一種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，包括母線板、電源板卡、主處理器板卡、模擬量調(diào)理板卡、開關(guān)量輸入輸出板卡、光纖驅(qū)動板卡和通訊轉(zhuǎn)接板卡，電源板卡通過母線板為上述其他各板卡提供各種電源，光纖驅(qū)動板卡的驅(qū)動與反饋信號、開關(guān)量輸入輸出板卡的開關(guān)量信號、模擬量調(diào)理板卡的模擬量信號、通訊轉(zhuǎn)接板卡的通訊信號通過母線板與主處理器板卡進行信息交互，通訊轉(zhuǎn)接板卡與主處理器板卡分別至少與上位機進行通訊。本發(fā)明裝置優(yōu)點是：模塊化程度高，具有靈活擴展性，不僅能夠滿足復(fù)雜的多相電機調(diào)速系統(tǒng)的實時控制，而且母線板采用總線式設(shè)計，大大增強了擴展的靈活性，能有效地控制開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，同時提高設(shè)備的可靠性。
【專利說明】—種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，具體地說是一種模塊化設(shè)計的用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器裝置，屬于電機變頻調(diào)速【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代艦船向大型化、電氣化、智能化方向發(fā)展，從而促進電力推進系統(tǒng)不斷呈現(xiàn)出大功率、高密度、高可靠性、低維護成本等趨勢。采用多相電機及其驅(qū)動系統(tǒng)可避免功率器件的串并聯(lián)，設(shè)計者完全可以采用標準功率模塊進行變頻器設(shè)計，非常適用于低電壓供電的大功率電力推進系統(tǒng)。
[0003]多相電機調(diào)速系統(tǒng)作為大功率電力電子裝置，有著廣泛的應(yīng)用前景。其裝備容量大，系統(tǒng)復(fù)雜，要實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠高效運行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和部件的標準化、模塊化是至關(guān)重要的。
[0004]在多相電機調(diào)速系統(tǒng)中，通用控制器作為調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，其作用為采集系統(tǒng)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速及位置等多種信號進行處理后送入核心控制芯片進行復(fù)雜的運算，根據(jù)一定的控制算法產(chǎn)生驅(qū)動功率單元的驅(qū)動脈沖信號，同時對外部的邏輯開關(guān)信號作出判斷和處理，能夠與上位機或其他監(jiān)控設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互和實時通信。
[0005]目前，已經(jīng)存在的多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，多為將所需的功能劃分區(qū)域，集成在一塊或兩塊電路板上，標準化和模塊化程度低，針對不同的設(shè)計要求(如電機相數(shù)、采樣路數(shù)、通訊接口等)，控制器的資源配置不同，結(jié)構(gòu)多樣，接口的靈活性低，不便于維修，而且使開發(fā)成本大大增加。
[0006]中國專利申請“一種用于高壓變頻器模塊化設(shè)計的主控制器裝置，CN201010142328.9”公開了一種用于高壓變頻器模塊化設(shè)計的主控制器裝置，該控制器裝置包括了安裝于機箱內(nèi)的母線板，電源板插件，主處理器插件，模擬量采集插件，數(shù)字量輸入插件和數(shù)字量輸出插件和人機界面。該控制器裝置的不足之處在于主處理器插件采用MCU(Micro Controller Unit,中文名稱為微控制單元,又稱單片微型計算機)作為核心處理器，其運算速度和片上資源的局限性使其不適合用于復(fù)雜的多相電機調(diào)速系統(tǒng)控制，對外接口資源有限，人機交互的內(nèi)容有限，且母線板設(shè)計不足，使其擴展性受到一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提供一種模塊化程度高，利于集成化設(shè)計，具有靈活擴展性的一種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，是多相電機調(diào)速系統(tǒng)的通用控制器；本控制器不僅能夠滿足復(fù)雜的多相電機調(diào)速系統(tǒng)的實時控制，而且母線板采用總線式設(shè)計，大大增強了擴展的靈活性，能有效地控制開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，同時提高設(shè)備的可靠性。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，包括母線板、電源板卡、主處理器板卡、模擬量調(diào)理板卡、開關(guān)量輸入輸出板卡、光纖驅(qū)動板卡和通訊轉(zhuǎn)接板卡；電源板卡通過母線板為上述其他各板卡提供電源；光纖驅(qū)動板卡的驅(qū)動與反饋信號、開關(guān)量輸入輸出板卡的開關(guān)量信號、模擬量調(diào)理板卡的模擬量信號、通訊轉(zhuǎn)接板卡的通訊信號通過母線板與主處理器板卡進行信息交互；通訊轉(zhuǎn)接板卡和主處理器板卡分別至少與上位機進行通訊。
[0009]按上述方案，還包括FPGA協(xié)處理板卡、光纖驅(qū)動擴展板卡和溫度巡檢板卡；光纖驅(qū)動擴展板卡的驅(qū)動與反饋信號、溫度巡檢板卡的溫度信號通過母線板與FPGA (Field-Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列)協(xié)處理板卡進行信息交互；FPGA協(xié)處理板卡通過RS232接口、RS485接口、USB2.0接口、以太網(wǎng)接口、SD卡接口至少與上位機進行通訊；FPGA協(xié)處理板卡與主處理器板卡通過板間并行總線互聯(lián)。
[0010]按上述方案，所述主處理器板卡、模擬量調(diào)理板卡、開關(guān)量輸入輸出板卡和光纖驅(qū)動板卡上均設(shè)置有可編程器件。
[0011]按上述方案，所述FPGA協(xié)處理板卡、光纖驅(qū)動擴展板卡和溫度巡檢板卡上均可在線編程。
[0012]按上述方案，所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，有一個機箱，機箱內(nèi)各功能模塊采用標準化3U板卡插件，不同功能模塊的實現(xiàn)均采用經(jīng)過實踐驗證的標準電路。
[0013]按上述方案，控制器內(nèi)的各板卡的安裝位置能夠互換。
[0014]按上述方案，所述主處理器板卡、模擬量調(diào)理板卡、開關(guān)量輸入輸出板卡、光纖驅(qū)動板卡及FPGA協(xié)處理板卡、光纖驅(qū)動擴展板卡和溫度巡檢板卡上均載有DSP(DigitalSignal Processing 數(shù)字信號處理器)，或 CPLD (Complex Programmable Logic Device 復(fù)雜可編程邏輯器件)，或FPGA可編程處理單元，用于通過編程方式獨立對這些板卡功能進行升級，而不需重新設(shè)計電路，降低成本，提高可靠性。
[0015]按上述方案，所述的溫度巡檢板卡中的溫度測量采用三線制連接方式，溫度巡檢板卡中溫度巡檢電路具有導(dǎo)線壓降補償，通過三線制的物理測量達到四線制測量的精度；主處理器板卡通過SPI總線進行溫度巡檢板卡中溫度采集通道的選擇，實現(xiàn)32路溫度傳感器的信號采集。
[0016]按上述方案，所述的主處理器板卡包括數(shù)字信號處理器DSP、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD以及外圍擴展電路；CPLD作為DSP的輔助處理器，與DSP通過內(nèi)部總線連接；DSP采用32位定點DSP作為核心控制芯片。
[0017]一種由本發(fā)明的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器級聯(lián)的控制器，它是由多個控制器通過同步光纖信號進行級聯(lián)，一個控制器的通訊轉(zhuǎn)接板卡(7)和主處理器板卡(3)分別與上位機和級聯(lián)的控制器進行通訊，用于實現(xiàn)多相電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動的載波同步，提高多相電機的減振降噪性能，滿足十五相以上多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制。
[0018]本發(fā)明具有如下主要優(yōu)點:
1.標準化設(shè)計。通用控制器采用工業(yè)標準3U尺寸的機箱，各功能模塊采用標準化3U板卡插件形式，不同功能模塊的實現(xiàn)均采用經(jīng)過實踐驗證的標準電路進行設(shè)計，設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單且具有較高的冗余性和容錯性，可靠性高。
[0019]2.靈活的可擴展性設(shè)計。控制器內(nèi)的各板卡的安裝位置可互換，可通過靈活配置各板卡種類、數(shù)量及組合方式實現(xiàn)不同控制對象的不同需求，大大降低研發(fā)成本，升級、維護方便，可實現(xiàn)系列化產(chǎn)品的控制。[0020]3.支持軟件升級。除母線板、電源板卡和通訊轉(zhuǎn)接板卡外，其他板卡上均載有DSP、CPLD或FPGA等可編程處理單元，可通過編程方式獨立對這些板卡功能進行升級，而不需重新設(shè)計電路，降低成本，提高可靠性。
[0021]4.本發(fā)明的多個應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器之間可通過同步光纖信號進行級聯(lián)，實現(xiàn)多相電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動的載波同步，提高多相電機的減振降噪性能，可滿足十五相以上多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器組成示意圖；
圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，是控制器基本配置或擴展配置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，所有的板卡均是以插拔形式與母線板相連接；
圖3是本發(fā)明的多個應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器之間通過同步光纖信號進行級聯(lián)，成為級聯(lián)的控制器的級聯(lián)示意圖；
圖4是本發(fā)明的六相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器的板卡組成示意圖；
圖5是本發(fā)明的十二相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器的板卡組成示意圖。
[0023]圖中各附圖標記的名稱為:1:母線板；2:電源板卡；3:主處理器板卡；4:模擬量調(diào)理板卡；5:開關(guān)量輸入輸出板卡；6:光纖驅(qū)動板卡；7:通訊轉(zhuǎn)接板卡；8:FPGA協(xié)處理板卡；9:光纖驅(qū)動擴展板卡；10:溫度巡檢板卡。
【具體實施方式】
[0024]結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明如下:
實施例1:是本發(fā)明的基本實施例。如圖1、2所示，一種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，包括母線板1、電源板卡2、主處理器板卡3、模擬量調(diào)理板卡4、開關(guān)量輸入輸出板卡
5、光纖驅(qū)動板卡6和通訊轉(zhuǎn)接板卡7 ；電源板卡2通過母線板I為上述其他各板卡提供電源；光纖驅(qū)動板卡6)的驅(qū)動與反饋信號、開關(guān)量輸入輸出板卡5的開關(guān)量信號、模擬量調(diào)理板卡4的模擬量信號、通訊轉(zhuǎn)接板卡7的通訊信號通過母線板I與主處理器板卡3進行信息交互；通訊轉(zhuǎn)接板卡7和主處理器板卡3分別至少與上位機進行通訊。
[0025]實施例2:是一個進一步的實施例。與上述實施例1不同的是，還包括FPGA協(xié)處理板卡8、光纖驅(qū)動擴展板卡9和溫度巡檢板卡10 ;光纖驅(qū)動擴展板卡9的驅(qū)動與反饋信號、溫度巡檢板卡10的溫度信號通過總線式的母線板I與FPGA協(xié)處理板卡8進行信息交互；FPGA(Field-Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列)協(xié)處理板卡8通過RS232接口、RS485接口、USB2.0接口、以太網(wǎng)接口、SD卡接口至少與上位機進行通訊；FPGA協(xié)處理板卡8與主處理器板卡3通過板間并行總線互聯(lián)。
[0026]實施例3:是一個進一步的實施例。與上述實施例1不同的是，所述主處理器板卡
3、模擬量調(diào)理板卡4、開關(guān)量輸入輸出板卡5和光纖驅(qū)動板卡6上均設(shè)置有可編程器件。
[0027]實施例4:是一個進一步的實施例。與上述實施例1不同的是，所述FPGA協(xié)處理板卡8、光纖驅(qū)動擴展板卡9和溫度巡檢板卡10上均可在線編程。
[0028]實施例5:是一個進一步的實施例。與上述實施例1不同的是，所述的控制器機箱內(nèi)各功能模塊采用標準化3U板卡插件，不同功能模塊的實現(xiàn)均采用經(jīng)過實踐驗證的標準電路。
[0029]實施例6:是一個進一步的實施例。與上述實施例1不同的是，控制器內(nèi)的各板卡的安裝位置能夠互換。
[0030]實施例7:是一個進一步的實施例。與上述實施例2不同的是，所述主處理器板卡
3、模擬量調(diào)理板卡4、開關(guān)量輸入輸出板卡5、光纖驅(qū)動板卡6及FPGA協(xié)處理板卡8、光纖驅(qū)動擴展板卡9和溫度巡檢板卡10上均載有DSP (Digital Signal Processing數(shù)字信號處理器)，或 CPLD (Complex Programmable Logic Device 復(fù)雜可編程邏輯器件),或 FPGA 可編程處理單元，用于通過編程方式獨立對這些板卡功能進行升級，而不需重新設(shè)計電路，降低成本，提高可靠性。
[0031]實施例8:是一個進一步的實施例。與上述實施例2不同的是，所述的溫度巡檢板卡10中的溫度測量采用三線制連接方式，溫度巡檢板卡10中溫度巡檢電路具有導(dǎo)線壓降補償，通過三線制的物理測量達到四線制測量的精度；主處理器板卡3通過SPI總線進行溫度巡檢板卡10中溫度采集通道的選擇，實現(xiàn)32路溫度傳感器的信號采集。
[0032]實施例9:是一個進一步的實施例。與上述實施例1不同的是，所述的主處理器板卡3包括數(shù)字信號處理器DSP、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD以及外圍擴展電路；CPLD作為DSP的輔助處理器，與DSP通過內(nèi)部總線連接；DSP采用32位定點DSP作為核心控制芯片。
[0033]實施例10:如圖3所示，一種由本發(fā)明的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器級聯(lián)的控制器，它是由多個控制器通過同步光纖信號進行級聯(lián)，一個控制器的通訊轉(zhuǎn)接板卡7和主處理器板卡3分別與上位機和級聯(lián)的控制器進行通訊，用于實現(xiàn)多相電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動的載波同步，提高多相電機的減振降噪性能，滿足十五相以上多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制。
[0034]實施例11:是一個綜合的進一步的實旋例。如圖4所示，是六相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器的板卡組成示意圖。一臺六相電機的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，需要完成PWM生成，轉(zhuǎn)速檢測，定子各相電壓電流檢測，開關(guān)狀態(tài)控制等功能，根據(jù)系統(tǒng)要求，為該調(diào)速系統(tǒng)的控制器組成示意圖，該實施例所應(yīng)用的變頻控制器由以下板卡組成:電源板板卡，主處理器板卡、通訊轉(zhuǎn)接板板卡、模擬量調(diào)理板卡、開關(guān)量輸入輸出板卡和兩個光纖驅(qū)動板卡。本發(fā)明控制系統(tǒng)從工頻220VAC供電系統(tǒng)取電，經(jīng)過外部連接的AC-DC24V電源模塊轉(zhuǎn)換為控制器供電。
[0035]所述的電源板板卡，在電源線端子入口處，設(shè)計有防浪涌電路，并經(jīng)過共模和差模濾波電容以及共模電感濾除高頻共模和差模干擾。選用成熟的DC-DC電路將輸入+24VDC轉(zhuǎn)換為+15VDC、-15VDC、+5VDC等多種電源，送至底板電源總線為其他模塊板卡供電。
[0036]所述的主處理器板卡，選用DSP作為中心處理器，充分利用其內(nèi)部資源，完成調(diào)速控制算法的計算、各種數(shù)據(jù)采集和處理、PWM信號生成、位置/速度信號計算、系統(tǒng)軟件保護及通訊等功能。DSP芯片外擴SRAM非易失性存儲器和RTC電路，可保存故障記錄、故障發(fā)生時間以及部分運行信息。另外板上采用ALTERA公司的CPLD芯片進行擴展，完成硬件保護、邏輯控制等功能。根據(jù)系統(tǒng)需求配置CAN，RS485, RS232等通訊方式。
[0037]所述的通訊轉(zhuǎn)接板板卡，用于提供CAN，RS485等通訊方式的轉(zhuǎn)接接口，與上位機或級聯(lián)的控制器進行通訊。
[0038]所述的模擬量調(diào)理板卡，可接收8路模擬量采樣信號，其中電流型信號范圍是±500mA，電壓型信號范圍是±10V，同時可送出模擬恒流源信號。定子電壓電流經(jīng)過霍爾元件轉(zhuǎn)換后得到在上述輸入范圍內(nèi)的電壓或電流信號，板上調(diào)理電路對輸入的被測信號進行放大和濾波，并進行閥值判斷，提供硬件保護。
[0039]所述的開關(guān)量輸入輸出板卡，可接收8路外部輸入的開關(guān)量信號，同時可輸出8路由繼電器控制的開關(guān)量信號，用于調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)控制。有一路轉(zhuǎn)速檢測輸入，可識別信號頻率為500kHz以下的各式轉(zhuǎn)速編碼器的輸出，實時采集轉(zhuǎn)速信號以實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。
[0040]所述的光纖驅(qū)動板卡，板載一塊CPLD芯片，可對主處理器板卡經(jīng)底板總線傳輸?shù)尿?qū)動信號進行處理，靈活配置驅(qū)動脈沖，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器發(fā)出6路驅(qū)動信號，且可通過光纖子板檢測光反饋信號，判別驅(qū)動故障等。
[0041]一臺十二相電機的調(diào)速系統(tǒng)，采用DSP與FPGA的優(yōu)勢相結(jié)合，可通過擴展配置FPGA協(xié)處理板卡和光纖驅(qū)動擴展板卡來實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)要求，如圖5所示，是十二相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器的板卡組成示意圖。
[0042]所述的FPGA協(xié)處理板卡與主處理器板卡之間通過數(shù)據(jù)和地址總線進行數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)PGA器件芯片選用Altera公司的EP1C6Q240I7芯片，該系列芯片采用查找表(LUT)和EAB(嵌入式陣列塊)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，適合應(yīng)用于具有復(fù)雜邏輯及有存儲、緩沖能力的系統(tǒng).DSP對FPGA的各個寄存器進行配置和讀寫，由FPGA芯片經(jīng)過運算來完成PWM調(diào)制脈沖驅(qū)動信號的生成。
[0043]該控制器采用了兩個模擬量調(diào)理板卡，可對16路模擬量采樣信號進行調(diào)理；兩個開關(guān)量輸入輸出板卡，可接收16路外部輸入的開關(guān)量信號，同時可輸出16路由繼電器控制的開關(guān)量信號。
[0044]所述的光纖驅(qū)動擴展板卡與光纖驅(qū)動板卡結(jié)構(gòu)相似，對擴展FPGA板卡經(jīng)底板總線傳輸?shù)尿?qū)動信號進行處理，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器發(fā)出。本示例采用了 6塊光纖驅(qū)動擴展板卡，提供36路PWM驅(qū)動信號。
[0045]對本發(fā)明的技術(shù)方案、原理及效果作進一步說明如下:
本發(fā)明控制器的外形為標準的機箱式結(jié)構(gòu)，采用總線式插槽結(jié)構(gòu)，插件按功能模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，即可以根據(jù)控制器實際需求配置插件板卡的數(shù)量和尺寸，控制器的基本配置包括母線板1、電源板卡2、主處理器板卡3、模擬量調(diào)理板卡4、開關(guān)量輸入輸出板卡5、光纖驅(qū)動板卡6、通訊轉(zhuǎn)接板卡7組成。如圖2所示，母線板I安裝于機箱內(nèi)部，電源板卡2、主處理器板卡3、模擬量調(diào)理板卡4、開關(guān)量輸入輸出板卡5、光纖驅(qū)動板卡6上設(shè)置有插拔式結(jié)構(gòu)的連接器同母線板I中的對應(yīng)插槽相連接，母線板同各板卡上設(shè)置的電源相連接，母線板采用并行總線及串行總線的互聯(lián)方式，同時，各板卡的安裝位置可以互換，以及根據(jù)實際需求可配置不同種類和不同數(shù)量的板卡，增強了通用性和防錯性。
[0046]本發(fā)明控制器可以根據(jù)實際需求配置擴展板卡，擴展板卡包括:FPGA協(xié)處理板卡(Field-ProgrammabIe Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)可完成驅(qū)動和保護信號的擴展、對外通訊接口的擴展以及與SSI型絕對式編碼器的數(shù)據(jù)交互，SSI型絕對式編碼器是外部連接的一種部件；光纖驅(qū)動擴展板卡完成FPGA擴展驅(qū)動信號的光電轉(zhuǎn)換、IGBT/IGCT (IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管，IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)集成門極換流晶閘管)等功率器件不同特性反饋信號的檢測、判斷、記錄等功能；溫度巡檢板卡完成對系統(tǒng)中溫度傳感器信號的采集。經(jīng)擴展后的控制器可適用于六相以上如典型的十二相、十五相等多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制需求
上述的通用控制器，各個插件功能以及實現(xiàn)功能過程描述如下:
總線式的母線板I用于其他各板卡之間電源及總線的互聯(lián)。母線板的信號傳輸采用混合總線式設(shè)計，對信號的類型和時序進行分析，將實效性要求不高的數(shù)據(jù)采用串行外設(shè)總線SPI傳輸，實時性要求高的大量控制信息和數(shù)據(jù)采用并行總線傳輸?？梢詫崿F(xiàn)板卡的任意配置和擴展。
[0047]電源板卡2包括板載DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊以及保護電路和濾波元件。本發(fā)明控制器的外部輸入的+24VDC電源經(jīng)過電源板卡2的DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊，其電源電壓變換為各電路板所需的穩(wěn)定的+15VDC、-15VDC、+5VDC等多種電源送至母線板1，為其他各板卡提供電源。
[0048]主處理器板卡3是本發(fā)明控制器的核心部分，包括數(shù)字信號處理器DSP (DigitalSignal Processing數(shù)字信號處理器)、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD (Complex ProgrammableLogic Device復(fù)雜可編程邏輯器件)以及一些外圍擴展電路；CPLD作為DSP的輔助處理器，與DSP通過內(nèi)部總線連接。DSP采用32位定點DSP作為核心控制芯片，DSP完成包括:數(shù)據(jù)實時采集與處理、系統(tǒng)工作狀態(tài)反饋、設(shè)備故障檢測、脈沖信號的產(chǎn)生和發(fā)送、與上位機實時通訊等功能.主處理器板卡可實現(xiàn)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等復(fù)雜的控制算法運算、生成PWM信號、信號采集、系統(tǒng)保護、通信等功能。
[0049]模擬量調(diào)理板卡4主要完成電壓、電流信號的采集、調(diào)理，故障判斷及報警等功能。該板卡由包括調(diào)理電路、故障檢測電路及CPLD，被測信號經(jīng)調(diào)理電路進行處理后送到主處理器用于ADC采樣的同時，送至故障檢測電路進行故障識別，并將故障信息存入CPLD，CPLD通過模擬量調(diào)理板卡4與母線板I之間的SPI總線將故障信息傳送至主處理器板卡3。
[0050]開關(guān)量輸入輸出板卡5完成外部開關(guān)量狀態(tài)的檢測及輸出斷路器的控制，同時實現(xiàn)普通增量式編碼器、齒盤式轉(zhuǎn)速傳感器等多種形式的轉(zhuǎn)速信號的測量。
[0051]光纖驅(qū)動板卡6主要完成驅(qū)動信號的光電轉(zhuǎn)換、驅(qū)動信號錯誤識別及功率器件反饋信號檢測與保護等功能。板卡上設(shè)置有CPLD芯片，可設(shè)置ID并通過編程方式實現(xiàn)IGBT/IGCT等功率器件不同特征反饋信號的檢測、判斷、記錄等功能，并通過SPI總線上傳至主處理器板卡。
[0052]通訊轉(zhuǎn)接板卡7用于提供CAN，RS485等通訊方式的轉(zhuǎn)接接口，與其他控制器或上位機進行通訊。
[0053]擴展板卡部分中的溫度巡檢板卡10中的溫度測量采用三線制連接方式，板卡中溫度巡檢電路具有導(dǎo)線壓降補償?shù)膬?yōu)點，與傳統(tǒng)三線制測量電路相比，其優(yōu)點在于通過三線制的物理測量達到四線制測量的精度。主處理器板卡通過SPI總線進行溫度巡檢板卡中溫度采集通道的選擇，可實現(xiàn)32路溫度傳感器的信號采集。
[0054]FPGA協(xié)處理板卡可通過FPGA協(xié)處理板卡完成驅(qū)動信號擴展以及與SSI型絕對式編碼器的數(shù)據(jù)交互，光纖驅(qū)動擴展板卡完成FPGA擴展驅(qū)動信號的光電轉(zhuǎn)換、IGBT/IGCT反饋信號的檢測與判斷等功能，同時具有實時故障保護功能。同時可通過FPGA協(xié)處理板卡完成對外通訊接口的擴展，包括2路CAN接口，I路RS485接口，I路RS232接口，I路USB2.0接口，I路以太網(wǎng)接口，I路SD卡存儲接口等。本發(fā)明控制器利用FPGA協(xié)處理板卡中的FPGA的容量大、編程靈活的特點進行擴展，運算速度快，結(jié)構(gòu)靈活，通用性強，可以適用于復(fù)雜的多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制。
[0055]光纖驅(qū)動擴展板卡9的主要功能與光纖驅(qū)動板卡上的功能實現(xiàn)類似，區(qū)別在于，該板卡從屬于FPGA協(xié)處理板卡,減輕主處理器板卡對外圍板卡的控制負擔(dān)。
[0056]上述的通用控制器，可采用多個通用控制器之間采用光纖進行級聯(lián)，這樣可以通過同步光纖信號實現(xiàn)多個通用控制器之間的級聯(lián)，實現(xiàn)多相電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動的載波同步，提高多相電機的減振降噪性能，適用于六相以上如典型的十二相、十五相及以上的多相電機的控制需求，如圖3所示。
[0057]本發(fā)明控制器中的各板卡均板載有可在線編程器件，完成對不同特性多相電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、保護及驅(qū)動控制，不需修改硬件，實現(xiàn)對不同種類或不同特性多相電機的控制。
[0058]本發(fā)明控制器采用工業(yè)標準3U尺寸的機箱，各功能模塊采用標準化3U板卡插件形式，不同功能模塊的實現(xiàn)均采用經(jīng)過實踐驗證的標準電路進行設(shè)計，設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單且具有較高的冗余性和容錯性，可靠性高。
[0059]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:包括母線板(I)、電源板卡(2)、主處理器板卡(3)、模擬量調(diào)理板卡(4)、開關(guān)量輸入輸出板卡(5)、光纖驅(qū)動板卡(6)和通訊轉(zhuǎn)接板卡(7);電源板卡(2)通過母線板(I)為上述其他各板卡提供電源；光纖驅(qū)動板卡(6)的驅(qū)動與反饋信號、開關(guān)量輸入輸出板卡(5)的開關(guān)量信號、模擬量調(diào)理板卡(4)的模擬量信號、通訊轉(zhuǎn)接板卡(7 )的通訊信號通過母線板(I)與主處理器板卡(3 )進行信息交互；通訊轉(zhuǎn)接板卡(7)和主處理器板卡(3)分別至少與上位機進行通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:還包括FPGA(Field-Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列)協(xié)處理板卡(8)、光纖驅(qū)動擴展板卡(9)和溫度巡檢板卡(10);光纖驅(qū)動擴展板卡(9)的驅(qū)動與反饋信號、溫度巡檢板卡(10)的溫度信號通過母線板(I)與FPGA協(xié)處理板卡(8)進行信息交互；FPGA協(xié)處理板卡(8)通過RS232接口、RS485接口、USB2.0接口、以太網(wǎng)接口、SD卡接口至少與上位機進行通訊；FPGA協(xié)處理板卡(8)與主處理器板卡(3)通過板間并行總線互聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:所述主處理器板卡(3)、模擬量調(diào)理板卡(4)、開關(guān)量輸入輸出板卡(5)和光纖驅(qū)動板卡(6)上均設(shè)置有可編程器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:所述FPGA協(xié)處理板卡(8)、光纖驅(qū)動擴展板卡(9)和溫度巡檢板卡(10)上均可在線編程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:所述控制器有一個機箱，機箱內(nèi)各功能模塊采用標準化3U板卡插件，不同功能模塊的實現(xiàn)均采用經(jīng)過實踐驗證的標準電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:所述控制器內(nèi)的各板卡的安裝位置能夠互換。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:所述主處理器板卡(3)、模擬量調(diào)理板卡(4)、開關(guān)量輸入輸出板卡(5)、光纖驅(qū)動板卡(6)及FPGA協(xié)處理板卡(8)、光纖驅(qū)動擴展板卡(9)和溫度巡檢板卡(10)上均載有DSP (Digital SignalProcessing 數(shù)字信號處理器)，或 CPLD (Complex Programmable Logic Device 復(fù)雜可編程邏輯器件)，或FPGA可編程處理單元，用于通過編程方式獨立對這些板卡功能進行升級。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:溫度巡檢板卡(10)中的溫度測量采用三線制連接方式，溫度巡檢板卡(10)中溫度巡檢電路具有導(dǎo)線壓降補償，通過三線制的物理測量達到四線制測量的精度；主處理器板卡(3)通過SPI總線進行溫度巡檢板卡(10)中溫度采集通道的選擇，實現(xiàn)32路溫度傳感器的信號采集。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器，其特征在于:主處理器板卡(3)包括數(shù)字信號處理器DSP、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD以及外圍擴展電路；CPLD作為DSP的輔助處理器，與DSP通過內(nèi)部總線連接；DSP采用32位定點DSP作為核心控制芯片。
10.一種由權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制器級聯(lián)的控制器，其特征在于:它是由多個控制器通過同步光纖信號進行級聯(lián)，一個控制器的通訊轉(zhuǎn)接板卡(7)和主處理器板卡(3)分別與上位機和級聯(lián)的控制器進行通訊，用于實現(xiàn)多相電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動的載波同步，提高多相電機的減振降噪性能，滿足十五相以上多相電機調(diào)速系統(tǒng)的控制。
【文檔編號】H02P23/00GK103490695SQ201310255627
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月25日
【發(fā)明者】梁寶明, 張穎輝, 李丹, 項思源, 高曉峰 申請人:中國船舶重工集團公司第七一二研究所