Устройство управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем

МПК H02H 7/12
Устройство управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем
Полезная модель относится к классу устройств преобразовательной техники и может быть использована при создании систем бесперебойного питания и частотного управления электродвигателями.
Наиболее близким по техническому решению является устройство управления трехфазным автономным инвертором напряжения, содержащее микроконтроллер, выходы которого соединены с входом буферного дискретного каскада и с входами цифровых последовательных интерфейсов. Входы микроконтроллера соединены с выходом импульсного регулятора напряжения и выходом блока опторазвязки, вход которого связан с дискретными входами команд. Микроконтроллер подключен через внутреннюю информационную двунаправленную последовательную шину обмена к знакосинтезирующему дисплею, цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП) и аппаратному ШИМ контроллеру вращения фаз на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) со структурой CPLD. Входы аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз подключены к выходам линейного стабилизатора питания, импульсного интерфейса энкодера, компаратора защиты, восьмиканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и блока гальванической изоляции драйверов инвертора. Входы компаратора защиты подключены к выходам датчика входного тока и ЦАП, причем вход датчика входного тока подключен к комплекту транзисторного инвертора, который в свою очередь подключен к входам датчика напряжения в звене постоянного тока, выход которого подключен к входу блока гальванической развязки, выход которого подключен к первому входу восьмиканального АЦП, второй вход которого подключен к выходу термодатчика. Вход инкрементального интерфейса энкодера подключен к выходу инкрементального энкодера. Выход драйвера силовых ключей подключен к входу комплекта транзисторного инвертора, при этом драйвер силовых ключей подключен к блоку гальванической изоляции драйверов инвертора (RU 168344, МПК Н02М 7/00, опубл. 30.01.2017).
Недостатками известного устройства управления являются применение аппаратного ШИМ контроллера, не позволяющего корректировать и расширять структуру его внутренних управляющих регистров, а также использование коммуникационной шины обмена (SPI) для связи с аппаратным ШИМ контроллером. Учитывая особенности протокола обмена по шине, нет возможности расширить разрядность поля адреса, без существенно потери скорости обмена данными, и модификации аппаратных средств других устройств работающих на шине. Кроме этого, так как модуль SPI интерфейса в микроконтроллере является отдельным аппаратным периферийным устройством, то для реализации расширения поля адреса требуются дополнительные программные процедуры его формирования, что требует дополнительных затрат процессорного времени, увеличивая время реакции микропроцессорной системы на событие.
Технический результат заключается в расширении функциональности устройства управления за счет введения параллельного мультиплексного интерфейса  работающего в режиме точка-точка, позволяющего расширить количество внутренних адресуемых блоков, без потери быстродействия обмена на участке микроконтроллер–логический автомат, а также дополнительной нагрузки на вычислительные ресурсы микроконтроллера.
Технический результат достигается тем, что устройство управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем содержит комплект транзисторного инвертора, микроконтроллер, буферный дискретный каскад, два цифровых интерфейса, импульсный регулятор напряжения, блок опторазвязки, дискретные входы команд, трехпроводную внутреннюю информационную двунаправленную последовательную SPI с мультиплексированием, знакосинтезирующий OLED дисплей, ЦАП, аппаратный ШИМ контроллер вращения фаз, построенный на основе ПЛИС со структурой CPLD, линейный стабилизатор питания, компаратор защиты, восьмиканальный АЦП, блок гальванической изоляции драйверов инвертора, датчик напряжения в звене постоянного тока, блок гальванической развязки, термодатчик (именуемый в дальнейшем «термодатчик инвертора»), драйвер силовых ключей инвертора. Дополнительно введены комплект выпрямителя, силовой вход которого подключен к клеммам трехфазной питающей сети, а выход ко входу комплекта транзисторного инвертора, термодатчик выпрямителя, выход которого подключен ко входу восьмиканального АЦП, датчики входного напряжения, входы которого подключены к клеммам питающей сети, а выход подключен ко входу восьмиканального АЦП, датчики входного тока, входы которого подключены к клеммам питающей сети, а выход ко входу АЦП, датчик постоянного тока, вход которого подключен к выходу комплекта выпрямителя, а выход подключен ко входу восьмиканального АЦП, драйвер силовых ключей выпрямителя, вход которого подключен к выходу блока гальванической изоляции драйверов выпрямителя, а выходы подключены к информационным входам комплекта выпрямителя, датчик выходного тока, входы которого подключены к выходным клеммам комплекта транзисторного инвертора, а выход подключен ко входу восьмиканального АЦП, логический автомат на основе ПЛИС со структурой FPGA, используемый в качестве аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз на основе ПЛИС со структурой CPLD, блок гальванической изоляции драйверов выпрямителя, вход которого подключен к выходу логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к входу логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA, блок EEPROM памяти конфигурации, выход которого подключен ко входу логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA, преобразователь уровней RS485, вход которого подключен к внешнему интерфейсу синхронизации, а выход подключен двунаправленной шиной ко входу логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA.
На чертеже представлена структурная схема устройства управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем.
Устройство управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем содержит комплект выпрямителя 1, комплект транзисторного инвертора 2, драйвер силовых ключей выпрямителя 3, драйвер силовых ключей инвертора 4, группу датчиков, состоящую из датчиков входного тока 5, датчиков входного напряжения 6, термодатчика выпрямителя 7, датчика постоянного тока 8, датчика напряжения в звене постоянного тока 9, термодатчика инвертора 10, датчика выходного тока 11, блок гальванической развязки 12, знакосинтезирующий OLED дисплей 13, ЦАП 14, компаратор защиты 15, восьмиканальный АЦП 16, трехпроводную внутреннюю информационную двунаправленную последовательную шину обмена (SPI) с мультиплексированием 17, цифровой интерфейс RS485 18, микроконтроллер 19, параллельный интерфейс внешней памяти 20, логический автомат на основе ПЛИС со структурой FPGA 21, блок гальванической изоляции драйверов выпрямителя 22, цифровой интерфейс RS485 23, блок гальванической изоляции драйверов инвертора 24, дискретный вход команд 25, блок опторазвязки 26, блок EEPROM памяти 27, линейный стабилизатор 28, импульсный регулятор напряжения 29, буферный дискретный каскад 30, генератор тактовых импульсов 31, преобразователь уровней RS485 32 и внешний интерфейс синхронизации 33.
Силовой вход комплекта выпрямителя 1 подключен к трехфазной питающей сети переменного напряжения, а информационные входы подключены к выходу драйвера силовых ключей выпрямителя 3, вход которого подключен к выходу блока гальванической изоляции драйверов выпрямителя 22. Силовой вход комплекта транзисторного инвертора 2 подключен к выходу комплекта выпрямителя 1, а информационные входы подключены к выходу драйвера силовых ключей инвертора 4, вход которого подключен к выходу блока гальванической изоляции драйверов инвертора 24. Входы датчиков входного тока 5 подключены к трехфазной питающей сети, а выход подключен к первому входу компаратора защиты 15, входы датчиков входного напряжения 6 подключены к трехфазной питающей сети, а выход подключен к входу восьмиканального АЦП 16, выход термодатчика выпрямителя 7 подключен ко входу восьмиканального АЦП 16, вход датчика постоянного тока 8 подключен к выходу комплекта выпрямителя 1, а выход подключен ко входу восьмиканального аналого-цифрового преобразователя 16, входы датчика напряжения в звене постоянного тока 9 подключены к силовому выходу комплекта выпрямителя 1, а выход подключен ко входу блока гальванической развязки 12, выход которого, в свою очередь, подключен к выходу восьмиканального АЦП 16, выход термодатчика инвертора 10 подключен ко входу восьмиканального АЦП 16, входы датчика выходного тока 11 подключены к силовому выходу комплекта транзисторного инвертора 2, а выход подключен ко входу восьмиканального АЦП 16. Выход восьмиканального АЦП 16 подключен ко входу логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21. Вход знакосинтезирующего OLED дисплея 13 подключен через трехпроводную внутреннюю информационную двунаправленную последовательную шину обмена (SPI) с мультиплексированием 17 к микроконтроллеру 19. Также через эту шину 17 к микроконтроллеру 19 подключен вход АЦП 14, выход которого подключен ко второму входу компаратора защиты 15, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21. Входы микроконтроллера 19 соединены с выходом импульсного регулятора напряжения 29 и выходом блока опторазвязки 26, вход которого связан с выходом дискретных входов команд 25. Выходы микроконтроллера 19 соединены с входом буферного дискретного каскада 30 и с входами цифровых последовательных интерфейсов 18 и 23. Микроконтроллер 19 также соединен через параллельный интерфейс внешней памяти 20 с логическим автоматом на основе ПЛИС со структурой FPGA 21, входы которого соединены с выходами компаратора защиты 15, блока EEPROM памяти 27, генератора тактовых импульсов 31, линейного стабилизатора питания 28, преобразователя уровней RS485 32, блока гальванической изоляции драйверов выпрямителя 22 и блока гальванической изоляции драйверов инвертора 24. Вход преобразователя уровней RS485 32 подключен к выходу внешнего интерфейса синхронизации 33.
Устройство работает следующим образом. От внешнего источника питания поступает напряжение 12 В на линейный стабилизатор питания 28 и импульсный регулятор напряжения 29, которые формируют напряжения питания 3,3 В и 5 В для питания микроконтроллера 19 и логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21, соответственно. При поступлении питания на устройство управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем логический автомат на основе ПЛИС со структурой FPGA 21 осуществляет загрузку конфигурации логического автомата из блока EEPROM памяти конфигурации 27. Одновременно с началом конфигурирования логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21, микроконтроллер 19 запускает программу, хранящуюся во внутренней памяти, и посредством внутренней информационной двунаправленной последовательной шины обмена SPI с мультиплексированием 17, устанавливает значения опорного напряжения компаратора защиты 15 загрузкой константы в ЦАП 14. Далее микроконтроллер 19 по шине обмена 17 пересылает данные для отображения на знакосинтезирующий OLED дисплей 13. После чего инициализирует параллельный интерфейс внешней памяти 20 для связи с внутренними регистрами логического автомата на основе со структурой ПЛИС FPGA 21. По завершению процедуры инициализации всех аппаратных средств и модулей (знакосинтезирующего OLED дисплея 13, ЦАП 14) микроконтроллер 19 пересылает во внутреннюю память логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21 таблицу формы выходного сигнала, а также параметры фазовых сдвигов, амплитуды, частоты, диапазонов и углов регулирования и разрешает выдачу импульсов управления на комплект транзисторного инвертора 2 и комплект выпрямителя 1. Логический автомат на основе ПЛИС со структурой FPGA 21 на своем выходе формирует шесть каналов управления комплектом выпрямителя 1 и двенадцать каналов управления комплектом инвертора 2, промодулированных в соответствии с заданной таблицей состояний во внутренней памяти. Кроме этого осуществляется сбор данных посредством восьмиканального АЦП 16 о напряжении с датчиков входного напряжения 6, напряжения в звене постоянного тока 9, о температуре с термодатчика выпрямителя 7 в комплекте выпрямителя 1 и термодатчика инвертора 10. Для осуществления быстродействующей защиты от сверхтоков предусмотрен компаратор защиты 15, который сравнивает значение текущего тока потребления, формируемого датчиками входного тока 5, со значением опорного напряжения, формируемого ЦАП 14, и в случае превышения текущего тока потребления выставляет сигнал аварии, который поступает на логический автомат на основе ПЛИС со структурой FPGA 21, который, в свою очередь, прекращает выдачу импульсов управления. С целью осуществления связи устройства управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем с внешними устройствами предусмотрены последовательные цифровые интерфейсы RS485 18 и RS232 23, обслуживание которых осуществляет микроконтроллер 19. Через параллельный интерфейс внешней памяти 20 передаются команды на запуск и остановку автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21, а также осуществляется считывание текущего состояния его регистров. Контроль за работой устройства управления трехфазным выпрямительно-инверторным модулем может осуществляться через дискретные входы команд 25 или через цифровые интерфейсы RS485 18 и RS232 23, а выдача информации о текущем состоянии через буферный дискретный каскад 30, при этом программное обеспечение микроконтроллера 19 производит периодическое считывание состояния дискретных входов команд 25 и обновление информации на буферном дискретном каскаде 30. Для организации параллельной работы выпрямительно-инверторных модулей, предусмотрен внешний интерфейс синхронизации 33. Для согласования электрических уровней данного интерфейса с логическими уровнями логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21 используется преобразователь уровней RS485 32. Так как выходные уровни сигналов управления логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA 21 недостаточны для непосредственного управления силовыми ключами комплекта выпрямителя 1 и комплекта транзисторного инвертора 2, предусмотрен усилительный каскад в виде драйвера силовых ключей выпрямителя 3 и драйвера силовых ключей инвертора 4. Для препятствия проникновения помех со стороны внешних устройств контроля на внутренние информационные шины обмена 17 и 20, используют барьеры гальванической изоляции, в качестве которых применены блок опторазвязки 26, блок гальванической изоляции драйверов выпрямителя 22, блок гальванической изоляции драйверов инвертора 24 и блок гальванической развязки 12, что снижает вероятность сбоя в работе устройства управления.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет улучшить функциональные возможности, показатели производительности микропроцессора устройства управления, уменьшить загруженность внутренней шины при пересылке данных к регистрам за счет сокращения времени на формирование адреса приемника данных, повысить общую степень интеграции устройства управления и, как следствие, оставить неизменной площадь, занимаемую устройством управления на печатной плате за счет применения реконфигурируемого логического автомата на основе ПЛИС со структурой FPGA.