一种变频器并联控制系统及其容错控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机及电气控制技术领域，具体地说，本发明涉及一种变频器并联控制系统及其容错控制方法。
【背景技术】
[0002]变频器(Variable-frequency Drive,VFD)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动机的电力驱动设备，它广泛应用于冶金、石油、化工、纺织、电力、建材、煤炭等各个领域。
[0003]随着工业的发展，单个变频器功率不足的问题越来越突出，如果将多台变频器并联，则可以有效地提高电机驱动能力。而要使多台并联的变频器同步运行，需要有统一的控制系统。
[0004]图1示出了现有技术中的一种用变频器并联结构驱动电机的示意图，变频器并联结构中，每个变频器2连接一个对应的电阻R形成一条支路，然后再将各个支路并联，以驱动电机M工作，这种并联结构能够实现大功率的电机驱动。其中，每个变频器2均连接一控制器I。这些控制器I需要用通信线缆(例如电缆或光纤)互相连接以构成变频器并联控制系统。图2示出了现有技术中一种典型的变频器并联控制系统的结构。图中每个方框表示一个控制器，为便于描述，用方框中的数字代表控制器的级数。选择其中第I级控制器作为主控制器，其余的第2?η级控制器均作为从控制器。主控制器和从控制器均具有一个信号输出口和一个信号输入口，图中用三角形代表信号输入、输出口。主控制器的信号输出口通过通信线缆与一个从控制器的信号输入口连接，该从控制器的信号输出口再通过通信线缆与下一级从控制器的信号输入口连接，如此反复，直到连接到最后一级从控制器，即第η级控制器，最后一级从控制器的信号输出口再通过通信线缆连接主控制器的信号输入口。这样就形成了一条信号传递回路，由主控制器发出的信号能够通过该信号传递回路传递给每一级从控制器，并返回该主控制器的信号输入口，从而实现对并联结构中的所有变频器的统一控制。这种设备间连接方案不需要主控制器与每个从控制器分别连接通信线缆，一方面使主控制器也不需要设计过多的输入、输出接口，另一方面，能够减少通信线缆的数目，缩短通信线缆的长度，便于布线且节省线缆成本。
[0005]然而，图2的控制系统容错能力相对较低，任何一台变频器或控制器故障，或者任何一段通信线缆断路，都会造成整个控制系统失效。更进一步地，变频器并联结构往往要求极高的同步精度，因此，既要具有冗余容错能力，又要保证极高的同步精度是当前变频器并联控制技术的一大难题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种能够克服上述技术问题的解决方案。
[0007]本发明提供了一种变频器并联控制系统，包括至少三个控制器，所述至少三个控制器中的每个控制器都用于控制变频器并联结构中的一台对应的变频器；所述每个控制器均包括:一第一输入接口，一第一输出接口，一第二输入接口，一第二输出接口，以及一线路切换单元，所述线路切换单元用于控制所述第一输出接口在三个连接状态间切换，所述第一输出接口的三个连接状态为:连接本地的所述第一输入接口的状态，连接本地的所述第二输入接口的状态，以及与本地的第一输入接口和第二输入接口均断开的状态，所述线路切换单元还用于控制所述第二输出接口在三个连接状态间切换，所述第二输出接口的三个连接状态为:连接本地的所述第一输入接口的状态，连接本地的所述第二输入接口的状态，以及与本地的第一输入接口和第二输入接口均断开的状态；
[0008]所述至少三个控制器按下述方式连接:将所述至少三个控制器依次记为第I级控制器，第2级控制器，……，第η级控制器，η是至少为3的整数，其中，第i级控制器的第一输出接口连接第i+Ι级控制器的第一输入接口，第i+Ι级控制器的第二输出接口连接第i级控制器的第二输入接口，i为整数且I ( i彡n-1，第η级控制器的第一输出接口连接第I级控制器的第一输入接口，第I级控制器的第二输出接口连接第η级控制器的第二输入接口。
[0009]其中，所述每个控制器均进一步包括:一计时器，用于为本地提供时钟信息；至少一个捕捉单元，所述至少一个捕捉单元与本地的所述第一输入接口和所述第二输入接口中的至少一个连接，用于捕捉从外部输入本地的数据的高、低电平变化时刻并记录最后一次变化时刻的时钟读数；以及一时钟校准单元；所述第I级控制器在每发出一组状态数据后，接着发出第I级控制器的捕捉单元当前所记录的所述时钟读数，对于第2至η级控制器中的每一个控制器，所述时钟校准单元用于根据本地与第I级控制器的级数差，对本地当前所记录的所述时钟读数进行延时补偿，并将延时补偿后的本地的时钟读书与接收到的第I级控制器的时钟读书进行比较，再基于比较结果调快或调慢本地的计时器，其中，2 < k < η。
[0010]本发明还提供了基于上述变频器并联控制系统的容错控制方法，包括下列步骤:
[0011]I)将所述第I级控制器作为主控制器，将所述主控制器的第一输出接口置于与本地的第一输入接口和第二输入接口均断开的状态，将除所述第I级控制器外的其余控制器作为从控制器，将每个从控制器的第一输出接口置于连接本地的所述第一输入接口的状态；所述主控制器通过其第一输出接口发出状态数据，并且主控制器和每个从控制器均通过各自的第一输入接口接收所述状态数据，并向所对应的变频器输出相应的驱动波形；
[0012]2)如果所述主控制器的第一输入接口无法接收到从所述主控制器发出的数据，则将所述主控制器的第二输出接口置于与本地的第一输入接口和第二输入接口均断开的状态，将每个从控制器的第二输出接口置于连接本地的所述第二输入接口的状态；所述主控制器通过其第二输出接口发出状态数据，并且主控制器和每个从控制器均通过各自的第二输入接口接收所述数据，并向所对应的变频器输出相应的驱动波形。
[0013]其中，所述步骤2)中，如果所述主控制器的第二输入接口无法接收到从所述主控制器的第二输出接口发出的数据，则执行步骤3)；
[0014]3)检测故障位置，对于位于故障位置前且离故障位置最近的控制器，将其第二输出接口置于连接本地的所述第一输入接口的状态，对于位于故障位置后且离故障位置最近的控制器，将其第一输出接口置于连接本地的所述第二输入接口的状态，并且，对于主控制器，将其第二输出接口置于连接本地的所述第二输入接口的状态；所述主控制器通过其第一输出接口发出状态数据，并且主控制器和每个从控制器均通过各自的第一输入接口接收所述状态数据，并向所对应的变频器输出相应的驱动波形。
[0015]其中，所述变频器并联控制系统中，所述每个控制器均进一步包括:一计时器，用于为本地提供时钟信息；以及至少一个捕捉单元，所述至少一个捕捉单元与本地的所述第一输入接口和所述第二输入接口中的至少一个连接，用于捕捉从外部输入本地的数据的高、低电平变化时刻并记录最后一次变化时刻的时钟读数；
[0016]所述容错控制方法中，所述步骤1)、2)、3)中，所述主控制器在每发出一组状态数据后，接着发出主控制器的捕捉单元当前所记录的所述时钟读数，所述每个从控制器均根据本地与所述主控制器的级数，对本地当前所记录的所述时钟读数进行延时补偿，并将延时补偿后的本地的时钟读书与接收到的主控制器的时钟读书进行比较，再基于比较结果调快或调慢本地的计时器。
[0017]其中，所述步骤I)中，对于第k级控制器，延时补偿是将本地当前所记录的所述时钟读数加上(n+1-k)倍的基本延时补偿量，其中，2 < k^n,所述基本延时补偿量是信号通过一个控制器一次时的平均传输时延量。
[0018]其中，所述步骤2)中，对于第k级控制器，延时补偿是将本地当前所记录的所述时钟读数加上(k-Ι)倍的基本延时补偿量，其中，2 < k^n,所述基本延时补偿量是信号通过一个控制器一次时的平均传输时延量。
[0019]其中，所述步骤3)中，所述检测故障位置包括:
[0020]31)利用主控制器的第一输出接口发送测试数据，并利用主控制器的第二输入接口侦听所述第一输出接口发送的测试数据，正向逐级检测主控制器到各级从控制器的环路，直至发现故障；
[0021]32)利用主控制器的第二输出接口发送测试数据，并利用主控制器的第一输入接口侦听所述第二输出接口发送的测试数据，反向逐级检测主控制器到各级从控制器的环路，直至发现故障；
[0022]33)如果主控制器的第一输入接口在逐级测试到第m级控制器时接收不到测试数据，第二输入接口在逐级测试到第(m-1)级控制器时接收不到测试数据，那么判断第(m-1)级控制器与第m级控制器之间的光纤故障；如果主控制器的第一输入接口在逐级测试到第m级控制器接收不到测试数据，第二输入接口也在逐级测试到第m级控制器接收不到测试数据，那么判断第m级控制器故障，2^m^n0
[0023]其中，所述步骤3)中，假设第(m-Ι)级控制器与第m级控制器之间的光纤故障，那么对于第k级控制器，如果2彡k彡m-Ι，则延时补偿是将本地当前所记录的所述时钟读数加上(2n-k-l)倍的基本延时补偿量，如果m彡k彡η,则延时补偿是将本地当前所记录的所述时钟读数加上(η-k+l)倍的基本延时补偿量；
[0024]假设第m级控制器故障，那么对于第k级控制器，如果2彡k彡m-Ι，则延时补偿是将本地当前所记录的所述时钟读数加上(2n-k-3)倍的基本延时