專利名稱：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電機(jī)控制裝置，具體地說(shuō)是一種適用于集成電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器。
現(xiàn)有的三相異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)等電機(jī)所使用的控制器大多是由微機(jī)系統(tǒng)、控制電路與相應(yīng)的GTO、IGBT、IGCT或IPM等功率模塊連接組成。一般而言，每個(gè)控制器負(fù)責(zé)控制一臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。對(duì)于大功率電機(jī)而言，由于需要使用與電機(jī)功率相匹配的大功率GTO、IGBT、IGCT或IPM等功率模塊，因此造成控制器的成本很高，而且由于這些大功率模塊目前只有少數(shù)西方國(guó)家能夠生產(chǎn)制造，且屬于限制出口的高科技產(chǎn)品。因此對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，大功率電機(jī)的控制目前尚屬薄弱環(huán)節(jié)，并受到國(guó)外器件的制約，這就直接影響到了大功率電機(jī)在我國(guó)各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。
從理論上來(lái)講，并聯(lián)使用多個(gè)小功率控制器是可行的，而且成本相對(duì)較低。然而由于各控制器中諸多相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)不可避免地存在有細(xì)微的時(shí)序差異，且對(duì)應(yīng)的元器件的參數(shù)也不可能完全一致，如果使用器件直接并聯(lián)法或直接使用逆變器并聯(lián)運(yùn)行，在電壓同步、電流均衡等方面都會(huì)遇到很多難以解決的技術(shù)問(wèn)題，甚至可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)的全面崩潰。另外，此類控制信號(hào)一般均需經(jīng)由主控CPU直接發(fā)至各個(gè)模塊的控制端進(jìn)行控制。在這種情況下，主控CPU和控制電路的任何故障均可直接影響到整個(gè)系統(tǒng)，甚至使其完全無(wú)法正常運(yùn)行。
本實(shí)用新型的目的就是提供一種適用于大功率集成電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器，以實(shí)現(xiàn)用多個(gè)小功率控制器替代一個(gè)大功率控制器來(lái)完成對(duì)大功率電機(jī)的控制。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的該控制器有至少2個(gè)以上的控制單元，每個(gè)控制單元均有一個(gè)微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤(pán)輸入單元U5，檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元U1，網(wǎng)絡(luò)連接單元U7，以及功率模塊U2，所有控制單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)低層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)連為一體。這些控制單元在輸出端獨(dú)立，控制上相關(guān)，運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格同步，并在邏輯、物理和電氣等方面均獨(dú)立存在，共同構(gòu)成一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制陣列，從而形成一個(gè)同步陣列控制器。
本實(shí)用新型使用同步陣列控制器進(jìn)行大功率集成電機(jī)的控制。所謂集成電機(jī)是本申請(qǐng)人在先申請(qǐng)的一項(xiàng)專利(CN02120860.3)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有已知技術(shù)制造的普通電機(jī)基本相同，其主要改進(jìn)是定子繞組中的每一個(gè)線圈元件均是由多個(gè)(設(shè)為N，且N≥2)具有獨(dú)立接線端的子元件構(gòu)成。每個(gè)元件中的子元件數(shù)相等，占用同一組定子線槽，即在電機(jī)定子的物理線槽內(nèi)并置，但在電氣結(jié)構(gòu)上獨(dú)立。一個(gè)元件中的每一個(gè)子元件只與其他元件中相應(yīng)的子元件進(jìn)行連接，其連接規(guī)律與普通電機(jī)中對(duì)應(yīng)位置上的各個(gè)元件的連接規(guī)律完全相同。由此將原有一套完整的定子繞組分解成為在物理位置上完全重疊的N套定子繞組，亦可稱為在機(jī)座中N個(gè)同位的定子單元。每個(gè)定子單元均具有與相應(yīng)普通電機(jī)定子相同的、完整的邏輯功能。N個(gè)定子單元共用同一轉(zhuǎn)子。因此如果從邏輯角度將一個(gè)物理轉(zhuǎn)子劃分成為N個(gè)“邏輯轉(zhuǎn)子”的集合，則每個(gè)定子單元均可與相應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子共同形成一個(gè)“邏輯電機(jī)”。每個(gè)邏輯電機(jī)均有一組相應(yīng)獨(dú)立的、且與普通電機(jī)對(duì)應(yīng)的接線端子。這樣，就可以使用功率分解的方法，將一個(gè)大功率的電機(jī)從邏輯上和電氣上分解成為若干個(gè)功率較小的邏輯電機(jī)。每個(gè)邏輯電機(jī)均具有完全相同的或者相似的物理和電氣結(jié)構(gòu)，但在電氣和控制環(huán)節(jié)上是完全獨(dú)立的。
將本實(shí)用新型中的每個(gè)控制單元對(duì)應(yīng)連接上述集成電機(jī)中的一個(gè)邏輯電機(jī)，即每個(gè)控制單元可以對(duì)應(yīng)控制一個(gè)邏輯電機(jī)。所有的控制單元以網(wǎng)絡(luò)方式互聯(lián)，各相控制信號(hào)同步或遵守某種特定的換相規(guī)律，同時(shí)驅(qū)動(dòng)每個(gè)以并聯(lián)方式工作的邏輯電機(jī)，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)集成電機(jī)的控制。
本實(shí)用新型由于使用分布式并行控制單元對(duì)集成電機(jī)中的每個(gè)邏輯電機(jī)進(jìn)行控制，有多少個(gè)邏輯電機(jī)就相應(yīng)地有多少個(gè)獨(dú)立的控制單元。所以，一臺(tái)大功率的集成電機(jī)，可以由多個(gè)控制單元組成的同步陣列控制器進(jìn)行控制。由此實(shí)現(xiàn)了使用小功率的GTO、IGBT、IGCT或IPM等驅(qū)動(dòng)模塊組成模塊陣列來(lái)完成對(duì)大功率電機(jī)進(jìn)行控制的設(shè)想。同時(shí)還可以避免因某一個(gè)CPU或控制電路的毀損而直接影響到整個(gè)控制器和集成電機(jī)的正常運(yùn)行。由此極大地提高了電機(jī)控制和電機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性。本實(shí)用新型的核心正在于此。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳述。


圖1是本實(shí)用新型用以控制一臺(tái)三聯(lián)式集成電機(jī)的裝置電路原理圖。
圖2是本實(shí)用新型中的一個(gè)控制單元的電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是本實(shí)用新型各控制單元中的計(jì)算機(jī)程序框圖。
本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例如圖1所示，集成電機(jī)I是一臺(tái)包括有三個(gè)完全重疊定子單元(1a、1b、1c)的電機(jī)，三個(gè)定子單元均為Y型聯(lián)接方式，共用一個(gè)轉(zhuǎn)子2，形成了一個(gè)由三個(gè)邏輯電機(jī)組成的集成電機(jī)。每個(gè)邏輯電機(jī)中的定子單元均有一組相應(yīng)獨(dú)立的接線端子，并分別連接一個(gè)控制單元(3a、3b、3c)，即每個(gè)控制單元控制一個(gè)完整的三相定子繞組。利用控制器局部網(wǎng)4(簡(jiǎn)稱“CAN”——Controller Area Network)，將三個(gè)控制單元相互連接在一起，即形成了一個(gè)三聯(lián)式同步陣列控制器II，以此來(lái)控制集成電機(jī)I。也可以采用其他現(xiàn)場(chǎng)低層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接上述的控制單元，所組成的同步陣列控制器效果相同。
本實(shí)用新型中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制單元如圖2所示，包括有一個(gè)微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤(pán)輸入單元U5，檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元U1，網(wǎng)絡(luò)連接單元U7，以及功率模塊U2。網(wǎng)絡(luò)連接單元U7用以連接CAN。
在每個(gè)控制單元中的微處理器單元U3上還連接一個(gè)可供外接計(jì)算機(jī)的通信單元U6，可由USB或RS-232等接口實(shí)現(xiàn)。其作用是可以通過(guò)上位計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)方便地進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)。
圖1中，在實(shí)用新型中的每個(gè)控制單元的直流母線上設(shè)置有可以控制相應(yīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力電源的電子開(kāi)關(guān)5。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)邏輯電機(jī)或者某個(gè)控制單元自身發(fā)生故障或受到外力毀損時(shí)，可以通過(guò)關(guān)斷電子開(kāi)關(guān)5，及時(shí)將該路控制單元及邏輯電機(jī)從整個(gè)電氣系統(tǒng)中切換出去。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程(如圖3所示)是在上電初始化完成以后，每個(gè)控制單元都在網(wǎng)絡(luò)上廣播一個(gè)詢問(wèn)幀，查找當(dāng)前是否有主機(jī)在運(yùn)行。若應(yīng)答超時(shí)，則自行置為主機(jī)，以取得網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。若當(dāng)前已有一個(gè)控制單元作為主機(jī)正在運(yùn)行，它收到詢問(wèn)幀后發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀進(jìn)行回復(fù)，同時(shí)也獲知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上還有其他控制單元在運(yùn)行。后上電的控制單元自行設(shè)置為從機(jī)，不去試圖控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。若多機(jī)同時(shí)上電且電氣及復(fù)位參數(shù)完全一致，則可能回同時(shí)發(fā)送詢問(wèn)幀。根據(jù)CAN仲裁協(xié)議，只有其中一個(gè)控制單元會(huì)首先獲得CAN的控制權(quán)，置為主機(jī)。在本發(fā)明控制器中并不硬性規(guī)定固定的主機(jī)或者從機(jī)，而是使用了主機(jī)裁定技術(shù)。其最大優(yōu)勢(shì)在于各個(gè)控制單元結(jié)構(gòu)及其所運(yùn)行的程序完全一致，這使得控制單元之間無(wú)論在硬件或是軟件方面，均具有徹底的互換性。
在工作過(guò)程中，主機(jī)和從機(jī)之間必須頻繁地交換狀態(tài)信息，其目的有四1、控制單元之間的設(shè)置情況與具體參數(shù)的交流；2、同步獲取被控對(duì)象的工作狀態(tài)，判斷其工作是否正常；3、協(xié)調(diào)控制信號(hào)的發(fā)出。4、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份。主機(jī)將自己的狀態(tài)信息、被控對(duì)象當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及需要備份的數(shù)據(jù)定時(shí)向從機(jī)發(fā)送。若從機(jī)在約定的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有收到主機(jī)的信息或者收到主機(jī)報(bào)告自己出錯(cuò)的信息，就認(rèn)為主機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)故障。
最先認(rèn)定主機(jī)故障的從機(jī)馬上置自己為主機(jī)，同時(shí)取得網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，將故障機(jī)在直流母線一端的電子開(kāi)關(guān)(如晶閘管)的選通端置為無(wú)效，便可完成將其從系統(tǒng)中進(jìn)行電氣切除的工作。進(jìn)而根據(jù)最后收到的、由前主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的被控對(duì)象狀態(tài)及系統(tǒng)參數(shù)對(duì)其繼續(xù)實(shí)施控制，同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的故障顯示信號(hào)，此即本實(shí)用新型所特有的“主機(jī)切換技術(shù)”。
在正常工況下，從機(jī)亦需定時(shí)向主機(jī)報(bào)告自己的狀態(tài)。若主機(jī)在約定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到從機(jī)報(bào)告狀態(tài)的數(shù)據(jù)，則認(rèn)為從機(jī)出現(xiàn)故障。同樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)邏輯電機(jī)定子線圈或者某個(gè)控制單元自身發(fā)生局部短路、斷路、過(guò)壓等故障，或受到外力毀損時(shí)，可以使用表決機(jī)制與仲裁等技術(shù)，及時(shí)將其切換出去。而這對(duì)于集成電機(jī)而言，只是局部問(wèn)題。此時(shí)，集成電機(jī)仍可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。一旦某個(gè)邏輯電機(jī)或某個(gè)控制單元從電路中被切除，還可以令其他邏輯電機(jī)在尚未滿載的情況下，通過(guò)改變其運(yùn)行參數(shù)而相應(yīng)地增加輸出功率，在一定程度上做到“代償式”運(yùn)行，直至維修，使其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的影響降至最小。該方式可以有效地解決電機(jī)如何能夠“帶故障安全運(yùn)行”的問(wèn)題，由此提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性。
各控制單元在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器中既可以進(jìn)行統(tǒng)調(diào)，以保證各個(gè)邏輯電機(jī)的定子磁場(chǎng)矢量嚴(yán)格重合，又可以在一定的條件下獨(dú)立進(jìn)行微調(diào)，以改善整體的動(dòng)態(tài)性能。特別是，還可以在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行類似于載波頻率等特殊參數(shù)的統(tǒng)一或獨(dú)立調(diào)整，使得每個(gè)控制單元均可以按照系統(tǒng)需要而使用一個(gè)特定的載波頻率。這樣，整個(gè)系統(tǒng)既能夠使用單一載波頻率，又可以工作在復(fù)合載波頻率環(huán)境下，以達(dá)到分散噪聲頻譜等目的。
本控制器中的所有控制單元既可分別封裝，也可以集中封裝。無(wú)論封裝形式如何，所有控制單元均在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)下按照嚴(yán)格同步的原則進(jìn)行工作。在這種情況下，除了可以簡(jiǎn)單地使用小功率的驅(qū)動(dòng)模塊組成模塊陣列來(lái)完成對(duì)大功率電機(jī)的控制外，還可以避免因單一CPU或控制電路的毀損而造成全局性的故障。
本控制器中的所有控制單元既可以使用同一組的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，也可以使用不同組別的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，以決定各個(gè)邏輯電機(jī)的換相時(shí)刻。只要將不同的換相時(shí)刻合理分配與組合，就可大幅度地改善轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況。如果使用本同步陣列控制器控制普通電機(jī)，則控制器中有多少個(gè)控制單元就能控制多少與之功率相匹配的普通電機(jī)，形成一個(gè)在理想狀態(tài)下相互完全同步、且在物理上以分立方式存在的電機(jī)陣列。
當(dāng)集成電機(jī)工作在低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，可由本同步陣列控制器選定最佳運(yùn)行方式，決定只留其中一個(gè)或幾個(gè)控制單元及所控邏輯電機(jī)進(jìn)行工作。此時(shí)這些控制單元和邏輯電機(jī)可以工作在工況較好的“滿載”狀態(tài)，其余控制單元?jiǎng)t被停機(jī)或僅處于待機(jī)狀態(tài)，以盡量節(jié)省能源。與之相應(yīng)的邏輯電機(jī)因其電路此時(shí)為“開(kāi)路”，僅做“空轉(zhuǎn)”而已，并不額外耗能。
權(quán)利要求1.一種適用于集成電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器，其特征在于該控制器有至少2個(gè)以上的控制單元，每個(gè)控制單元均有一個(gè)微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤(pán)輸入單元U5，檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元U1，網(wǎng)絡(luò)連接單元U7，以及功率模塊U2，所有控制單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)低層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)連為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器，其特征在于在每個(gè)控制單元中的微處理器單元U3上連接有通信單元U6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器，其特征在于在每個(gè)控制單元的直流母線上設(shè)置有可以控制相應(yīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力電源的電子開(kāi)關(guān)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種適用于集成電機(jī)的控網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制裝置，其結(jié)構(gòu)包括有多個(gè)控制單元，每個(gè)控制單元均有一個(gè)微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤(pán)輸入單元U5，檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元U1，網(wǎng)絡(luò)連接單元U7，以及功率模塊U2，所有控制單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)低層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)連為一體。這些控制單元在輸出端獨(dú)立，控制上相關(guān)，運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格同步，并在邏輯、物理和電氣等方面均獨(dú)立存在，共同構(gòu)成一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制陣列，從而形成一個(gè)同步陣列控制器，以有效地提高電機(jī)控制和電機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性。
文檔編號(hào)H02P7/00GK2548360SQ0223811
公開(kāi)日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月17日
發(fā)明者原澤, 原亮, 栗彤, 季小尹 申請(qǐng)人:原澤