专利名称：一种高压变频器的智能综合开发测试系统及其建立方法
技术领域：
本发明涉及电气控制与测试技术领域，具体涉及一种基于虚拟仪器技术和DSP数字控制技术的适用于高压变频器的智能综合开发测试系统及其建立方法。
背景技术：
作为一种重要的节能减排产品，高压变频器日益受到业界和用户的关注。对于市场的最终决定者——用户而言，除了关心高压变频器的节能效率和成本之外，更为关注的是产品本身的质量和可靠性。如果变频器因为质量不可靠导致停机，造成的损失将可能抵 消部分甚至超过节能带来的效益。目前高压变频器的主电路拓扑结构相对成熟，核心器件如IGBT、电容等关键器件也主要依靠进口，因此高压变频器的制造质量更多的是受到控制技术及相应软件编程的影响。高压变频器产品开发通常是分为硬件和软件两个体系来进行的，且由于所涉及工作量巨大，两个体系也必须是分别由许多不同的工程师来协力完成，因此产品开发的质量保证除了依靠一套完善的研发制度体系外，更依靠于各个工程师对这套研发制度体系的理解和严格遵守。即便如此，往往由于缺乏对所开发产品的系统整体的了解，研发人员通常需要经由不断反复的控制参数选取、程序设计、程序修改、编译、联接、烧录、测试、参数调整等过程，这些过程不仅繁琐，效率低下，有时还由于牵涉面广往往在故障诊断时难以找出问题所在，同时还由于开发人员个体认知所限容易造成各种潜在的不可靠事故，降低产品的质量和可靠性，增加售后维护的工作量。
发明内容
本发明为了解决现有技术问题，在于提供一种依托现代数字化智能控制技术、虚拟仪器技术和综合仿真技术等高科技技术；兼具了良好的集成性、扩充性和模块化的；可以适应多种硬件体系、减少产品开发周期、可直接修改控制参数、查询任一变量历史记录、支持预览和打印功能的高压变频器的智能综合开发测试系统及其建立方法。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，为实现上述技术本发明首先提供一种高压变频器的智能综合开发测试系统，该系统包括高压变频器、电机、联轴器、模拟负载和PC机，所述电机通过所述联轴器与所述模拟负载相连，其特征在于所述高压变频器由功率变换单元和DSP控制器组成，所述功率变换单元与所述电机相连，经由适当脉宽调制策略，可以向所述电机提供高效低谐波的电源，驱动所述电机运转；所述DSP控制器与所述PC机相连，并由所述PC机提供控制信号参数，所述模拟负载由负荷电机和负荷电机控制器所组成，所述负荷电机控制器与所述PC机相连，并由所述PC机提供控制参数，以实现控制所述负荷电机模拟各种负载运行。所述高压变频器和所述电机还均与一电参数测量仪相连，所述电参数测量仪通过数据线与所述PC机相连，并将所测系统空载时的电压、电流、损耗、功率因数、直流母线电压，和系统负载时的电压、电流、损耗、功率因数、直流母线电压等电参数传输给所述PC机，以供所述PC机作数据分析、显示、制图、绘表、打印等用。所述电机和所述模拟负载中的所述负荷电机还均与一转速转矩测试仪相连，所述转速转矩测试仪还通过数据线与所述PC机相连，并将测得所述电机和所述负荷电机的转速、转加速、转矩等机械参数传递到所述PC机中，以用作数据分析、显示、制图、绘表、打印等用。在所述PC机上还接有一打印输出装置，可按需要打印各种电参数、机械参数、以及各种生成的相关曲线、图表、测试报告等。在所述PC机内至少安装有一种以上模拟仿真软件、开发软件、数据处 理软件以及通信软件，其主要功能有对所述高压变频器功率硬件电路仿真、所述高压变频器控制系统参数仿真、系统模拟仿真、电参数信号处理、转速转矩参数信号处理、变频器控制、模拟机械负载控制、变频器控制软件调试写入、打印驱动等。通过在所述PC机上设定软件通信协定，开发者可采用C语言或者汇编语言编写控制程序，经过编译后的控制程序可由所述PC机直接载入所述DSP控制器中，进行实时数字控制。在所述PC机中安装有MATLAB或SMULINK仿真软件，设计控制系统时，通过所述PC机中的MATLAB或SMULINK可以实现所述高压变频器驱动所述电机运行仿真，以及所述DSP控制器参数调试选择和信号分析动作。在所述PC机中还安装有dSPACE软件，dSPACE软件同时也提供了与MATLAB或SMULINK仿真软件之间相互通信的界面，使用者可以在MATLAB或SMULINK的环境下开发控制法则并进行系统模拟，之后再将开发的控制程序载入目标处理器进行硬件回路模拟，因此藉由所述PC机所提供的人机界面环境和界面控制卡，开发者能完成硬件回路模拟系统的设计，并在此基础上进行系统可行性评估。在所述PC机中还装有虚拟仪器软件，虚拟仪器软件可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出各种功能更强的仪器，并且用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器，因此也可以通过虚拟仪器软件定制的各种观测工具(如示波器等)实时在线观测各种变量或调整参数。本发明的进一步技术特征还在于提供一种高压变频器智能综合开发与测试系统的建立方法该方法包括以下步骤步骤a、在所述PC机中安装MATLAB或SMULINK仿真软件，建立所述高压变频器调速系统的数学模型。步骤b、决定所述DSP控制器的控制架构与设计方法，根据步骤a中所建立的数学模型仿真得出所述DSP控制器的初始参数，由于仿真模型同实际应用环境还是存在许多不完全一致的地方，因此，这些所述DSP控制器的初始参数仍需最后通过实验来验证，在传统设计开发过程中，这是一个非常繁复的过程，需要花费大量的人力物力，而在本发明中则可以通过由虚拟仪器和MATLAB或SMULINK仿真软件构成的互动开发测试环境直接在线实时调试。步骤C、调整参数，实现所述DSP控制器集成，所述DSP控制器的设计包含了硬件设计和软件设计两个部分，其中，硬件设计在兼顾计算性能、价格、接口等因素的前提下决定适当的CPU ;软件设计则主要考虑数字化、汇编语言程序设计、中断、信号处理等问题。
步骤d、在所述PC机中安装虚拟仪器软件，结合步骤a中所述PC机中的MATLAB或SMULINK仿真软件环境，进行半实物仿真模拟测试。步骤e、对半实物仿真模拟测试得到的控制参数实时在线调整与确认，并通过虚拟仪器界面构成的虚拟数字示波器观测到控制参数调整后的系统响应。步骤f、通过半实物仿真模拟测试，试验所述DSP控制器中硬件设计和软件设计性倉泛。步骤g、系统的集成测试通过对同一 所述功率变换单元输入不同的控制程序，甚至包括各种自适应控制和智能控制程序，以得到不同控制结果和可能的应用效果进行对比分析，或者通过对于由不同开发人员编写的控制程序片段或者改进的某一段程序可以通过所述PC机直接覆盖写入到所述DSP控制器中进行程序侦错和效果验证，来实现对整个系统的集成测试。步骤h、各项参数的调整与确定。本发明的有益效果是通过在PC机内安装模拟仿真、虚拟仪器、数据处理及通信等多种软件，在半实物环境下利用模拟仿真技术对系统负载的各项参数进行测试，不仅大大减少了产品开发周期，而且还提高了系统的安全性和可靠性。
图I为本发明中一种高压变频器的智能综合开发测试系统的整体结构示意图图2为本发明中一种高压变频器智能综合开发测试系统的建立方法的流程示意图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。如图I所示，本发明首先提供一种高压变频器的智能综合开发测试系统，该系统包括高压变频器I、电机2、联轴器3、模拟负载4和PC机5，其中，高压变频器I由功率变换单元11和DSP控制器12所组成，功率变换单元11与电机2相连，经由适当脉宽调制策略，功率变换单元11可以向电机2提供高效低谐波的电源，驱动电机2的运转，电机2通过联轴器3与模拟负载4相连；DSP控制器12与PC机5相连，并由PC机5提供控制信号参数。DSP控制器12采用TMS320f2407系列控制芯片，具有强大的计算能力、完整的控制界面、低廉的价格，采用高级语言作为开发工具，可将各种控制功能以软件方式编程实现，不仅具有灵活性，还能大幅缩短产品开发的时间，将智能控制、自适应控制、估值理论、信号处理技术等应用于实际系统。因此不仅可以把软件系统和硬件系统完美整合，还可以通过对软件或者控制参数的调整，实现智能控制。DSP内含特殊设计的JTAG通信界面，经由此介面可使用TI所设计的仿真器(emulator)进行程序侦错，在产品开发的初期阶段，对软件的侦错具有相当大的帮助。模拟负载4由负荷电机41和负荷电机控制器42所组成，负荷电机控制器42与PC机5相连，并由PC机5提供控制参数，以实现控制负荷电机41模拟各种负载运行。模拟负载4不仅可以模拟负载常态运行状况，还可以模拟负载加减速运行状况。
高压变频器I和电机2还均与一电参数测量仪6相连，电参数测量仪6通过数据线与PC机5相连，并将所测系统空载时的电压、电流、损耗、功率因数、直流母线电压，和系统负载时的电压、电流、损耗、功率因数、直流母线电压等电参数传输给PC机5，以供PC机5作数据分析、显示、制图、绘表、打印等用。电机2和模拟负载4中的负荷电机41还均与一转速转矩测试仪7相连，转速转矩测试仪7还通过数据线与PC机5相连，并将测得电机2和负荷电机41的转速、转加速、转矩等机械参数传递到PC机5中，以用作数据分析、显示、制图、绘表、打印等用。在PC机5上还接有一打印输出装置8，可按需要打印各种电参数、机械参数、以及各种生成的相关曲线、图表、测试报告等。PC机5作为人机界面控制平台，是整个开发测试系统的大脑，在PC机5内至少安装有一种以上模拟仿真软件、开发软件、数据处理软件以及通信软件，其主要功能有对高压变频器I中的功率硬件电路仿真、高压变频器I控制系统参数仿真、系统模拟仿真、电参数 信号处理、转速转矩参数信号处理、变频器控制、模拟机械负载控制、变频器控制软件调试写入、打印驱动等。在PC机5上还设定有软件通信协议，通过在PC机5上设定软件通信协议开发者可采用C语言或者汇编语言编写控制程序，经过编译后的控制程序可由PC机5直接载入DSP控制器12中，进行实时数字控制。在PC机5中还安装有MATLAB或SMULINK仿真软件，设计控制系统时，通过PC机5中的MATLAB或SMULINK可以实现高压变频器I驱动电机2运行仿真，以及实现DSP控制器12的参数调试选择和信号分析动作。在PC机5中还安装有dSPACE软件，dSPACE软件同时也提供了与MATLAB或SMULINK仿真软件之间相互通信的界面，使用者可以在MATLAB或SMULINK的环境下开发控制法则并进行系统模拟，之后再将开发的控制程序载入目标处理器进行硬件回路模拟，因此藉由PC机5所提供的人机界面环境和界面控制卡，开发者能完成硬件回路模拟系统的设计，并在此基础上进行系统可行性评估。在PC机5中还装有虚拟仪器软件，虚拟仪器软件可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出各种功能更强的仪器，并且用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器，因此也可以通过虚拟仪器软件定制的各种观测工具(如示波器等)实时在线观测各种变量或调整参数。如图2所示，本发明还同时提供了一种高压变频器智能综合开发测试系统的建立方法该方法包括以下步骤步骤a、在PC机5中安装MATLAB或SMULINK仿真软件，建立高压变频器I调速系统的数学模型。步骤b、决定DSP控制器12的控制架构与设计方法，根据步骤a中所建立的数学模型仿真得出DSP控制器12的初始参数，由于仿真模型同实际应用环境还是存在许多不完全一致的地方，因此，这些DSP控制器12的初始参数仍需最后通过实验来验证，在传统设计开发过程中，这是一个非常繁复的过程，需要花费大量的人力物力，而在本发明中则可以通过由虚拟仪器和MATLAB或SMULINK仿真软件构成的互动开发测试环境直接在线实时调试。步骤C、调整参数，实现DSP控制器12集成，DSP控制器12的设计包含了硬件设计和软件设计两个部分，其中，硬件设计在兼顾计算性能、价格、接口等因素的前提下决定适当的CPU ;软件设计则主要考虑数字化、汇编语言程序设计、中断、信号处理等问题。步骤d、在PC机5中安装虚拟仪器软件，结合步骤a中PC机5中的MATLAB或SMULINK仿真软件环境，进行半实物仿真模拟测试。步骤e、对半实物仿真模拟测试得到的控制参数实时在线调整与确认，并通过虚拟仪器界面构成的虚拟数字示波器观测到控制参数调整后的系统响应。步骤f、通过半实物仿真模拟测试，试验DSP控制器12中硬件设计和软件设计性倉泛。步骤g、系统的集成测试通过对同一功率变换单元11输入不同的控制程序，甚至包括各种自适应控制和智能控制程序，以得到不同控制结果和可能的应用效果进行对比分析，或者通过对于由不同开发人员编写的控制程序片段或者改进的某一段程序可以通过PC机5直接覆盖写入到DSP控制器12中进行程序侦错和效果验证，来实现对整个系统的集成 测试。步骤h、各项参数的调整与确定。本发明通过在PC机内安装模拟仿真、虚拟仪器、数据处理及通信等多种软件，在半实物环境下利用模拟仿真技术对系统负载的各项参数进行测试，不仅大大减少了产品开发周期，而且还提高了系统的安全性和可靠性。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种高压变频器的智能综合开发测试系统，该系统包括高压变频器、电机、联轴器、模拟负载和PC机，所述电机通过所述联轴器与所述模拟负载相连，其特征在于所述高压变频器由功率变换单元和DSP控制器组成，所述功率变换单元与所述电机相连，所述DSP控制器与所述PC机相连，并由所述PC机提供控制信号参数，所述模拟负载由负荷电机和负荷电机控制器所组成，所述负荷电机控制器与所述PC机相连，并由所述PC机提供控制参数。
2.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于所述高压变频器和所述电机还均与一电参数测量仪相连，所述电参数测量仪通过数据线与所述PC机相连。
3.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于所述电机和所述负荷电机还均与一转速转矩测试仪相连，所述转速转矩测试仪还通过数据线与所述PC机相连。
4.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于在所述PC机上还接有一打印输出装置。
5.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于在所述PC机内至少安装有一种以上模拟仿真软件、开发软件、数据处理软件以及通信软件。
6.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于在所述PC机内还设定有软件通信协定，开发者可采用C语言或者汇编语言编写控制程序，经过编译后的控制程序可由所述PC机直接载入所述DSP控制器中，进行实时数字控制。
7.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于在所述PC机中安装有MATLAB或SMULINK仿真软件，设计控制系统时，通过所述PC机中的MATLAB或SMULINK可以实现所述高压变频器驱动所述电机运行仿真，以及所述DSP控制器参数调试选择和信号分析动作。
8.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于在所述PC机中还安装有dSPACE软件，dSPACE软件同时也提供了与MATLAB或SMULINK仿真软件之间相互通信的界面。
9.根据权利要求I所述的一种高压变频器的智能综合开发测试系统，其特征在于在所述PC机中还装有虚拟仪器软件。
10.一种高压变频器智能综合开发测试系统的建立方法该方法包括以下步骤 步骤a、在所述PC机中安装MATLAB或SMULINK仿真软件，建立所述高压变频器调速系统的数学模型。
步骤b、决定所述DSP控制器的控制架构与设计方法，根据步骤a中所建立的数学模型仿真得出所述DSP控制器的初始参数。
步骤c、调整参数，实现所述DSP控制器集成，所述DSP控制器的设计包含了硬件设计和软件设计两个部分。
步骤d、在所述PC机中安装虚拟仪器软件，结合步骤a中所述PC机中的MATLAB或SMULINK仿真软件环境，进行半实物仿真模拟测试。
步骤e、对半实物仿真模拟测试得到的控制参数实时在线调整与确认，并通过虚拟仪器界面构成的虚拟数字示波器观测到控制参数调整后的系统响应。
步骤f、通过半实物仿真模拟测试，试验所述DSP控制器中硬件设计和软件设计性能。步骤g、系统的集成测试通过对同一所述功率变换单元输入不同的控制程序，甚至包括各种自适应控制和智能控制程序，以得到不同控制结果和可能的应用效果进行对比分析，或者通过对于由不同开发人 员编写的控制程序片段或者改进的某一段程序可以通过所述PC机直接覆盖写入到所述DSP控制器中进行程序侦错和效果验证，来实现对整个系统的集成测试。
步骤h、各项参数的调整与确定。
全文摘要
一种高压变频器的智能综合开发测试系统及其建立方法，涉及电气控制与测试技术领域，该系统包括高压变频器、电机、联轴器、模拟负载和PC机，电机通过联轴器与模拟负载相连，高压变频器由功率变换单元和DSP控制器组成，功率变换单元与电机相连，DSP控制器与PC机相连，并由所述PC机提供控制信号参数，所述模拟负载由负荷电机和负荷电机控制器所组成，所述负荷电机控制器与所述PC机相连，本发明还提供了高压变频器智能综合开发测试系统的建立方法。该系统不仅大大减少了产品开发周期，而且还可作为产品故障诊断的辅助平台，可提高所开发产品的可靠性。
文档编号G05B17/02GK102722107SQ20111007798
公开日2012年10月10日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者刘国鹰, 刘海珊, 曾国辉, 陈国成, 陈国祥 申请人:上海雷诺尔科技股份有限公司