专利名称：一种单元串联型高压变频器单元控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压变频器的单元控制器，主要适用于功率单元串联 型高压变频器。
背景技术：
功率单元串联型高压变频器已经得到了广泛的应用，其基本结构组成 和控制算法已经十分成熟。串联型高压变频器从功能上可以分为三层能量变换和传输层， 由输入移相变压器和功率单元构成；控制层，主要完成功率单元驱动波形生成及传送、电机 控制算法、变频器整机保护及诸如掉电重投、飞车启动、功率单元故障旁路等功能的算法； 用户接口层，完成变频器的起停等操作、开环和闭环的工作模式切换、对系统的运行情况进 行常规记录、报告故障并报警提示、参数的设置和备份、与后台接口等等。
控制层是变频器系统的核心，要实现其基本功能，需要使用以下多种技术多重化 PWM技术、光纤通信技术、模拟量测量技术、电机控制技术。这些技术虽已经成熟，但是在具 体的实现上，特别是在高压变频器使用时的多尘、震动、强电磁环境中稳定可靠的实现，还 是有很大的挑战的。比如，功率单元PWM的产生。串联型高压变频器的结构解决了功率器件的耐压问 题，但同时也导致了功率单元数量多。一般常见串联级数为5级/6KV、6级/6KV、8级/10KV、 9级/10KVU0级/IOKV等。如果采用10级单元串联，则最多有30个功率单元，这对串联多 电平结构的高压大功率变频器控制系统来说是相当复杂的，不仅对微控制器的运算能力是 一种考验，而且30个功率单元PWM波形产生也是一个巨大的挑战。对于30个功率单元PWM 产生的问题，现有的变频器产品，有的采用专用定时芯片或可编程逻辑器件，对每个单元的 PWM波形进行定时产生，由于数量众多，必须采用多片定时芯片，这将给板件设计带来很大 的困难，同时也会增加故障点，影响产品可靠性。有的通过微处理器产生基本PWM波形，再 通过可编程逻辑器件延时分解，这种设计由于使用软件生产PWM波形，稳定性和抗干扰能 力差。还有完全由软件生成全部所需PWM波形，这种设计其实时性、准确性和稳定性相比由 硬逻辑生成的相差很多，并且这种方式还需要额外的处理器完成变频器的其他控制算法。如果再考虑处理与30个功率单元的通讯、运行各种复杂算法、输入/输出电压和 电流的检测等必须具备的功能，可见串联多电平高压变频器控制系统相当复杂。总的来说，单元串联型高压变频器的控制系统，在具体的实现上，特别是在电磁环 境、工作环境均比较恶劣的情况下稳定可靠的实现，还是具有很大的挑战性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种单元串联型高压变频器单 元控制器，提高变频器控制系统的技术水平和运行可靠性，提高产品生产效率。以克服现有 产品的缺陷。本发明的技术方案如下一种单元串联型高压变频器单元控制器，包括封闭的机箱、A相光纤通信驱动板、B 相光纤通信驱动板、C相光纤通信驱动板、主控板、输入/输出采样板、电源板，其特征在于 A相光纤通信驱动板、B相光纤通信驱动板、C相光纤通信驱动板、主控板、输入/输出采样 板、电源板均插接在位于机箱背部的总线板上，总线板将上述板件互连，所述的主控板的核 心采用单片微处理器DSP和单片FPGA电路，微处理器DSP和FPGA电路通过三总线连接。
所述的主控板还包括电源管理模块、电平转换器、两路信号调理电路及ADC、两路 RS232通讯接口及一片RAM ；两路信号调理电路及ADC与微处理器DSP通过信号连接；RAM 通过三总线与微处理器DSP和FPGA电路连接；电平转换器通过信号线或数据收/发线与 FPGA电路连接；两路RS232通讯接口与微处理器DSP电路连接，一路用于与上位机通讯，另 一路作为维护串口。
机箱内还插接有功率单元旁路接触器驱动板，功率单元旁路接触器驱动板包括光 隔离驱动器和输出继电器，光隔离驱动器由主控板的电平转换器驱动，输出继电器用于驱 动功率单元对应的盘路接触器。本发明的积极效果在于(1)、主控板核心采用单片微处理器DSP+单片FPGA架构。通过优化多重化PWM生 成方法、设计简洁实用的通讯规约，用一片FPGA实现了全部30个功率单元PWM波形生成、 30个功率单元通讯规约例程，并且利用该FPGA剩余的资源实现了支持变频器系统恒频运 行所需的全部功能。相比用纯软件方法实现在实时性、准确性、稳定性有很大提高，彻底避 免了因为EMC干扰造成系统“死机”的问题；相比用分立器件实现，降低了设计风险和难度， 减少了元器件数量和故障点，提高了产品的可靠性。(2)、采用机箱插件式的设计，单元控制器的全部硬件放置封闭的金属机箱内，控 制电路与外围驱动完全隔离以及对所有进入单元控制器的信号线，针对信号特点设计相应 的干扰抑制电路，使得单元控制器EMC性能优越，通过电力系统EMC IV级测试，为变频器整 机的稳定性、可靠性奠定了坚实的基础。(3)、单元控制器实现了单元串联型高压变频器控制层的全部功能，最多可以支持 10级单元串联。针对不同型号的高压变频器产品，只需改变FPGA中的设置即可。使系统具 有良好的适应性、扩充性。单元控制器的接口按照功能划分的十分清晰，使得变频器控制布 线合理从而降低干扰，同时大大提高了生产过程中配线的效率，也便于维护人员的操作。
图1是发明外观正面视图。图2是本发明的系统框架图。图3-1是DSP板信号处理电路原理图(一)。图3-2是DSP板信号处理电路原理图(二)。图3-3是DSP板信号处理电路原理图(三)。图3-4是DSP板信号处理电路原理图(四)。图4是DSP板串口电路原理图。图5是DSP板下载、复位电路原理图。图6是DSP板电源电路原理图。图7-1是FPGA电路原理图(一)。图7-2是FPGA电路原理图(二)。图8-1是DSP板CPU电路原理图(一)。图8-2是DSP板CPU电路原理图(二)。图8-3是DSP板CPU电路原理图(三)。图9-1是光纤通信驱动板电路原理图(一)。图9-2是光纤通信驱动板电路原理图(二)。
图10-1是输/入输出采样板电路原理图(一)。图10-2是输/入输出采样板电路原理图(二)。图11-1是功率单元旁路接触器驱动板电路原理图(一)。图11-2是功率单元旁路接触器驱动板电路原理图(二)。图12-1是总线板电路原理图(一)。图12-2是总线板电路原理图(二)。具体实现方式下面结合附图对本发明作进一步描述。如图1、2所示，系统按照板件不同的功能进行划分，每个虚线框中的电路在一个统一尺寸的印制板插件上实现，这样整个系统就划分为A相光纤通信驱动板4、B相光纤通 信驱动板3、C相光纤通信驱动板2、功率单元旁路接触器驱动板7、输入/输出采样板6、电 源板8、主控板5。上述这些板件都插接在位于机箱1背部的总线板上，总线板将这些板件 互连起来。机箱14U高19英寸宽。所述的主控板5包括电源管理模块、电平转换器、两路信号调理电路及ADC、两路 经过隔离的标准的RS232通讯接口、一片微处理器DSP、一片FPGA、及一片RAM。其中微处理 器DSP和FPGA的组合是主控板的核心。微处理器DSP和FPGA之间通过三总线(地址、控 制、数据)相连。两路信号调理电路及ADC与微处理器DSP通过信号连接；RAM通过三总线 与微处理器DSP和FPGA电路连接；电平转换器通过信号线或数据收/发线与FPGA电路连 接；两路RS232通讯接口与微处理器DSP电路连接，一路用于与上位机通讯，另一路作为维 护串口。 FPGA电路可理解为是微处理器DSP的智能外设，可以被微处理器DSP访问和控制。 根据微处理器DSP给出的控制命令，FPGA电路生成各个单元的操作码和PWM波形数据并通 过片内的通讯单元控制器发送给功率单元；微处理器DSP通过访问FPGA中存储的各个功率 单元和FPGA自身的状态字，来获取这些设备的状态信息。FPGA电路实现了全部30个功率单元PWM波形生成、30个功率单元通讯规约例程， 并且利用该FPGA剩余的资源实现了支持变频器系统恒频运行所需的全部功能。即使微处 理器DSP死机，该单元控制器仍可以通过FPGA中运行的逻辑维持变频器在当前的频率下恒 频运行，满足工业产品A级标准。FPGA电路中还实现了功率单元旁路算法。如果有单元重故障请求旁路，旁路算法 会选择需要旁路的单元，并调整正常单元的PWM波形，以维持输出电压。整个过程都是有 FPGA内部硬件电路自动产生，不需要微处理器DSP的参与，这样保证了故障响应的实时性， 能有效保护功率单元，同时避免了由于干扰造成的“死机”或“软件跑飞”等现象的发生。FPGA电路中实例化的通信单元控制器与需要的功率单元数量对应，每个通讯块使 用一对数据收/发线通过光纤收发驱动器与各功率单元通信。如图2中所示，从FPGA中生 成的的信号经过电平转换器连接到光纤收发驱动器。在一个通讯周期内，通信单元控制器 发送功率单元的操作码和PWM波形数据给功率单元，并接收功率单元上传的状态信息。DSP主要负责输入/输出电流和电压的检查算法、变频器的各种保护及电机控制 算法、与上位机的交互等。DSP主要完成如下工作(1)、变频器保护输入过/欠压、输出过流、高压失电，功率单元状态保护(2)、控制功能高压掉电重合、工频投切、频工投切、飞车启动等；
(3)、电机运行控制算法，如V/F控制，矢量控制；(4)、其它输入、输出电流/电压采样算法以及与上位机接口等。所述光纤收发驱动器最多可包括10对光纤收发接口及驱动电路，通过光纤与该 相功率单元连接。 所述电源板包括一个隔离开关电源，将输入24V电源隔离变换为24V和5V，供控制 电路使用。所述的输入/输出采样板6包括变频器输入电压电流采样电路和变频器输出电压 电流采样电路。如图2中所示，变频器输入电压电流采样电路的输入(输入Ua、输入Ub、输 入Uc、输入la、输入Ic)是高压侧一次PT、CT的输出。这些输入信号经过输入/输出采样 板6的PT、CT变换为控制系统可以处理的弱电信号，再通过信号调理电路送入ADC，转换为 数字信号送给微处理器DSP。由于变频器输出电压、电流的频率是变化的，为了准确测量，输 出电压电流采样电路选用电压、电流霍尔互感器。输出Ua、输出Ub、输出Uc、输出la、输出 Ic是霍尔互感器的输出信号，通过输入滤波器后，再经信号调理电路送入ADC，转换为数字 信号送给微处理器DSP。由24V电源隔离变换出来的+12V、-12V电源输出给电压和电流霍 尔互感器供电。所述功率单元旁路接触器驱动板7包括光隔离驱动器和输出继电器，用于驱动功 率单元对应的旁路接触器。本实例所述变频器采用机械式单元旁路技术。如图2中所示， 从FPGA电路中生成的A1-A10，B1-B10 , Cl-ClO单元旁路信号，最终控制对象是每个功率单 元对应的旁路接触器。单元旁路信号要经过两级放大后方可驱动接触器，首先经过电平转 换器驱动光隔离驱动器(同时实现电气隔离)，然后通过光隔驱动器驱动输出继电器，输出 继电器驱动旁路接触器。本发明已经成功应用于DF5000系列高压变频器中。
权利要求
一种单元串联型高压变频器单元控制器，包括封闭的机箱(1)、A相光纤通信驱动板(4)、B相光纤通信驱动板(3)、C相光纤通信驱动板(2)、主控板(5)、输入/输出采样板(6)、电源板(8)，其特征在于A相光纤通信驱动板(4)、B相光纤通信驱动板(3)、C相光纤通信驱动板(2)、主控板(5)、输入/输出采样板(6)、电源板(8)均插接在位于机箱(1)背部的总线板上，总线板将上述板件互连，所述的主控板(5)的核心采用单片微处理器DSP和单片FPGA电路，微处理器DSP和FPGA电路通过三总线连接。
2.如权利要求1所述的单元串联型高压变频器单元控制器，其特征在于所述的主控 板(5)还包括电源管理模块、电平转换器、两路信号调理电路及ADC、两路RS232通讯接口及 一片RAM ；两路信号调理电路及ADC与微处理器DSP通过信号连接；RAM通过三总线与微处 理器DSP和FPGA电路连接；电平转换器通过信号线或数据收/发线与FPGA电路连接；两路 RS232通讯接口与微处理器DSP电路连接，一路用于与上位机通讯，另一路作为维护串口。
3.如权利要求1或2所述的单元串联型高压变频器单元控制器，其特征在于机箱(1) 内还插接有功率单元旁路接触器驱动板(7)，功率单元旁路接触器驱动板(7)包括光隔离 驱动器和输出继电器，光隔离驱动器由主控板的电平转换器驱动，输出继电器用于驱动功 率单元对应的盘路接触器。
全文摘要
本发明涉及一种单元串联型高压变频器单元控制器，包括封闭的机箱(1)、A相光纤通信驱动板(4)、B相光纤通信驱动板(3)、C相光纤通信驱动板(2)、主控板(5)、输入/输出采样板(6)、电源板(8)，A相光纤通信驱动板(4)、B相光纤通信驱动板(3)、C相光纤通信驱动板(2)、主控板(5)、输入/输出采样板(6)、电源板(8)均插接在位于机箱(1)背部的总线板上，总线板将上述板件互连，所述的主控板(5)的核心采用单片微处理器DSP和单片FPGA电路，微处理器DSP和FPGA电路通过三总线连接。控制系统的准确性、运行可靠性提高，EMC性能优越，具有良好的适应性和可扩充性。
文档编号H02M5/00GK101860222SQ20101014224
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月3日 优先权日2010年4月3日
发明者于国先, 于广, 安朝奉, 宋卫东, 岳增辉, 施明贤, 朱卫东, 李艳萍, 杜刚强, 毕明新, 田洪平, 赵建伟 申请人:东方电子股份有限公司