УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к классу устройств преобразовательной техники, в частности к преобразователям постоянного тока в переменный, и может быть использована при создании систем бесперебойного питания частотного управления электродвигателями.
Известно устройство для цифрового управления трехфазным автономным инвертором с помощью векторной ШИМ, при которой формируются коэффициенты модуляции, а также цифровые задающие коэффициенты фазных разверток ШИМ на интервалах включенного состояния верхних ключей пассивных фаз и задающие коэффициенты фазных разверток ШИМ на интервалах включенного состояния нижних ключей пассивных фаз, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), схему, обеспечивающую управляющие сигналы для ключей трехфазного инвертора, цифровой генератор пилообразной развертки (ЦГПР), последовательно соединенные высокочастотный (ВЧ) и низкочастотный (НЧ) регистры сдвига, распределитель импульсов, два логических устройства, компаратор и логические схемы, формирующие управляющие сигналы, а также блок управления. АЦП выполнен с возможностью преобразования напряжения ошибки в m-разрядный цифровой код управления выходными линейными напряжениями инвертора, компаратор выполнен в виде 2n цифровых схем сравнения (RU 117747, МПК Н02М 7/00, опубл. 27.06.2012).
Недостатком известного решения является отсутствие интерфейсов сопряжения с внешними управляющими устройствами и жестко заданными логическими таблицами переходов в режимах векторной ШИМ модуляции, что не позволяет изменять параметры модуляции в процессе работы, приводя к ограничению функциональности устройства управления трехфазным автономным инвертором.
Наиболее близким по техническому решению является устройство цифрового формирования трехфазных сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для управления изменением скорости индукционного двигателя, содержащее аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), аналоговый фильтр, микроконтроллер, память программ, шину адреса, шину данных, системный таймер, дешифратор адресов, два 16 разрядных ШИМ таймера, драйвер ШИМ сигналов (драйвер силовых ключей), регистр-защелку сигналов управления, регистр защелку сигналов индикации, дисплей режимов, цифровые выходы (буферный дискретный каскад), дискретные входы команд (US 4599550, МПК Н02Р 5/40, 318/811, опубл. 08.07.1986).
Недостатками известного устройства управления являются использование общей параллельной шины для всех составляющих компонентов, из-за чего микроконтроллер осуществляет постоянную выборку команд из памяти программ, а также пересылает данные о текущем состоянии выходов устройства управления инвертором по шине в регистры таймеров ШИМ, ограничения частотного диапазона выходных сигналов управления из-за снижения общего быстродействия устройства управления, а также отсутствие цепи аварийной быстродействующей защиты управляемого инвертора.
Технический результат заключается в повышении показателей быстродействия устройства управления и его надежности за счет использования барьеров гальванической изоляции (блока опторазвязки, блока гальванической развязки и блока гальванической изоляции драйверов инвертора) и быстродействующей защиты инвертора (компаратора защиты), в сокращении количества проводников внутренней информационной шины обмена и ее загруженности при пересылке данных за счет последовательной передачи битов информации и, как следствие, упрощения трассировки печатной платы устройства управления, в повышении общей степени интеграции устройства управления и, как следствие, уменьшения площади, занимаемой устройством управления на печатной плате за счет применения аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз в сочетании с микроконтроллером.
Технический результат достигается тем, что устройство управления трехфазным автономным инвертором напряжения содержит 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 и аппаратному ШИМ контроллеру вращения фаз. Входы аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз подключены к выходам линейного стабилизатора питания, импульсного интерфейса энкодера, компаратора защиты, восьмиканального аналого-цифрового преобразователя и блока гальванической изоляции драйверов инвертора. Входы компаратора защиты подключены к выходам датчика входного тока и цифро-аналогового преобразователя, 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 аналого-цифрового преобразователя, 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.
На чертеже представлена структурная схема устройства управления трехфазным автономным инвертором напряжения.
Устройство управления трехфазным автономным инвертором напряжения содержит микроконтроллер 1, выходы которого соединены с входом буферного дискретного каскада 2 и с входами цифровых последовательных интерфейсов 3 и 4. Входы микроконтроллера соединены с выходом импульсного регулятора напряжения 5 и выходом блока опторазвязки 6, вход которого связан с дискретными входами команд 7. Микроконтроллер 1 подключен через трехпроводную внутреннюю информационную двунаправленную последовательную шину обмена 8 (SPI) с мультиплексированием к знакосинтезирующему дисплею 9, цифро-аналоговому преобразователю 10 и аппаратному ШИМ контроллеру вращения фаз 11, построенному на основе микросхемы программируемой логики, что позволяет разгрузить микроконтроллер 1 и освободить внутреннюю информационную шину обмена 8. Входы аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз 11 подключены к выходам линейного стабилизатора питания 12, инкрементального интерфейса энкодера 13, компаратора защиты 14, восьмиканального аналого-цифрового преобразователя 15 и блока гальванической изоляции драйверов инвертора 16. Входы компаратора защиты 14 подключены к выходам датчика входного тока 17 и цифро-аналогового преобразователя 10. Вход датчика входного тока 17 подключен к комплекту транзисторного инвертора 18, который в свою очередь подключен к входам датчика напряжения в звене постоянного тока 19, выход которого подключен к входу блока гальванической развязки 20, выход которого подключен к первому входу восьмиканального аналого-цифрового преобразователя 15, второй вход которого подключен к выходу термодатчика 21. Вход инкрементального интерфейса энкодера 13 подключен к выходу инкрементального энкодера 22. Выход драйвера силовых ключей 23 подключен к входу комплекта транзисторного инвертора 18, при этом драйвер силовых ключей 23 подключен к блоку гальванической изоляции драйверов инвертора 16.
Устройство работает следующим образом. От внешнего источника питания поступает напряжение 12 В на линейный стабилизатор питания 12 и импульсный регулятор напряжения 5, которые формируют напряжения питания 3,3 В и 5 В соответственно для питания микроконтроллера 1 и аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз 11. При поступлении питания на микроконтроллер 1 он запускает программу, хранящуюся во внутренней памяти, и посредством внутренней информационной шины обмена 8 инициализирует аппаратный ШИМ контроллер вращения фаз 11, а также значение опорного напряжения компаратора защиты 14 загрузкой константы в ЦАП 10. После этого микроконтроллер 1 по шине обмена 8 пересылает данные для отображения на знакосинтезирующий дисплей 9. После процедуры инициализации всех периферийных модулей (знакосинтезирующего дисплея 9, ЦАП 10 и аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз 11) микроконтроллер 1 пересылает во внутреннюю память аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз 11 таблицу формы выходного сигнала, а также параметры фазовых сдвигов, амплитуды, частоты и разрешает выдачу импульсов управления на комплект транзисторного инвертора 18. Аппаратный ШИМ контроллер вращения фаз 11 на своем выходе формирует шесть каналов управления, модулированных в соответствии с заданной таблицей и осуществляет сбор данных посредством АЦП 15 о напряжении с датчика напряжения в звене постоянного тока 19 и о температуре с термодатчика 21. Для осуществления быстродействующей защиты от сверхтоков предусмотрен компаратор защиты 14, который сравнивает значение текущего тока потребления, формируемого датчиком входного тока 17, со значением опорного напряжения, формируемого ЦАП 10, и в случае превышения текущего тока потребления выставляет сигнал аварии (ALR), который поступает на аппаратный ШИМ контроллер вращения фаз 11, который в свою очередь прекращает выдачу импульсов управления. С целью осуществления связи устройства управления с внешними устройствами предусмотрены последовательные цифровые интерфейсы 3 и 4, обслуживание которых осуществляет микроконтроллер 1. Через шину обмена SPI 8 передаются команды на запуск и остановку устройства управления, а также считывание текущего состояния. Контроль работы устройства управления может осуществляться через дискретные входы команд 7 или через цифровые интерфейсы 3 и 4, а выдача информации о текущем состоянии через буферный дискретный каскад 2, при этом программное обеспечение микроконтроллера 1 производит периодическое считывание состояния дискретных входов команд 7 и обновление информации на буферном дискретном каскаде 2. Для обратной связи с конечным объектом управления предусмотрен инкрементальный интерфейс энкодера 13, обслуживаемый аппаратным ШИМ контроллером вращения фаз 11. Так как выходные уровни сигналов управления аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз 11 недостаточны для непосредственного управления транзисторами комплекта транзисторного инвертора 18, предусмотрен усилительный каскад в виде драйвера силовых ключей 23. Для препятствия проникновения помех со стороны внешних устройств контроля на внутреннюю информационную шину обмена 8 используют барьеры гальванической изоляции: блок опторазвязки 6, блок гальванической развязки 20 и блок гальванической изоляции драйверов инвертора 16, что снижает вероятность сбоя в работе устройства управления.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить показатели быстродействия устройства управления и его надежность за счет использования барьеров гальванической изоляции и быстродействующей защиты инвертора, сократить количество проводников внутренней информационной шины обмена и ее загруженность при пересылке данных за счет последующей передачи битов информации и, как следствие, упростить трассировку печатной платы устройства управления, повысить общую степень интеграции устройства управления и, как следствие, уменьшить площадь, занимаемую устройством управления на печатной плате за счет применения аппаратного ШИМ контроллера вращения фаз в сочетании с микроконтроллером.