专利名称：用于中压变频驱动器的双环专用驱动器控制系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于中压变频驱动器的-一种控制系统，并且尤其涉及利用一个
光纤通信环将多个变频驱动器连接在一起的一种控制系统。
背景技术：
在耍求多个中Ji变频驱动器("MV驱动器")的应用中，通常有被指定为主耍控制 驱动器的一个申.一驱动器。其余的这些驱动器然后被指定为跟随器。在这些应用巾，该主 要控制驱动器通常负责总速度的控制(即速度调节器)，而这些跟随器负责协助将扭矩提 供给系统屮的电动机(即扭矩调节器)。在这种安排屮，数据通过一个工业网络(例如器件 网(DeviceNet)、控制网(C'ontrolNet)或者工业以太网(Industrial Ethernet))从驱动器 传递到驱动器。还nj以与其他控制器和多个驱动器组合共享这种网络。 这些现有系统遇到的主要缺点是产牛网络等待时间，即在这些系统控制器和多个 中压变频(MV)驱动器中由网络传播延迟和处理时间所引起的延迟。在多种关键的应用中， 例如输送器，这种通信等待吋间能够产生所不希望的侧向振动或扭转振动。若这些振动以 某些自然频率出现，则这些振动能够被放大。现有系统的另一个缺点是每个巾压变频(MV) 驱动器彼此异步运行，这样，调节器就在输送器系统中增加了振动。 可以增加一个次级驱动器到驱动器的通信连接以帮助减少一个单一工业网络的 等待时间。然而，这些次级连接典型地通过铜线，因此也受到与该工业网络相同的一些局 限,例如缺少故障容限、过K的等待时间、距离上的局限性以及nJ用带宽的局限性。 若由于通信媒介故障或者控制驱动器自身故障的原因而中断与这些控制电动机 驱动器的通信,则该系统控制器或者可编程逻辑控制器(PLC)必须指派另一个驱动器作为 该系统控制器或者宣布该系统故障，以停止所有这些驱动器。因此，该电动机驱动器系统即 便是带有一个次级驱动器到驱动器通信连接也易受到以下的影响(l)该可编程逻辑控制 器(PLC)的故障，(2)该主要工业控制网络的故障，(3)该驱动器到驱动器通信连接的故障， 以及(4)该被指定为该控制驱动器的故障。
发明内容本发明提供了实质上更抗故障的--种电动机驱动器系统。总休上讲，该电动机驱 动器系统提供了带有这些驱动器的一个冗余通信拓扑结构，从而大大减少了由驱动器到驱 动器通信接连中的差错所引起的故障的可能性。进-二步讲，本发明将这些驱动器中的-、个 指定为一个"连接保持器"，该连接保持器可重新配置该驱动器到驱动器通信连接，而无需 该可编程逻辑控制器(PLC)的介入。即使在没有与该可编程逻辑控制器(PLC)通信或者该 可编程逻辑控制器(PLC)(以上1和2)出现故障的情况下，这也提供了该驱动器系统的完 整性，并且在实质上减少了该驱动器到驱动器通信连接(以上3)的故障。该系统易于适合 f允许带有低等待时间的极高速度通信的光纤。 确切地讲，本发明提供了包括由通信媒介联接的多个电动机驱动器的- 一个电动机驱动器控制系统。每个电动机驱动器貝-仃一个用于控制电动机的速度的一个电动机控制电 路以及一个媒介接入控制单兀(MACU)。该MACL:具有一个第一通信模块以及一个第二通信 模块，每个通信模块具有联接到该通信媒介的--个发送器和--个接收器。MACU中的--组选 路开关联接这些通信模块，以便将这些电动机驱动器连接到一个独立的初级环中以及一个 次级环中，这些环传送用T控制这些电动机驱动器的数据。 冈此，木发明的一个目的是提供用于多个巾压变频(MV)驱动器的一种通信系统，
该通信系统提供了更人的抗网络故障性。 此外，该通信媒介可以由光纤缆构成。 因此，本发明的另-一个目的是提供一个能易于适配于光纤的通信系统。由于这些
发送器和接收器可以til多个选路开关直接联接,所以经历很少的通信等待时间。 本发明的双通信环能够可荇代地由铜线以-一种减少的带宽和距离构成。 因此，本发明的一个目的是在本发明的这些通信模块之间提供一个低成本替代通
信装置。 除了一个电动机驱动器之外的全部电动机驱动器的第二通信模块被连接到一个 邻近的电动机驱动器的第--通信模块，以形成该初级环。 因此，本发明的另一个目的是提供一种建立一个冗余通信拓扑结构的简单方法， 该冗余通信拓扑结构容纳-一个菊花链式连接系统以及该链中的任何点处的中断。 该驱动器控制系统可以具有四个选路开关一个第一选路开关，该第一选路开关 联接该第--通信模块的发送器与该第二通信模块的接收器；--个第二选路开关，该第二选 路开关联接该第一通信模块的接收器与该第二通信模块的发送器；一个第二选路开关,该 第三选路开关使该发送器与该第-'通信模块的接收器分路；以及，.、个第四选路开关，该第 四选路开关使该发送器与该第二通信模块的接收器分路。在操作过程中，该第一选路开关 与第二选路开关可以被关闭或者替代地该第三选路开关与该第四选路开关可以被关闭，以 改变该初级环和次级环的拓扑结构。 因此,本发明的一个目的是提供-一种简单的开关网络，该开关网络可以使数据通 信通过或者分路，I-fl]无需延迟数据流的计算机处理。 该驱动器电动机驱动器控制系统可以将- 一个电动机驱动器指定为--个连接保持 器，以便(a)在该连接保持器未能接对收来自另一个电动机驱动器的通信的响应时,检测 该初级环中的多个中断；并且(b)将指令提供给其他的电动机驱动器以对检测到的它们的 选路开关进行重新配置。 因此，本发明的又-一个目的是提供一个系统，其中多个故障可以被局部处理，而无 须要求与该可编程逻辑控制器(PLC)的通信。 此外，本发明的系统可以被配置为包括一个冗余连接保持器。 本发明的又一个目的是提供通信系统,该通信系统不易受到单一连接保持器的故 障的影响，因此，该系统内在地比其中仅有一个可编程逻辑控制器(PLC)的可编程逻辑控 制器(PLC)调节的系统更加可靠。 这些具体的特征和优点可能只适用T在这些权利耍求的范围之内的某些实施方 案，并冈此不限定木发明的范闱。
图1是现有技术的多个驱动器系统的一个不意图； 图2是本发明中所使用的类型的媒介接入控制单元(MACU)的一个示意图； 图3是根据本发明的系统的一个示意图； 图4是图3的系统的-'个示意图，其中在该系统中的-'个点处检测到.、个物理中 断； 图5是图3至图4的系统的一个示意图，该图示出了-一个连接跟随器故障之后的 该系统的歪新配置；并且 图6是图3至图5的系统的-一个示意图，该图示出了一个连接保持器故障之后的 该系统的重新配置。
具体实施方式现在参看这些附图，并首先参看图l,现有技术中公知类型的多驱动器系统10的 一个示意图包括连接到工业控制网络14(例如控制网(ControlNet))的多个驱动器12。每 个驱动器12与-一台电动机16连通。在这些系统10中，这些驱动器12中的一个通常被指 定为主要控制驱动器，而其余的这些驱动器被指定为跟随器。在这些应用屮，该主要控制驱 动器通常负责速度的控制，而这些跟随器被配置为协助将扭矩提供给该系统的这些电动机 16。 通过-一个^用的驱动器到驱动器的通信网络15的方式在这些驱动器i2之间传递 运动控制数据，而用于这些驱动器12的配置数据以及在驱动器到驱动器通信网络15上用 丁-它们的通信的配置数据是通过该工业控制M络14进行通信。可与其他控制器和驱动器 共享该网络1.4。该系统l()进一步包括一个系统控制器20，如一个可编程逻辑控制器(PLC)。 系统控制器20总体上被配置为管理通过该驱动器到驱动器通信网络15的数据流动并且与 经过该工业控制网络14与该控制系统的其他元件进行通信。现有技术的系统10进一步包 括-一个操作人员界面18，该界面可以包括一台计算机，该计算机适合于允许用户将系统10 配置为用f不同的应用。 在这个系统i0中，每个驱动器i2能够直接通过该驱动器到驱动器的通信网络丄5 在该控制驱动器与多个驱动器跟随器之间传递数据，不过,若这个驱动器到驱动器的通信 网络15或者任何驱动器12发生故障，则必须通过工业控制M络14与系统控制器22进行 通信。工业控制系统14或者驱动器到驱动器的通信网络15中的一个物理中断能够引起整 个该系统出现故障，并因此而使当前运行的过程停止。 现在参看图2，本发明的媒介接入控制单元(M:ACU)3()的一个示意图包括一个第一 通信模块32以及-一个第二通信模块34。每个通信模块32和34包括-一个发送器29以及-一 个接收器33，该发送器将来自该MACU 30的输出电信号转换为分别ttl第一光纤35a和37a 接收的光学信号，该接收器分别接收来自光纤35b和37b的光学信号，以将这些信号转换成 与MACU 3()通信的多个电信号。MACU 3()与本发明的这些MV驱动器12通信，以与其进行数 据通信。 每个MACU 30进一步包括一组选路开关31.a、31.b、31.c和31d。开关31d将模块34 中的接收器33的输出端与模块32中的发送器29的输入端联接。开关31c将模块32中的接收器33的输出端与模块34中的发送器29的输入端联接。开关31b将模块34的接收器 33的输出端与发送器29的输入端分路。同样，开关31a将模块32中的接收器33的输出端 与发送器29的输入端分路。这些开关3i和接收器33以及发送器29可以是直接连接的器 件,而无需计算机电路的中间处理,并因此而提供了 ，例如当开关31d被关闭时，从光纤35b 至光纤35a的极低等待时间的通信。正如将会了解的那样，这些光纤35可以由铜导体代替 用于较低速度的运作。 现在参看图2和图3，首先参看图3，多个MCU 30可操作性地彼此连接以形成一 个双环网络42。在本发明的系统40屮，每个MACU 30(例如在驱动器12b屮)的第二通信 模块34被连接到用于每个模块12a、12b、12c和12d的--一个邻近的MACU 30(例如12c)的 第一通信模块32以形成一个初级环M。对f这些模块中的每一个rfl]言，开关31d和31c被 关闭日.开关3ia和3ib被打开。对于模块i2e而言，开关3ia被关闭并目.开关3丄d和3k 被打开，从而实现该初级环44的端接。 模块12o的第二通信模块34然后被连接到模块12a的第-'通信模块32，以产生- 个次级环46。 这些MACU 30中的这些通信模块中的每--个之间的电气连接是多个电气开关，这 些电气开关被包含在一个现场可编程门阵列(:FPGA)屮，这些电气开关将根据该链路的配 置来改变系统40的运行条件。这些开关通过消除对多个光纤发送器与接收器之间的光学 J「关的需要来帮助降低器件的成本。这些J卩关的配覽n」'以通过从一个连接保持器的双环网 络42上传送的数据来设置，如以下将要描述。 在系统4()的止常操作中，数据绕着初级环44流动，而该次级环46保持空闲。当 空闲时，该光源被这些MACU发送器移除，从而在该邻接的接收器产生-'个数字高水平。优 选在向系统40通电时，系统40自动将这种配置初始化。 优选系统40将包含至少一个MV驱动器12，该MV驱动器被配置作为连接保持器 12a，并且其余的这些驱动器1.2将被指定为连接跟随器12b。此外，这些连接跟随器1.2b屮 的-一个可以被指定为-一个冗余连接保持器12c。冗余连接保持器12c在总体上将会起到连 接跟随器12b的作用，除非检测到该连接保持器12a的故障或者该初始连接保持器12a请 求将其作用转移到--------个连接跟随器i2b，由此该冗余连接保持器i2c将被配置为接荇该连
接保持器运行，直到被该系统控制器的任一终端用户命令转移连接保持器的作用。 在运行吋，连接保持器12a控制这些连接跟随器12b至12C中的每.'个中的选路 开关31的状态。在初始化时，连接保持器12a将使其所有的开关31打开并且将仅使用该 第二通信模块34以在44的初级连接上的这些连接跟随器12b之间发送和接收消息。除最 终连接跟随器12e之外的所有连接跟随器1.2b至12f将使开关31c和31d关闭，从而有效 地产生沿着初级环44的低等待时间转发器。根据所使用的光纤的类型，这可以允许多个驱 动器之间的约几千米的距离。ttlf在第二通信模块34中感测一个空闲条件，所以最后的驱 动器i2e将使开关3ia关闭，从而关闭整个初级环44。 现在参看图4,在模块12c与12d之间的光纤缆35和/或光纤缆31中可能发生中 断，从而损害初级环44上的通信。在响应这种中断时，本发明的系统40由连接保持器12a 或由器件12d和12e自动重新配置以便在次级环46 l:进行通信，从而到达由初级环44所 隔离的器件12d和12e。优选通过监控用于闲置条件的邻近的器件12c和12d中的接收器的电气水平来检测初级环44中的中断。可替代地，当在一个邻近连接跟随器(例如12d) 的该部分--匕不能响应一个连接保持器的消息时，检测该环中的中断。在后者的情况下，该连 接保持器将打开在其第二通信模块34中的发送器37，从而将该次级环置于-一个工作状态。 器件12e将检测状态中的这种变化并且相应地重新配置其多个选路开关。 如图4所示，当该物理中断处丁'器件12c与12d之间时，通过检澳U,最后的驱动器 12e将打开其开关3la并且关闭开关31c和31d，以允许从该次级环至被隔离的器件12d的 数据的通过量。此外，它然后将解除其次级环发送器的空闲状态。当检测这种情况时，该连 接保持器然后将把通信模块32和通信模块34均用于传递消息。这样，第四驱动器12d然 后将采取该次级环46上的最后的驱动器的状态并打开开关31c和31d并且关闭开关31b。 第三驱动器12c现在采取该初级环44 ....匕的最后的驱动器的状态，将打开开关31c和31d并 H.关闭3ifcu从而完成初级环44。 现在参看图5，如先前所指出的那样，在一个MACU 3()出现故障之后，为了绕过将 该出故障的MACU 30旁路，系统40对其自身进行重新配置以沿着次级环46进行通信。在 这种情况下，第二驱动器12b将采取初级环44 l:的最后的跟随器的状态并打开开关31c和 31d并且关闭开关31a。如前所述，连接保持器12a可以关闭开关31c和31d以用于对等的 消息传送，若支持这种对等消息传送的话。 现在参看图6，若连接保持器12a发生故障，则假设驱动器12b被指定为冗余连接 保持器12c，冗余连接保持器12b自动接替连接保持器12a的这些操作，且系统4()无中断地 运行。 在所说明的情景中，将仅使用初级环44。若在这种网络中存在着任何额外的中断 或故障，则该网络将出现故障，因为该M络不能被重新配置为使用次级环46。这样，-'个第 三光学通信模块可以作为一个外部部件增加到该系统40。增加第三通信模块往往会有效地 使次级环46与初始连接保持器12a中的第二通信模块34断开并且将次级环46切换到新 的冗余连接保持器12c的第一通信模块。优选这种配置通常包括一个光学开关。 此外，本发明的系统40可以被配置为检测增加到该初级环44的一个新的驱动器 12。因此，对该新增加的驱动器12配备系统40尤其是连接保持器12a以及冗余连接保持 器i2b所公知的位置。在增加动力的过程中，每个连接跟随器将根据它们到连接保持器的 相应的位置而被指派一个节点标识(ll))和端口标识(H))。多个节点标识(ll))和多个端口 标识(ID)不NJ之处在T多个节点标识(ID)在通信联系过程中被用T,址，而多个端口标 识(ID)被用于检测系统40巾的一个物理巾断的位置。这样，在通电配置之后，多个端口标 识(ID)被固定，而多个节点标识(ID)可以根据连接保持器的12a中的变化而变化。 此外，本发明的系统40的所有配置和茧新配置是由这些驱动器12本身完成的，优 选这是自动进行的，从而消除了对系统控制器的需求，例如可编程逻辑控制器(PLC)，或者 通过来自系统控制器的一组命令来进行。 本发明明确地旨在并不限于在此所包含的这些实施方案和说明，而是包括了这些 实施方案的修改的形式，这些形式包括了在下面的权利要求书的范围之内的这些实施方案 的部分以及不M实施方案的S素的组合。
权利要求一种电动机驱动器控制系统，其特征在于，包括通信媒介，该通信媒介包括至少一条网络线路；多个电动机驱动器，每个电动机驱动器包括(a)一个电动机控制电路，用于控制一台电动机；(b)一个媒介接入控制单元，具有(i)一个第一通信模块以及一个第二通信模块，每个模块具有联接到该通信媒介上的一个发送器以及一个接收器，(ii)一组联接这些通信模块的选路开关，这些选路开关用来将这些电动机驱动器连接到一个独立的初级环中以及一个次级环中，这些环传送用于控制这些电动机驱动器的数据，其中该初级环和次级环中的至少一个包括一个段，该段联接一个通信模块的一个发送器和接收器。
2. 如权利要求l所述的电动机驱动器控制系统，其中除了--个电动机驱动器外，所有的电动机驱动器的第二通信模块均连接到一个邻近的电动机驱动器的第一通信模块，以形成该初级环。
3. 如权利要求1所述的驱动器控制系统，其中存在四个选路开关一个第一选路开关，该第-一选路开关联接该第-一通信模块的发送器与该第一通信模块的接收器r一个第二选路开关，该第二选路开关联接该第一通信模块的接收器与该第二通信模块的发送器；一个第三选路开关，该第三选路开关使该第-^通信模块的发送器与接收器分路；以及-^个第四选路开关，该第四选路开关使该第二通信模块的发送器与接收器分路；其中，可以关闭该第- -选路开关和第二选路开关或者可替代地可以关闭该第三选路开关和第四选路开关，以改变该初级环和次级环的一种拓扑结构。
专利摘要本发明提供一种电动机驱动器系统，该系统实质上比现有技术中的电动机驱动器系统更坚固耐用。总体上讲，该电动机驱动器系统提供了带有多个驱动器的一种冗余通信拓扑结构，从而大大减少了驱动器至驱动器通信链路中的一个差错引起的故障可能性。确切地讲，该电动机驱动器系统包括由通信媒介联接的多个电动机驱动器。每个电动机驱动器具有被配置为控制电动机速度的一个电动机控制电路以及具有两个通信模块的一个媒介接入控制单元。每个通信模块包括联接到该通信媒介上的一个发送器以及一个接收器。该媒介接入控制单元中的一组选路开关联接这些通信模块，从而将这些电动机驱动器连接到一个独立初级环以及一个次级环中，这些环传送用于控制电动机驱动器的数据。
文档编号H02P29/00GK201436782SQ20092000318
公开日2010年4月7日 申请日期2009年1月14日 优先权日2008年1月14日
发明者S·J·沃勒尔 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司