der Einsatz von Prozessoren mit mehreren Prozessorkernen ermöglicht eine klare Strukturierung und Trennung von Rechenprozessen zwischen mehreren Achsen eines (Doppel-/ x-fach) - Frequenzumrichters.
Jeder Prozessorkern kann dabei soweit möglich unabhängig die Aufgaben für eine einzelne zugehörige Achse übernehmen. Dabei verhält sich jede Achse des Frequenzumrichters so wie ein eigenständiges Gerät. Von außen ist physikalisch jedoch nur ein einzelnes Gerät sichtbar und auch nur ein einzelnes Gerät muss angeschlossen werden.
In einem Doppelachs-Frequenzumrichter werden beispielsweise zwei unabhängige Leistungselektroniken mit einem gemeinsamen FPGA-Steuerteil und einer gemeinsamen FPGA- Ansteuerung genutzt.
In der Einzelachsenkonfiguration kann der Prozessor dann als Multicore-Prozessor mit mehr Performance für die einzelne Achse fungieren.
Ein Multiachsenumrichter wird somit für Benutzer auf die gleiche Art und Weise handhabbar, wie ein Einzelachsenumrichter, wobei zusätzlich der Verdrahtungsaufwand auf der Netz- und Steuerseite geringer ist, da nur ein einzelner Frequenzumrichter angeschlossen werden muss.
Ein Safety-Knoten bzw. Sicherheitsmodul muss in bzw. für die gesamte Anzahl von Konfigurationen bzw. die gesamte Geräte-Baureihe nur einmalig verifiziert werden, d.h. die Safety- Zulassung vereinfacht sich. Bei der Doppelachse können beispielsweise die Sicherheitsmodule einfach dupliziert werden, da der Doppelachsen-Frequenzumrichter sich wie zwei Einzelach- sen-Frequenzumrichter verhält.
Durch das Splitting des Prozessors in seine Prozessorkerne gibt es im Bereich Safety bzw. funktionale Sicherheit weitere Vorteile. Beispielsweise kann eine Achse stoppen und parame- triert werden, während die zweite Achse normal weiter betrieben werden kann. Das ist nur mit aufgeteilten Prozessorkernen sicher möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
Fig. 1 einen konfigurierbaren Frequenzumrichter in einer ersten Konfiguration und Fig. 2 den konfigurierbaren Frequenzumrichter in einer zweiten Konfiguration.
Fig. 1 zeigt einen konfigurierbaren Frequenzumrichter 100 in einer ersten Konfiguration, aufweisend: einen Prozessor 1 mit exemplarisch zwei Prozessorkernen 1a, 1b, zwei Leistungselektroniken 2a, 2b, wobei eine jeweilige Leistungselektronik 2a, 2b dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor 3a bzw. 3b anzutreiben bzw. anzusteuern, wobei der Leistungselektronik 2a der Prozessorkern 1a zugeordnet ist und der Leistungselektronik 2b der Prozessorkern 1b zugeordnet ist. Der Prozessorkern 1a führt einen Satz von Steuerungsfunktionen für den Elektromotor 3a aus und der Prozessorkern 1b führt einen entsprechenden Satz von Steuerungsfunktionen für den Elektromotor 3b aus.
Die Leistungselektroniken 2a und 2b weisen jeweils einen herkömmlichen dreiphasigen Wechselrichter 5 auf.
Der Satz von Steuerungsfunktionen weist mindestens eine der folgenden Funktionen auf: Funktionen zum Fehlermanagement, Funktionen, die ein CAN in Automation (CiA) 301 Anwendungsprotokoll realisieren, Funktionen, die einen EtherCAT-Stack implementieren, Funktionen, die eine Überwachung des zugeordneten Elektromotors 3a bzw. 3b implementieren, und Funktionen, die eine Regelung des Antriebs des zugeordneten Elektromotors 3a bzw. 3b implementieren.
Der Frequenzumrichter 100 weist ein Field Programmable Gate Array FPGA 4 auf, das zwischen den Prozessor 1 und die Leistungselektroniken 2a und 2b geschaltet ist. Das FPGA 4 übernimmt hierbei typische hardwarenahe Funktionalitäten bei der Ansteuerung der Elektromotoren 3a und 3b.
Ein jeweiliger Prozessorkern 1a bzw. 1b greift über das FPGA 4 auf die zugehörige Leistungselektronik 2a bzw. 2b zu und steuert auf diese Weise den zugehörigen Elektromotor 3a bzw. 3b in einer gewünschten Weise, beispielsweise mit einer vorgegebenen Drehzahl, einer vorgegebenen Drehwinkelstellung, einem vorgegebenen Drehmoment, etc. Hierzu kann beispielsweise der jeweilige Wechselrichter 5 pulsweitenmodulierte Ansteuerspannungen für den zugehörigen Elektromotor 3a bzw. 3b erzeugen, die eine gewünschte Frequenz und/oder eine gewünschte Amplitude aufweisen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Frequenzumrichter 100 weist zwei Anschlüsse 6a, 6b für Sicherheitsmodule auf. Wenn die Sicherheitsmodule angeschlossen sind, kann eine entsprechende normativ definierte Stufe von funktionaler Sicherheit garantiert werden. Fig. 2 zeigt den konfigurierbaren Frequenzumrichter 100 in einer zweiten Konfiguration. In der zweiten Konfiguration weist der Frequenzumrichter 100 nur eine einzelne Leistungselektronik 2a auf. In der zweiten Konfiguration führen beide Prozessorkerne 1a und 1b den Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor 3a gemeinsam bzw. parallel aus. Im Übrigen sei auf die obigen Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.
Es versteht sich, dass die erste Konfiguration des Frequenzumrichters mit zwei Prozessorkernen 1a, 1b und zwei zugehörigen Leistungselektroniken 2a, 2b lediglich exemplarisch ist. Selbstverständlich kann der Prozessor 1 auch mehr als zwei Prozessorkerne aufweisen und der Frequenzumrichter 100 kann mehr als zwei Leistungselektroniken aufweisen.
Der Frequenzumrichter weist sowohl in der ersten Konfiguration als auch in der zweiten Konfiguration einen Feldbusanschluss 7 auf, über den die Funktionen des Frequenzumrichters steuerbar sind.

Claims

- 6 -
Patentansprüche Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100), aufweisend: einen Prozessor (1) mit n Prozessorkernen (1 a, 1 b), mit n > 1 , wobei der Frequenzumrichter (100) in einer ersten Konfiguration aufweist: m Leistungselektroniken (2a, 2b), mit m > 1 und m < n, wobei eine jeweilige der m Leistungselektroniken (2a, 2b) dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) anzutreiben, wobei in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters (100) jeder der m Leistungselektroniken (2a, 2b) mindestens einer der n Prozessorkerne (1a, 1 b) zugeordnet ist, wobei der mindestens eine der n Prozessorkerne (1a, 1 b) dazu ausgebildet ist, einen Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) auszuführen. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters (100) jeder der m Leistungselektroniken (2a, 2b) genau einer der n Prozessorkerne (1a, 1b) zugeordnet ist. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m = n = 2 ist. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (100) in einer zweiten Konfiguration aufweist: den Prozessor (1) mit den n Prozessorkernen (1 a, 1 b), mit n > 1 , und eine einzelne Leistungselektronik (2a), wobei die Leistungselektronik (2a) dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor (3a) anzutreiben, wobei in der zweiten Konfiguration mindestens einer der n Prozessorkerne (1a, 1 b) dazu ausgebildet ist, den Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor (3a) auszuführen. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Steuerungsfunktionen mindestens eine der folgenden Funktionen aufweist: Funktionen zum Fehlermanagement,
Funktionen, die ein CAN in Automation (CiA) 301 Anwendungsprotokoll realisieren, - 7 -
Funktionen, die einen EtherCAT-Stack implementieren,
Funktionen, die eine Überwachung des zugeordneten Elektromotors (3a, 3b) implementieren,
Funktionen, die eine Regelung des Antriebs des zugeordneten Elektromotors (3a, 3b) implementieren. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (100) ein FPGA (4) aufweist, das zwischen den Prozessor (1) und die Leistungselektronik (2a) bzw. die Mehrzahl n von Leistungselektroniken (2a, 2b) geschaltet ist. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (2a) bzw. eine jeweilige Leistungselektronik (2a, 2b) einen Wechselrichter (5) aufweist. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (100) m Anschlüsse (6a, 6b) für Sicherheitsmodule aufweist. Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter in der ersten Konfiguration und in der zweiten Konfiguration einen Feldbusanschluss (7) aufweist.
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