变换器并联控制系统和方法与流程

本发明涉及电子控制技术领域，尤其是涉及一种变换器并联控制系统和方法。

背景技术：

随着技术的发展，交流电机的容量越来越大，仅仅依靠单个逆变器已不能满足各种型号电机的需求，而且由于受功率开关管的功率等级限制，单个变换器的容量是有限的，所以不能满足大功率电机的需求。采用变换器并联技术不仅可以提高系统的容量，而且可以大大提高系统的可靠性，在大容量高可靠性的场合有着巨大的优势。

变换器通常包括变频器、逆变器等功率器件，以逆变器为例，目前逆变器并联技术已广泛应用于造纸加工机械、石油钻机、船舶以及轧钢设备中。

现有的并联控制系统的基本结构如图1所示，包括多个控制器、多个逆变器(图1中以三个控制器和三个逆变器为例)和一个电机，多个逆变器并联后连接电机，每一逆变器连接一控制器。多个控制器采用主从控制方式，如图1所示，将多个控制器相连，并设定其中一个为主控制器(控制器1)，其它均为从控制器(控制器2和控制器3)。这种结构要求所有的从控制器都具备基本矢量控制功能，主控制器也具备从控制器的基本矢量控制功能，且，所有控制器还必须保证足够的裕量用于并联协调控制，对控制器容量空间要求很高。系统工作时，主控制器需要通过环状网络协调组合传动系统中所有其它逆变器的同步工作，对同步的精准度要求很高，否则并联的逆变器之间会出现很大的环路电流。

因此，现有的逆变器并联控制系统的控制方式较为复杂，控制器之间的通讯延时比较大，同步精度比较差，对单个控制器的容量空间要求较高，提高了系统成本。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种变换器并联控制系统和方法，旨在简化控制方式，提高系统实时性，降低系统成本。

为达以上目的，一方面提出一种变换器并联控制系统，包括至少两个并联的变换器、至少两个从控制器和一个主控制器，每一所述变换器连接一所述从控制器，各从控制器连接所述主控制器，其中：

所述从控制器，用于将对应的变换器的电流采样后发送给所述主控制器；

所述主控制器，用于接收各从控制器发送的电流，将接收到的所有变换器的电流相加后转换为空间矢量信号，将所述空间矢量信号发送给各从控制器；并且，对各从控制器的高频载波进行同步处理；

所述从控制器还用于：接收所述空间矢量信号，并根据所述空间矢量信号和自身的高频载波生成驱动脉冲信号，通过所述驱动脉冲信号控制对应的变换器。

进一步地，所述主控制器包括同步模块，所述同步模块用于：在每个载波周期起始点发送同步信号给各从控制器，以使所述各从控制器接收所述同步信号并根据所述同步信号调整自身的高频载波周期。

进一步地，所述主控制器包括：

电流环转换模块，用于将接收到的所有变换器的电流相加后进行电流环控制，并输出电流环控制后的信号；

矢量变换模块，用于将所述电流环转换模块输出的信号转换为正交矢量信号，并输出所述正交矢量信号；

空间矢量生成模块，用于将所述矢量变换模块输出的正交矢量信号转换为空间矢量信号，并将所述空间矢量信号输出至各从控制器。

进一步地，所述主控制器包括：

速度环控制模块，用于实现速度检测和调节功能；或，

位置环控制模块，用于实现位置检测和调节功能。

进一步地，所述主控制器或/和从控制器为数字信号处理器DSP、ARM处理器、微控制单元MCU或现场可编程门阵列FPGA，所述变换器为变频器或逆变器。

另一方面，提出一种变换器并联控制方法，所述变换器为并联的至少两个，每一变换器连接一从控制器，各从控制器连接一主控制器，所述方法包括以下步骤：

所述从控制器将对应的变换器的电流采样后发送给所述主控制器；

所述主控制器接收各从控制器发送的电流，将接收到的所有变换器的电流相加后转换为空间矢量信号，将所述空间矢量信号发送给各从控制器；并且，对各从控制器的高频载波进行同步处理；

所述从控制器接收所述空间矢量信号，并根据所述空间矢量信号和自身的高频载波生成驱动脉冲信号，通过所述驱动脉冲信号控制对应的变换器。

进一步地，所述对各从控制器的高频载波进行同步处理包括：

主控制器在每个载波周期起始点发送同步信号给各从控制器；

所述从控制器接收所述同步信号，根据所述同步信号调整自身的高频载波周期。

进一步地，所述将接收到的所有变换器的电流相加后转换为空间矢量信号包括：

所述主控制器将接收到的所有变换器的电流相加后用于电流环控制，将电流环控制后输出的信号转换为正交矢量信号，将所述正交矢量信号转换为所述空间矢量信号。

进一步地，所述方法还包括：所述主控制器检测速度，根据检测结果对所述速度进行调节；或，所述主控制器检测位置，根据检测结果对所述位置进行调节。

本发明实施例所提供的一种变换器并联控制系统，通过采用将各从控制器与并联的各变换器连接，各从控制器并联后与主控制器连接的结构，将变换器的基本矢量控制功能分别分配给主控制器和从控制器，使得从控制器只需具备电流采样、驱动脉冲生成等功能，弱化了从控制器的功能，提高了变换器并联应用的灵活性。在这种结构下，所有并联的从控制器的空间矢量信号均是由主控制器发出的相同信号，而高频载波又通过主控制器的同步处理实现了同步，因此可以实现并联的变换器之间的精确同步，减少了并联换流，提高了并联控制效果，降低了单个控制器容量空间的要求，节省了系统成本。采用本发明实施例的变换器并联控制系统进行并联控制，具有控制方式简单、实时性好、性价比高等优点。

附图说明

图1是现有技术中逆变器并联控制系统的基本结构示意图；

图2是本发明的变换器并联控制系统一实施例的基本结构示意图；

图3是图2中的主控制器的模块示意图；

图4是图2中的从控制器的模块示意图；

图5是本发明实施例中逆变器并联控制系统的基本结构示意图；

图6是本发明实施例中逆变器的基本矢量控制环节示意图；

图7是本发明的变换器并联控制方法一实施例的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图2，提出本发明的变换器并联控制系统一实施例，所述系统包括至少两个并联的变换器、至少两个从控制器和一个主控制器，从控制器分布于变换器中，即每一变换器通过电缆、光纤等连接一从控制器，各从控制器并联后连接主控制器，主控制器与各从控制器之间进行数据交互。主控制器或/和从控制器可以为数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、ARM处理器、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)等。其中：

主控制器：用于接收各从控制器发送的变换器的电流，将接收到的所有变换器的电流相加后转换为空间矢量信号，将空间矢量信号发送给各从控制器；并且，对各从控制器的高频载波进行同步处理。

从控制器：用于将对应的变换器的电流采样后发送给主控制器；接收主控制器发送的空间矢量信号，并根据空间矢量信号和自身的高频载波生成驱动脉冲信号，将驱动脉冲信号发送给对应的变换器以驱动该变换器，从而通过驱动脉冲信号控制对应的变换器。

本发明实施例中，主控制器不与变换器相连接，只与各从控制器连接，与各从控制器之间进行数据交互，主控制器具有电流环、矢量变换、空间矢量生成、载波同步等功能。

如图3所示，主控制器包括电流环转换模块、矢量变换模块、空间矢量生成模块和同步模块，其中：

电流环转换模块：用于实现电流环调节器功能，以及电流的旋转变换功能。具体的，本实施例中，电流环转换模块将接收到的所有变换器的电流相加后进行电流环控制，并输出电流环控制后的信号至矢量变换模块。

矢量变换模块：用于将电流环转换模块输出的信号转换为正交矢量信号，并输出正交矢量信号至空间矢量生成模块。

空间矢量生成模块：用于将矢量变换模块输出的正交矢量信号转换为空间矢量信号，并将空间矢量信号输出至各从控制器。

同步模块：用于对各从控制器的高频载波进行同步处理，以保证所有逆变器之间的高频载波保持同步状态。

可选地，同步模块在每个载波周期起始点发送同步信号给各从控制器，以使各从控制器接收同步信号并根据同步信号调整自身的高频载波周期，从而实现各从控制器的高频载波同步。

此外，同步模块也可以采用现有技术中的其它同步方式进行同步处理，在此不再赘述。

进一步地，在某些实施例中，主控制器还包括速度环控制模块，通过速度环控制模块实现速度环功能，该速度环控制模块用于：实现速度调节，以及速度的检测或估算、磁链的估算、系统的逻辑控制等功能。通常的，速度换控制模块主要是实现速度调节器功能，本发明实施例的速度环控制模块的功能更为广泛，具备速度调节+检测环节的功能，通常是先检测，然后根据检测结果再调节。

对于位置控制等应用场合，速度环控制模块可能会更换为位置环控制模块，以实现位置检测和调节功能，或者替换为更为复杂的位置和速度环控制模块。

本发明实施例中，各从控制器与对应的变换器连接，处于并联状态，同时与主控制器进行数据交互。从控制器不需要具备电流环、矢量变换、空间矢量生成等功能，只需要具备电流采样、驱动脉冲生成、载波调节等功能。

进一步地，在某些实施例中，从控制器还可以包括速度的检测或者估算、磁链的估算、系统的逻辑控制等功能。

如图4所示，从控制器包括驱动脉冲生成模块、电流采样模块和载波调节模块，其中：

电流采样模块：用于对变换器的电流进行采样，将采集的电流发送给主控制器。

驱动脉冲生成模块：用于接收主控制器发送的空间矢量信号，并对空间矢量信号与自身的高频载波进行比较后生成可以驱动功率器件的驱动脉冲信号，并输出驱动脉冲信号至变换器，实现对变换器的控制。

载波调节模块：用于接收主控制器发送的同步信号，根据同步信号调整自身的高频载波周期，以实现与其它从控制器的高频载波同步，从而保证所有逆变器之间的高频载波保持同步状态。

各变换器并联后可以连接各种负载(如电机)，各变换器对驱动脉冲信号进行相应处理后输出至负载，实现对负载的控制。

本发明实施例的变换器并联控制系统，通过采用将各从控制器与并联的各变换器连接，各从控制器并联后与主控制器连接的结构，将变换器的基本矢量控制功能分别分配给主控制器和从控制器，使得从控制器只需具备电流采样、驱动脉冲生成等功能，弱化了从控制器的功能，提高了变换器并联应用的灵活性。在这种结构下，所有并联的从控制器的空间矢量信号均是由主控制器发出的相同信号，而高频载波又通过主控制器的同步处理实现了同步，因此可以实现并联的变换器之间的精确同步，减少了并联换流，提高了并联控制效果，降低了单个控制器容量空间的要求，节省了系统成本。采用本发明实施例的变换器并联控制系统进行并联控制，具有控制方式简单、实时性好、性价比高等优点。

本发明实施例的变换器，可以是变频器或逆变器，也可以是其它的功率器件。以下以变换器为逆变器为例，对逆变器并联控制系统进行详细说明。

如图5所示，逆变器并联控制系统包括三个并联的逆变器、三个从控制器、一个主控制器和一个电机，从控制器分布于逆变器中，即每一逆变器通过电缆、光纤等连接一从控制器，三个从控制器并联后连接主控制器，主控制器与各从控制器之间进行数据交互，三个逆变器并联后连接电机。本实施例的逆变器和从控制器为三个，实际上可以根据需要进行增减，如两个、四个、八个等。

如图6所示，主控制器具有速度环、电流环、矢量变换、空间矢量生成等功能，此外还具有载波同步功能，对于位置控制等应用场合，速度环可能会更换为位置环，或者更为复杂的位置和速度环。从控制器具有电流采样、驱动脉冲生成等功能，此外还具有载波调节功能。

从控制器将对应的逆变器的桥臂电流采样后发送给主控制器。

主控制器将接收到的所有变换器的电流相加后用于电流环控制，通过矢量变换环节将电流环输出的信号转换为正交矢量信，通过空间矢量生成环节将矢量变换环节输出的正交矢量信号转换为需要的空间矢量信号，并将空间矢量信号输出给各从控制器。

从控制器将接收到的空间矢量信号与自身的高频载波进行比较后生成需要的可以驱动功率器件的驱动脉冲信号，实现对逆变器的控制。

同时，并联的从控制器之间的高频载波必须同步，主控制器在每个载波周期起始点发送同步信号给各个从控制器，各从控制器根据接收到的同步信号调整自身的高频载波周期，从而保证所有逆变器之间的高频载波保持同步状态。

本实施例中，所有并联的从控制器的空间矢量信号均是由主控制器发出的相同信号，高频载波又通过主控制器与各从控制器之间的同步信号实现了同步，因此可以实现很好的并联控制效果，具有具有控制方式简单、实时性好、性价比高等优点。

参见图7，提出本发明的变换器并联控制方法一实施例，本发明实施例中，变换器为并联的至少两个，每一变换器连接一从控制器，各从控制器连接一主控制器，所述方法包括以下步骤：

S11、从控制器将对应的变换器的电流采样后发送给主控制器。

本发明实施例中，主控制器或/和从控制器可以为DSP、ARM、MCU、FPGA等。

S12、主控制器接收各从控制器发送的电流，将接收到的所有变换器的电流相加后转换为空间矢量信号，将空间矢量信号发送给各从控制器，并对各从控制器的高频载波进行同步处理。

具体的，主控制器将接收到的所有变换器的电流相加后用于电流环控制，将电流环控制后输出的信号转换为正交矢量信号，将正交矢量信号转换为空间矢量信号。

主控制器可以通过以下方式对各从控制器的高频载波进行同步处理：

主控制器在每个载波周期起始点发送同步信号给各从控制器；

从控制器接收同步信号，根据同步信号调整自身的高频载波周期，以实现与其它从控制器的高频载波同步，从而保证所有逆变器之间的高频载波保持同步状态。

此外，主控制器也可以采用现有技术中的其它同步方式进行同步处理，在此不再赘述。

S13、从控制器接收空间矢量信号，并根据空间矢量信号和自身的高频载波生成驱动脉冲信号，通过驱动脉冲信号控制对应的变换器。

进一步地，主控制器还检测速度，根据检测结果对速度进行调节；或者，对于位置控制等应用场合，主控制器还检测位置，根据检测结果对位置进行调节。

本发明实施例中，变换器可以是变频器或逆变器，也可以是其它的功率器件。

本发明实施例的变换器并联控制方法，通过将各从控制器与并联的各变换器连接，各从控制器并联后与主控制器连接，将变换器的基本矢量控制功能分别分配给主控制器和从控制器，使得从控制器只需具备电流采样、驱动脉冲生成等功能，弱化了从控制器的功能，提高了变换器并联应用的灵活性。采用本发明的控制方法，所有并联的从控制器的空间矢量信号均是由主控制器发出的相同信号，而高频载波又通过主控制器的同步处理实现了同步，因此可以实现并联的变换器之间的精确同步，减少了并联换流，提高了并联控制效果，降低了单个控制器容量空间的要求，节省了系统成本。采用本发明实施例的变换器并联控制方法进行并联控制，具有控制方式简单、实时性好、性价比高等优点。

需要说明的是：上述实施例提供的变换器并联方法与变换器并联控制系统实施例属于同一构思，系统实施例中的技术特征在方法实施例中均对应适用，这里不再赘述。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。