一种高性能变频控制器制造技术

本发明专利技术提供一种高性能变频控制器，该控制器采用浮点DSP核(1)、FPGA核(2)、ARM核(3)三核构架，所述浮点DSP核(1)用于实现电动机的各种控制算法，包括VF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制；所述FPGA核(2)用于实现变频器各种控制逻辑处理，编码器测速，故障处理，ADC控制与数字滤波以及变频器信号的存储；所述ARM核(3)用于实现变频器所需的各种通讯协议，包括USB、SCI、SPI、CAN、SDIO、Ethernet；所述浮点DSP核(1)和FPGA核(2)之间及FPGA核(2)和ARM核(3)之间均采用总线连接，所述浮点DSP核(1)与ARM核(3)之间通过FPGA核(2)进行高速并行通信。该控制器各MCU分工明确，能够适应各种先进自动化生产线的通讯需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及变频器控制
，特别涉及一种高性能变频控制器。
技术介绍
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电机的电力控制设备。随着市场的扩大和用户端需求的多样化，国内外市场上的变频器产品功能不断完善，集成度和系统化程度越来越高，操作更加方便，同时出现了某些行业的专用变频器产品。另外，变频器的应用领域也在不断扩大，从工厂的生产加工设备到中央空调、从重型机械到轻纺行业、从几百瓦的小功率到几千千瓦的大功率电机都已广泛使用，且取得了明显的经济效益。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动、检测单元和变频控制器单元组成，变频器靠内部IGBT的通断来调节输出端电压电流和频率，根据电机控制指令和相应的检测反馈值提供其所需的电压电流和频率，进而达到转速和转矩调节以及节能的目的，另外变频器还有很多的保护功能，如过压过流过载保护等功能，变频控制器单元是完成这些功能的核心部件。目前变频控制器的结构主要采用DSP+CPLD或者DSP+ARM的形式，虽然DSP在数据处理上有很大的优势，但其通讯能力较差，从而采用DSP+CPLD架构的变频器往往通讯功能较差，无法适应通讯多元化的需求，如果采用DSP外扩各种通讯接口势必降低DSP的运算能力，无法适应复杂控制算法的需求；采用DSP+ARM架构的变频控制器虽然可以有丰富的通讯接口，但无法实现DSP+ARM之间的高速并行数据传输，或者无法像CPLD或者FPGA —样无延时的响应外部故障，即保护功能较差。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种高性能变频控制器，其成本低，并且功能齐全，能适应各种电机控制算法和通讯需求。本专利技术所采用的技术方案是:—种高性能变频控制器，采用浮点DSP+FPGA+ARM三核构架，浮点DSP核和FPGA核之间及FPGA核和ARM核之间均采用总线连接，浮点DSP核核与ARM核之间通过FPGA进行高速并行通信；该控制器还包括高精度ADC模块，外部逻辑电路模块和通讯接口电路模块，所述高精度ADC模块与FPGA核电连接，所述外部逻辑电路模块分别于浮点DSP核、FPGA核和ARM核电连接，所述通信接口电路模块与ARM核电连接。作为优选，所述FPGA核包括:控制逻辑处理模块，用于处理外部逻辑电路发送的信息并发出控制信号；编码器检测模块，用于捕获外部光电式编码器脉冲信号，以测量电机的运行速度和旋转方向；故障处理模块，用于处理变频器过流、功率模块过流、直流母线过压和欠压以及制动单元故障；ADC控制及数字滤波模块，用于对外部ADC进行采样控制，并对采集到的信号进行滤波处理；存储模块，用于存储上述逻辑处理结果、编码器速度值、故障处理结果和外部ADC采样值并共享给DSP和ARM。作为优选，所述控制逻辑处理模块包括用户数字量I/O检测控制模块，用户继电器输出控制模块和外部多温度变量采集通道切换控制模块。作为优选，所述存储模块为模拟双口 RAM。作为优选，所述通信接口电路包括:一路全速USB 2.0接口，用于实现变频控制器与上位机的通讯，便于采用上位机对变频器进行在线调试；两路串行异步通信SCI接口，其中一路RS422接口用于实现变频控制器与参数设置键盘通讯，便于实现变频器的简易调试，另一路RS485接口用于实现变频控制器与外部PLC或者其他控制器的M0DBUS通讯；—路SPI接口，采用外扩通讯小板的方式，用于实现SPI转Profibus-DP功能，然后与外部PLC或者其他控制器通讯；两路控制局域网CAN总线接口，其中一路用于实现板载CANOpen或者DeviceNet通讯，另外一路CAN总线接口用于实现通讯小板的CAN转光纤通讯功能；一路SD10接口，用于扩展MicroSD卡功能；两路百兆工业以太网Ethernet接口，用于实现变频器的EtherCAT或者ProfiNet通讯；作为优选，所述两路百兆工业以太网Ethernet接口用于将多台变频器级联后，在上位机上实现整条生产线的变频器调试和监测。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点:1、该高性能变频控制器控制单元采用DSP+FPGA+ARM三核架构，各MCU分工明确。其中DSP发挥其高速浮点运算能力，负责电机控制的各种复杂控制算法；FPGA负责无延时的逻辑处理，能够及时实现电机控制的各种保护策略，ARM负责低精度的模拟量输入输出控制，以及实现各种通讯协议，增加了系统的可扩展性，能够适应各种先进自动化生产线的通讯需求。2、FPGA控制外部高精度ADC，能够实现电压和电流的实时等间隔采样，并且根据IGBT的开关频率调节相应的数字滤波器滤波频率，内部模拟双口 RAM实现DSP和ARM之间的高速并行数据传输，相对于单纯的双口 RAM具有价格低廉、灵活性高的优点。【附图说明】图1是本专利技术实施例提供的高性能变频控制器控制单元架构示意图；图2是本专利技术实施例提供的高性能变频控制器FPGA架构示意图；图3是本专利技术实施例提供的高性能变频控制器ARM外部接口结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的高性能变频控制器其中一种多机同时在线监控电气连接示意图。图中所示:1.DSP核，2.FPGA核，3.ARM核，4.通讯接口电路，5.高精度ADC，6.外部逻辑电路，201.控制逻辑处理模块，202.编码器测速模块，203.故障处理模块，204.ADC控制及数字滤波模块，205.存储模块【具体实施方式】为了使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的【具体实施方式】做详细的说明。参见图1，该图为本专利技术实施例提供的高性能变频控制器控制单元架构示意图。该实例提供的一种高性能变频控制器，其特征在于:包括浮点DSP、FPGA、ARM、高精度ADC、外部逻辑电路和通讯接口电路等。所述浮点DSP用于实现电动机的各种控制算法，包括VF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制；根据外部控制指令和内部电压电流及转速反馈产生电机控制所需的PWM波、上电缓冲接触器控制信号、冷却风机控制信号和制动单元控制信号等。所述FPGA用于实现变频器各种控制逻辑处理、编码器测速、故障处理和外部高精度模数转换器ADC控制、数字滤波，以及内部模拟双口 RAM用于实现DSP和ARM之间的高速并行数据传输。所述ARM用于实现变频器所需的各种通讯协议，包括USB、SC1、SP1、CAN、SD10、Ethernet 等。所述通讯接口电路用于实现通讯物理层的传输。所述外部逻辑电路配合各MCU实现变频器的控制需求。具体的，首先ARM及外围通讯电路系统接受外部控制器或者上位机的速度或其他相关控制指令，并将相关参数保存到FPGA内部的双口 RAM中，这时DSP从双口 RAM中读取相关的控制指令参数，并结合变频器自身的运行状态对控制指令进行相应:如果所接收到的指令为电机速度或者转矩控制指令，则DSP通过发出相应算法得出的PWM波来实现控制目的；如果所接收到的指令为开关量输入输出，则DSP通过给FPGA逻辑控制功能块相应地址发送指令来读取或者输出开关量；如果控制指令为模拟量输入输出，则由ARM直接完成相应的采集或者输出，并将结果保存到双口 RAM共享；如果控制指令为读取变频器运行状态参数，则DSP将相关参数存储到FPGA内部双口 RAM后，由ARM本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能变频控制器，其特征在于：该控制器采用浮点DSP核(1)、FPGA核(2)、ARM核(3)三核构架，所述浮点DSP核(1)用于实现电动机的各种控制算法，包括VF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制；所述FPGA核(2)用于实现变频器各种控制逻辑处理，编码器测速，故障处理，ADC控制与数字滤波以及变频器信号的存储；所述ARM核(3)用于实现变频器所需的各种通讯协议，包括USB、SCI、SPI、CAN、SDIO、Ethernet；所述浮点DSP核(1)和FPGA核(2)之间及FPGA核(2)和ARM核(3)之间均采用总线连接，所述浮点DSP核(1)与ARM核(3)之间通过FPGA核(2)进行高速并行通信；该控制器还包括高精度ADC模块(5)，外部逻辑电路模块(6)和通讯接口电路模块(4)，所述高精度ADC模块与FPGA核电连接，所述外部逻辑电路模块分别于浮点DSP核、FPGA核和ARM核电连接，配合各MCU实现变频器的控制需求，所述通信接口电路模块与ARM核电连接，用于实现通讯物理层的传输。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙浩，余骏，康现伟，王国强，王胜勇，
申请(专利权)人：中冶南方武汉自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42