[发明专利]一种大功率变频器控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制系统及其控制方法。主要实现变频器内部的工业PC与各功率模块处理单元之间，稳定可靠、高速同步和可扩展的数据通信。

背景技术

 目前，变频器内部的微机控制电路部分，主要通过电路板级集成化实现。主要以中央处理器（如DSP）为核心，加上板载数据采集电路、故障保护电路、PWM信号发生电路和驱动电路、相关I/O接口、显示接口、键盘接口，以及上位机通信接口或其他外设接口组成。各电路之间通过数据线互相连接，通信数据按照一定的协议在各电路拓扑之间流转，中央处理器对各电路分别传送的数据进行汇总和分析，发送指令控制PWM信号发生电路和驱动电路。

当产品功能需要升级时，主要包括因为增加产品容量并联更多的功率模块或者需要支持新的通信总线，若基于原有的电路拓扑需要通过重新设计电路或者外加转接口的方式额外增加信号处理和控制电路，这样的改动方式的通用性和继承性差，极大的增加了研发周期。同时，如果增加过多的外接电路，过多过长的数据线在大功率应用环境下容易造成干扰问题和可靠性问题。

 底层的板载数据采集电路需将采集到的传感器数据传送给中央处理器，中央处理器对采集的数据进行分析和计算，并产生PWM控制指令，通过控制线缆传输给PWM发生电路和驱动电路；当变频器功率模块发生故障时，其故障保护电路触发，需要由中央处理器对故障数据进行分析和计算后，再产生PWM切断指令、报警显示指令或其他相关保护指令，传输给PWM发生电路和驱动电路或其他接口电路，再由PWM控制线缆将PWM切断的驱动信号传输给功率模块。这套处理流程增加了故障保护的延时，最终导致功率模块的故障保护的成功率下降，从而增加了产品的故障率。

 为工业控制及数据采集领域提供数据传输实时性的解决方案，开源实时通信技术Ethernet POWERLINK应运而生。开源实时通信技术Ethernet POWERLINK 是一项以标准以太网为物理层和数据链路层，CANopen为应用层的最新传输技术。标准以太网发展至今，已有快速、千兆、万兆之分。以快速以太网的100BASE-TX五类STP作物理层为例，100BASE-TX是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据，在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT1类布线标准。使用RJ45连接器，最大网段长度为100米，支持全双工的数据传输。以太网作为数据链路层，使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），防止网络上数据帧之间的冲突。但是该机制会导致数据发送的不确定性以及延迟的产生，无法满足更为苛刻的实时性要求的工业自动化应用。CANOPEN是基于应用层的CAN网络协议，在机械制造领域和自动化领域具有广泛的应用。CANOPEN有非常完善的数据交换机制，但其具有带宽低、数据效率低和节点限制的局限性。POWERLINK现场总线融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口和高可靠性，以及CANopen在工业领域良好的SDO 和PDO 数据定义。它是 IEC 国际标准，同时也是中国的国家标准。它使用了Ethernet标准网络的物理层和数据链路层，而应用层则使用了CANopen的SDO和PDO。POWERLINK 的主要性能及特点有：100Mbps传输速度；循环周期：最小100us；传输距离：100m/节点间距；支持任意网络拓扑结构：菊花链形、树形、星形、环形等；支持热插拔；冗余：支持多主冗余、双网冗余、环形冗余；M12 & RJ45连接头。

发明内容

本发明提供了一种基于POWERLINK工业以太网通信的大功率变频器控制系统及其控制方法，解决了现有变频器的控制系统不具备模块化结构特征，通用性差和系统的抗干扰性能差以及保护响应慢的问题。