专利名称：网络协调式同步阵列控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电机控制装置，具体地说是一种适用于集成电机的网络协调式同步阵列控制器。
现有的三相异步电动机、永磁同步电动机等电机所使用的控制器大多是由微机系统、控制电路与相应的GTO、IGBT、IGCT或IPM等功率模块连接组成。一般而言，每个控制器负责控制一台电机的运行。对于大功率电机而言，由于需要使用与电机功率相匹配的大功率GTO、IGBT、IGCT或IPM等功率模块，因此造成控制器的成本很高，而且由于这些大功率模块目前只有少数西方国家能够生产制造，且属于限制出口的高科技产品。因此对于我国来说，大功率电机的控制目前尚属薄弱环节，并受到国外器件的制约，这就直接影响到了大功率电机在我国各个行业的应用。
从理论上来讲，并联使用多个小功率控制器是可行的，而且成本相对较低。然而由于各控制器中诸多相对应的控制信号不可避免地存在有细微的时序差异，且对应的元器件的参数也不可能完全一致，如果使用器件直接并联法或直接使用逆变器并联运行，在电压同步、电流均衡等方面都会遇到很多难以解决的技术问题，甚至可能导致控制系统的全面崩溃。另外，此类控制信号一般均需经由主控CPU直接发至各个模块的控制端进行控制。在这种情况下，主控CPU和控制电路的任何故障均可直接影响到整个系统，甚至使其完全无法正常运行。
本实用新型的目的就是提供一种适用于大功率集成电机的网络协调式同步阵列控制器，以实现用多个小功率控制器替代一个大功率控制器来完成对大功率电机的控制。
本实用新型是这样实现的该控制器有至少2个以上的控制单元，每个控制单元均有一个微处理器单元U3，在微处理器单元U3上分别连接有显示模块U4，键盘输入单元U5，检测、驱动和保护单元U1，网络连接单元U7，以及功率模块U2，所有控制单元通过现场低层设备控制网络连为一体。这些控制单元在输出端独立，控制上相关，运行时严格同步，并在逻辑、物理和电气等方面均独立存在，共同构成一个具有网络结构的控制阵列，从而形成一个同步阵列控制器。
本实用新型使用同步阵列控制器进行大功率集成电机的控制。所谓集成电机是本申请人在先申请的一项专利(CN02120860.3)，其机械结构与现有已知技术制造的普通电机基本相同，其主要改进是定子绕组中的每一个线圈元件均是由多个(设为N，且N≥2)具有独立接线端的子元件构成。每个元件中的子元件数相等，占用同一组定子线槽，即在电机定子的物理线槽内并置，但在电气结构上独立。一个元件中的每一个子元件只与其他元件中相应的子元件进行连接，其连接规律与普通电机中对应位置上的各个元件的连接规律完全相同。由此将原有一套完整的定子绕组分解成为在物理位置上完全重叠的N套定子绕组，亦可称为在机座中N个同位的定子单元。每个定子单元均具有与相应普通电机定子相同的、完整的逻辑功能。N个定子单元共用同一转子。因此如果从逻辑角度将一个物理转子划分成为N个“逻辑转子”的集合，则每个定子单元均可与相应的逻辑转子共同形成一个“逻辑电机”。每个逻辑电机均有一组相应独立的、且与普通电机对应的接线端子。这样，就可以使用功率分解的方法，将一个大功率的电机从逻辑上和电气上分解成为若干个功率较小的逻辑电机。每个逻辑电机均具有完全相同的或者相似的物理和电气结构，但在电气和控制环节上是完全独立的。
将本实用新型中的每个控制单元对应连接上述集成电机中的一个逻辑电机，即每个控制单元可以对应控制一个逻辑电机。所有的控制单元以网络方式互联，各相控制信号同步或遵守某种特定的换相规律，同时驱动每个以并联方式工作的逻辑电机，进而完成对整个集成电机的控制。
本实用新型由于使用分布式并行控制单元对集成电机中的每个逻辑电机进行控制，有多少个逻辑电机就相应地有多少个独立的控制单元。所以，一台大功率的集成电机，可以由多个控制单元组成的同步阵列控制器进行控制。由此实现了使用小功率的GTO、IGBT、IGCT或IPM等驱动模块组成模块阵列来完成对大功率电机进行控制的设想。同时还可以避免因某一个CPU或控制电路的毁损而直接影响到整个控制器和集成电机的正常运行。由此极大地提高了电机控制和电机运行的可靠性与安全性。本实用新型的核心正在于此。
以下结合附图对本实用新型做进一步详述。
图1是本实用新型用以控制一台三联式集成电机的装置电路原理图。
图2是本实用新型中的一个控制单元的电路结构框图。
图3是本实用新型各控制单元中的计算机程序框图。
本实用新型的一个实施例如图1所示，集成电机I是一台包括有三个完全重叠定子单元(1a、1b、1c)的电机，三个定子单元均为Y型联接方式，共用一个转子2，形成了一个由三个逻辑电机组成的集成电机。每个逻辑电机中的定子单元均有一组相应独立的接线端子，并分别连接一个控制单元(3a、3b、3c)，即每个控制单元控制一个完整的三相定子绕组。利用控制器局部网4(简称“CAN”——Controller Area Network)，将三个控制单元相互连接在一起，即形成了一个三联式同步阵列控制器II，以此来控制集成电机I。也可以采用其他现场低层设备控制网络系统连接上述的控制单元，所组成的同步阵列控制器效果相同。
本实用新型中的一个标准控制单元如图2所示，包括有一个微处理器单元U3，在微处理器单元U3上分别连接有显示模块U4，键盘输入单元U5，检测、驱动和保护单元U1，网络连接单元U7，以及功率模块U2。网络连接单元U7用以连接CAN。
在每个控制单元中的微处理器单元U3上还连接一个可供外接计算机的通信单元U6，可由USB或RS-232等接口实现。其作用是可以通过上位计算机对整个控制系统方便地进行调试和检测。
图1中，在实用新型中的每个控制单元的直流母线上设置有可以控制相应驱动系统动力电源的电子开关5。当系统发现某个逻辑电机或者某个控制单元自身发生故障或受到外力毁损时，可以通过关断电子开关5，及时将该路控制单元及逻辑电机从整个电气系统中切换出去。
本实用新型的工作过程(如图3所示)是在上电初始化完成以后，每个控制单元都在网络上广播一个询问帧，查找当前是否有主机在运行。若应答超时，则自行置为主机，以取得网络的控制权。若当前已有一个控制单元作为主机正在运行，它收到询问帧后发送一个应答帧进行回复，同时也获知当前网络上还有其他控制单元在运行。后上电的控制单元自行设置为从机，不去试图控制整个网络。若多机同时上电且电气及复位参数完全一致，则可能回同时发送询问帧。根据CAN仲裁协议，只有其中一个控制单元会首先获得CAN的控制权，置为主机。在本发明控制器中并不硬性规定固定的主机或者从机，而是使用了主机裁定技术。其最大优势在于各个控制单元结构及其所运行的程序完全一致，这使得控制单元之间无论在硬件或是软件方面，均具有彻底的互换性。
在工作过程中，主机和从机之间必须频繁地交换状态信息，其目的有四1、控制单元之间的设置情况与具体参数的交流；2、同步获取被控对象的工作状态，判断其工作是否正常；3、协调控制信号的发出。4、实时实现数据的备份。主机将自己的状态信息、被控对象当前的状态数据以及需要备份的数据定时向从机发送。若从机在约定的时间间隔内没有收到主机的信息或者收到主机报告自己出错的信息，就认为主机已经出现故障。
最先认定主机故障的从机马上置自己为主机，同时取得网络的控制权，将故障机在直流母线一端的电子开关(如晶闸管)的选通端置为无效，便可完成将其从系统中进行电气切除的工作。进而根据最后收到的、由前主机转发的被控对象状态及系统参数对其继续实施控制，同时启动相应的故障显示信号，此即本实用新型所特有的“主机切换技术”。
在正常工况下，从机亦需定时向主机报告自己的状态。若主机在约定时间内没有收到从机报告状态的数据，则认为从机出现故障。同样，当发现某个逻辑电机定子线圈或者某个控制单元自身发生局部短路、断路、过压等故障，或受到外力毁损时，可以使用表决机制与仲裁等技术，及时将其切换出去。而这对于集成电机而言，只是局部问题。此时，集成电机仍可以继续运转而不会导致系统瘫痪。一旦某个逻辑电机或某个控制单元从电路中被切除，还可以令其他逻辑电机在尚未满载的情况下，通过改变其运行参数而相应地增加输出功率，在一定程度上做到“代偿式”运行，直至维修，使其对整个系统运行的影响降至最小。该方式可以有效地解决电机如何能够“带故障安全运行”的问题，由此提高了电机运行的可靠性与安全性。
各控制单元在整个网络控制器中既可以进行统调，以保证各个逻辑电机的定子磁场矢量严格重合，又可以在一定的条件下独立进行微调，以改善整体的动态性能。特别是，还可以在运行过程中进行类似于载波频率等特殊参数的统一或独立调整，使得每个控制单元均可以按照系统需要而使用一个特定的载波频率。这样，整个系统既能够使用单一载波频率，又可以工作在复合载波频率环境下，以达到分散噪声频谱等目的。
本控制器中的所有控制单元既可分别封装，也可以集中封装。无论封装形式如何，所有控制单元均在网络协调下按照严格同步的原则进行工作。在这种情况下，除了可以简单地使用小功率的驱动模块组成模块阵列来完成对大功率电机的控制外，还可以避免因单一CPU或控制电路的毁损而造成全局性的故障。
本控制器中的所有控制单元既可以使用同一组的转子位置信号，也可以使用不同组别的转子位置信号，以决定各个逻辑电机的换相时刻。只要将不同的换相时刻合理分配与组合，就可大幅度地改善转子的转矩波动情况。如果使用本同步阵列控制器控制普通电机，则控制器中有多少个控制单元就能控制多少与之功率相匹配的普通电机，形成一个在理想状态下相互完全同步、且在物理上以分立方式存在的电机阵列。
当集成电机工作在低负荷状态时，可由本同步阵列控制器选定最佳运行方式，决定只留其中一个或几个控制单元及所控逻辑电机进行工作。此时这些控制单元和逻辑电机可以工作在工况较好的“满载”状态，其余控制单元则被停机或仅处于待机状态，以尽量节省能源。与之相应的逻辑电机因其电路此时为“开路”，仅做“空转”而已，并不额外耗能。
权利要求1.一种适用于集成电机的网络协调式同步阵列控制器，其特征在于该控制器有至少2个以上的控制单元，每个控制单元均有一个微处理器单元U3，在微处理器单元U3上分别连接有显示模块U4，键盘输入单元U5，检测、驱动和保护单元U1，网络连接单元U7，以及功率模块U2，所有控制单元通过现场低层设备控制网络连为一体。
2.根据权利要求1所述的网络协调式同步阵列控制器，其特征在于在每个控制单元中的微处理器单元U3上连接有通信单元U6。
3.根据权利要求1所述的网络协调式同步阵列控制器，其特征在于在每个控制单元的直流母线上设置有可以控制相应驱动系统动力电源的电子开关。
专利摘要本实用新型是一种适用于集成电机的控网络协调式同步阵列控制装置，其结构包括有多个控制单元，每个控制单元均有一个微处理器单元U3，在微处理器单元U3上分别连接有显示模块U4，键盘输入单元U5，检测、驱动和保护单元U1，网络连接单元U7，以及功率模块U2，所有控制单元通过现场低层设备控制网络连为一体。这些控制单元在输出端独立，控制上相关，运行时严格同步，并在逻辑、物理和电气等方面均独立存在，共同构成一个具有网络结构的控制阵列，从而形成一个同步阵列控制器，以有效地提高电机控制和电机运行的可靠性与安全性。
文档编号H02P7/00GK2548360SQ0223811
公开日2003年4月30日 申请日期2002年6月17日 优先权日2002年6月17日
发明者原泽, 原亮, 栗彤, 季小尹 申请人:原泽