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：
本實用新型涉及一種電機控制裝置，具體地說是一種適用于集成電機的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器。
現(xiàn)有的三相異步電動機、永磁同步電動機等電機所使用的控制器大多是由微機系統(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，每個控制器負責(zé)控制一臺電機的運行。對于大功率電機而言，由于需要使用與電機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。因此對于我國來說，大功率電機的控制目前尚屬薄弱環(huán)節(jié)，并受到國外器件的制約，這就直接影響到了大功率電機在我國各個行業(yè)的應(yīng)用。
從理論上來講，并聯(lián)使用多個小功率控制器是可行的，而且成本相對較低。然而由于各控制器中諸多相對應(yīng)的控制信號不可避免地存在有細微的時序差異，且對應(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)運行，在電壓同步、電流均衡等方面都會遇到很多難以解決的技術(shù)問題，甚至可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)的全面崩潰。另外，此類控制信號一般均需經(jīng)由主控CPU直接發(fā)至各個模塊的控制端進行控制。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系統(tǒng)，甚至使其完全無法正常運行。
本實用新型的目的就是提供一種適用于大功率集成電機的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器，以實現(xiàn)用多個小功率控制器替代一個大功率控制器來完成對大功率電機的控制。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的該控制器有至少2個以上的控制單元，每個控制單元均有一個微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤輸入單元U5，檢測、驅(qū)動和保護單元U1，網(wǎng)絡(luò)連接單元U7，以及功率模塊U2，所有控制單元通過現(xiàn)場低層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)連為一體。這些控制單元在輸出端獨立，控制上相關(guān)，運行時嚴(yán)格同步，并在邏輯、物理和電氣等方面均獨立存在，共同構(gòu)成一個具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制陣列，從而形成一個同步陣列控制器。
本實用新型使用同步陣列控制器進行大功率集成電機的控制。所謂集成電機是本申請人在先申請的一項專利(CN02120860.3)，其機械結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有已知技術(shù)制造的普通電機基本相同，其主要改進是定子繞組中的每一個線圈元件均是由多個(設(shè)為N，且N≥2)具有獨立接線端的子元件構(gòu)成。每個元件中的子元件數(shù)相等，占用同一組定子線槽，即在電機定子的物理線槽內(nèi)并置，但在電氣結(jié)構(gòu)上獨立。一個元件中的每一個子元件只與其他元件中相應(yīng)的子元件進行連接，其連接規(guī)律與普通電機中對應(yīng)位置上的各個元件的連接規(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，亦可稱為在機座中N個同位的定子單元。每個定子單元均具有與相應(yīng)普通電機定子相同的、完整的邏輯功能。N個定子單元共用同一轉(zhuǎn)子。因此如果從邏輯角度將一個物理轉(zhuǎn)子劃分成為N個“邏輯轉(zhuǎn)子”的集合，則每個定子單元均可與相應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子共同形成一個“邏輯電機”。每個邏輯電機均有一組相應(yīng)獨立的、且與普通電機對應(yīng)的接線端子。這樣，就可以使用功率分解的方法，將一個大功率的電機從邏輯上和電氣上分解成為若干個功率較小的邏輯電機。每個邏輯電機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)上是完全獨立的。
將本實用新型中的每個控制單元對應(yīng)連接上述集成電機中的一個邏輯電機，即每個控制單元可以對應(yīng)控制一個邏輯電機。所有的控制單元以網(wǎng)絡(luò)方式互聯(lián)，各相控制信號同步或遵守某種特定的換相規(guī)律，同時驅(qū)動每個以并聯(lián)方式工作的邏輯電機，進而完成對整個集成電機的控制。
本實用新型由于使用分布式并行控制單元對集成電機中的每個邏輯電機進行控制，有多少個邏輯電機就相應(yīng)地有多少個獨立的控制單元。所以，一臺大功率的集成電機，可以由多個控制單元組成的同步陣列控制器進行控制。由此實現(xiàn)了使用小功率的GTO、IGBT、IGCT或IPM等驅(qū)動模塊組成模塊陣列來完成對大功率電機進行控制的設(shè)想。同時還可以避免因某一個CPU或控制電路的毀損而直接影響到整個控制器和集成電機的正常運行。由此極大地提高了電機控制和電機運行的可靠性與安全性。本實用新型的核心正在于此。
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳述。


圖1是本實用新型用以控制一臺三聯(lián)式集成電機的裝置電路原理圖。
圖2是本實用新型中的一個控制單元的電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是本實用新型各控制單元中的計算機程序框圖。
本實用新型的一個實施例如圖1所示，集成電機I是一臺包括有三個完全重疊定子單元(1a、1b、1c)的電機，三個定子單元均為Y型聯(lián)接方式，共用一個轉(zhuǎn)子2，形成了一個由三個邏輯電機組成的集成電機。每個邏輯電機中的定子單元均有一組相應(yīng)獨立的接線端子，并分別連接一個控制單元(3a、3b、3c)，即每個控制單元控制一個完整的三相定子繞組。利用控制器局部網(wǎng)4(簡稱“CAN”——Controller Area Network)，將三個控制單元相互連接在一起，即形成了一個三聯(lián)式同步陣列控制器II，以此來控制集成電機I。也可以采用其他現(xiàn)場低層設(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。
本實用新型中的一個標(biāo)準(zhǔn)控制單元如圖2所示，包括有一個微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤輸入單元U5，檢測、驅(qū)動和保護單元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。
在每個控制單元中的微處理器單元U3上還連接一個可供外接計算機的通信單元U6，可由USB或RS-232等接口實現(xiàn)。其作用是可以通過上位計算機對整個控制系統(tǒng)方便地進行調(diào)試和檢測。
圖1中，在實用新型中的每個控制單元的直流母線上設(shè)置有可以控制相應(yīng)驅(qū)動系統(tǒng)動力電源的電子開關(guān)5。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個邏輯電機或者某個控制單元自身發(fā)生故障或受到外力毀損時，可以通過關(guān)斷電子開關(guān)5，及時將該路控制單元及邏輯電機從整個電氣系統(tǒng)中切換出去。
本實用新型的工作過程(如圖3所示)是在上電初始化完成以后，每個控制單元都在網(wǎng)絡(luò)上廣播一個詢問幀，查找當(dāng)前是否有主機在運行。若應(yīng)答超時，則自行置為主機，以取得網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。若當(dāng)前已有一個控制單元作為主機正在運行，它收到詢問幀后發(fā)送一個應(yīng)答幀進行回復(fù)，同時也獲知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上還有其他控制單元在運行。后上電的控制單元自行設(shè)置為從機，不去試圖控制整個網(wǎng)絡(luò)。若多機同時上電且電氣及復(fù)位參數(shù)完全一致，則可能回同時發(fā)送詢問幀。根據(jù)CAN仲裁協(xié)議，只有其中一個控制單元會首先獲得CAN的控制權(quán)，置為主機。在本發(fā)明控制器中并不硬性規(guī)定固定的主機或者從機，而是使用了主機裁定技術(shù)。其最大優(yōu)勢在于各個控制單元結(jié)構(gòu)及其所運行的程序完全一致，這使得控制單元之間無論在硬件或是軟件方面，均具有徹底的互換性。
在工作過程中，主機和從機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)控制信號的發(fā)出。4、實時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份。主機將自己的狀態(tài)信息、被控對象當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及需要備份的數(shù)據(jù)定時向從機發(fā)送。若從機在約定的時間間隔內(nèi)沒有收到主機的信息或者收到主機報告自己出錯的信息，就認(rèn)為主機已經(jīng)出現(xiàn)故障。
最先認(rèn)定主機故障的從機馬上置自己為主機，同時取得網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，將故障機在直流母線一端的電子開關(guān)(如晶閘管)的選通端置為無效，便可完成將其從系統(tǒng)中進行電氣切除的工作。進而根據(jù)最后收到的、由前主機轉(zhuǎn)發(fā)的被控對象狀態(tài)及系統(tǒng)參數(shù)對其繼續(xù)實施控制，同時啟動相應(yīng)的故障顯示信號，此即本實用新型所特有的“主機切換技術(shù)”。
在正常工況下，從機亦需定時向主機報告自己的狀態(tài)。若主機在約定時間內(nèi)沒有收到從機報告狀態(tài)的數(shù)據(jù)，則認(rèn)為從機出現(xiàn)故障。同樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個邏輯電機定子線圈或者某個控制單元自身發(fā)生局部短路、斷路、過壓等故障，或受到外力毀損時，可以使用表決機制與仲裁等技術(shù)，及時將其切換出去。而這對于集成電機而言，只是局部問題。此時，集成電機仍可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)而不會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。一旦某個邏輯電機或某個控制單元從電路中被切除，還可以令其他邏輯電機在尚未滿載的情況下，通過改變其運行參數(shù)而相應(yīng)地增加輸出功率，在一定程度上做到“代償式”運行，直至維修，使其對整個系統(tǒng)運行的影響降至最小。該方式可以有效地解決電機如何能夠“帶故障安全運行”的問題，由此提高了電機運行的可靠性與安全性。
各控制單元在整個網(wǎng)絡(luò)控制器中既可以進行統(tǒng)調(diào)，以保證各個邏輯電機的定子磁場矢量嚴(yán)格重合，又可以在一定的條件下獨立進行微調(diào)，以改善整體的動態(tài)性能。特別是，還可以在運行過程中進行類似于載波頻率等特殊參數(shù)的統(tǒng)一或獨立調(diào)整，使得每個控制單元均可以按照系統(tǒng)需要而使用一個特定的載波頻率。這樣，整個系統(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)格同步的原則進行工作。在這種情況下，除了可以簡單地使用小功率的驅(qū)動模塊組成模塊陣列來完成對大功率電機的控制外，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，也可以使用不同組別的轉(zhuǎn)子位置信號，以決定各個邏輯電機的換相時刻。只要將不同的換相時刻合理分配與組合，就可大幅度地改善轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩波動情況。如果使用本同步陣列控制器控制普通電機，則控制器中有多少個控制單元就能控制多少與之功率相匹配的普通電機，形成一個在理想狀態(tài)下相互完全同步、且在物理上以分立方式存在的電機陣列。
當(dāng)集成電機工作在低負荷狀態(tài)時，可由本同步陣列控制器選定最佳運行方式，決定只留其中一個或幾個控制單元及所控邏輯電機進行工作。此時這些控制單元和邏輯電機可以工作在工況較好的“滿載”狀態(tài)，其余控制單元則被停機或僅處于待機狀態(tài)，以盡量節(jié)省能源。與之相應(yīng)的邏輯電機因其電路此時為“開路”，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個以上的控制單元，每個控制單元均有一個微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤輸入單元U5，檢測、驅(qū)動和保護單元U1，網(wǎng)絡(luò)連接單元U7，以及功率模塊U2，所有控制單元通過現(xiàn)場低層設(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，其特征在于在每個控制單元的直流母線上設(shè)置有可以控制相應(yīng)驅(qū)動系統(tǒng)動力電源的電子開關(guān)。
專利摘要本實用新型是一種適用于集成電機的控網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制裝置，其結(jié)構(gòu)包括有多個控制單元，每個控制單元均有一個微處理器單元U3，在微處理器單元U3上分別連接有顯示模塊U4，鍵盤輸入單元U5，檢測、驅(qū)動和保護單元U1，網(wǎng)絡(luò)連接單元U7，以及功率模塊U2，所有控制單元通過現(xiàn)場低層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)連為一體。這些控制單元在輸出端獨立，控制上相關(guān)，運行時嚴(yán)格同步，并在邏輯、物理和電氣等方面均獨立存在，共同構(gòu)成一個具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制陣列，從而形成一個同步陣列控制器，以有效地提高電機控制和電機運行的可靠性與安全性。
文檔編號H02P7/00GK2548360SQ0223811
公開日2003年4月30日 申請日期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 申請人:原澤