許曉暉，汪劍俠

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系列化船用推進(jìn)變頻器調(diào)試工具設(shè)計(jì)

許曉暉，汪劍俠

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

本文描述了一款變頻器調(diào)試工具軟件的設(shè)計(jì)。首先描述了變頻器的開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作中需要調(diào)試工具的理由，然后描述了狀態(tài)監(jiān)視，參數(shù)配置，波形捕捉，故障記錄，運(yùn)行控制等幾個(gè)主要功能的設(shè)計(jì)，最后簡(jiǎn)述了此調(diào)試工具在開(kāi)發(fā)一款中壓系列化變頻器產(chǎn)品中的應(yīng)用情況。

變頻器 調(diào)試工具

0 引言

近年來(lái)隨著變頻器在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，變頻器產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。變頻器作為一個(gè)高科技的電力電子設(shè)備，其研制、生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)往往伴隨著復(fù)雜的軟件修改和配置，所以需要一個(gè)高效、實(shí)用的調(diào)試工具，來(lái)輔助完成復(fù)雜的軟件調(diào)試工作，幫助設(shè)計(jì)維護(hù)人員優(yōu)化工作方法，提高工作效率。

1 現(xiàn)狀

目前我們變頻器的研制和調(diào)試過(guò)程是使用開(kāi)發(fā)軟件修改程序和參數(shù)配置，然后通過(guò)仿真器將程序燒寫(xiě)到變頻器控制器中，再使用示波器觀察運(yùn)行狀態(tài)和控制效果。但是控制器內(nèi)部有狀態(tài)數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)、控制參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、控制算法、故障報(bào)警等幾大類(lèi)上百個(gè)變量。變頻器運(yùn)行過(guò)程中，除了參數(shù)配置外，其它的變量時(shí)刻處在動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中，且動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程符合變頻器控制的規(guī)律。我們能從示波器等測(cè)量?jī)x器上看到的只有電壓、電流、頻率等少數(shù)變量的波形，控制器內(nèi)部的信號(hào)采樣是否正確，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的觀測(cè)是否正確，調(diào)節(jié)器輸出是否正確等細(xì)節(jié)卻無(wú)法掌握。沒(méi)有掌握內(nèi)部變量的數(shù)據(jù)，不利于變頻器控制算法的研究，也不利于變頻器異常情況的分析，調(diào)試工作的效率和有效性都大打折扣。

現(xiàn)在國(guó)際主流的變頻器生產(chǎn)廠商都有功能強(qiáng)大的調(diào)試工具，如西門(mén)子的DriveMonitor工具，ABB的DriveWare工具，Vacon的NCDriver工具。這些軟件工具功能相似，主要包括監(jiān)視變頻器的內(nèi)部變量，配置運(yùn)行參數(shù)，捕捉實(shí)時(shí)波形，以及進(jìn)行故障診斷。高效的調(diào)試工具幫助這些國(guó)際知名廠商的變頻器產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)展壯大。我們的變頻器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在也處在高速發(fā)展時(shí)期，變頻器研制初期的調(diào)試工具已經(jīng)不能滿(mǎn)足方便、準(zhǔn)確、高效的要求，需要學(xué)習(xí)主流廠商的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)我們自己的調(diào)試工具。

2 調(diào)試工具設(shè)計(jì)

根據(jù)目前我們系列化變頻器需要的調(diào)試方法，此調(diào)試工具的功能包括四個(gè)部分：第一個(gè)是狀態(tài)變量監(jiān)視與參數(shù)變量配置，第二個(gè)是變量波形捕捉與記錄，第三個(gè)是故障波形錄制，第四個(gè)是變頻器控制。除了變頻器的調(diào)試功能外，為了工具軟件的廣泛適用性，我們?yōu)椴煌淖冾l器控制軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)變量表，變量表可以用Excel軟件編輯，調(diào)試不同的變頻器時(shí)，只需要將對(duì)應(yīng)的變量表載入到調(diào)試工具軟件中，然后使用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議進(jìn)行調(diào)試工作。

軟件工具的操作界面如下圖1所示。調(diào)試工具與變頻器控制器通過(guò)以太網(wǎng)通訊，使用Modbus Tcp協(xié)議。系列化變頻器控制器的典型開(kāi)關(guān)頻率是4 kHz，由于IGBT開(kāi)關(guān)損耗和發(fā)熱等原因，通常不會(huì)超過(guò)8 kHz。這意味著使用典型開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，控制器內(nèi)部采樣變量、計(jì)算變量和控制變量的值每250μs就會(huì)更新一次，觀察內(nèi)部變量波形或者記錄故障波形時(shí)每個(gè)變量的每個(gè)值都需要被傳輸和記錄。

2.1狀態(tài)監(jiān)視和參數(shù)配置功能

變量包括通用狀態(tài)、采樣數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、控制輸出、故障報(bào)警、控制參數(shù)、電機(jī)參數(shù)等，每個(gè)的信息變量包括序號(hào)、變量名、當(dāng)前值、單位、備注等。每個(gè)變頻器控制器對(duì)象對(duì)應(yīng)一張變量表，變量表使用Excel文件編輯，然后可以直接導(dǎo)入到調(diào)試工具中或者保存在變頻器控制器中供調(diào)試工具讀取。調(diào)試工具通過(guò)變量表中每個(gè)變量對(duì)應(yīng)的唯一內(nèi)部地址對(duì)變頻器控制器中的變量進(jìn)行讀取或賦值操作。

狀態(tài)監(jiān)視如上圖1所示，此窗口分為左右兩欄，左邊為狀態(tài)或參數(shù)數(shù)據(jù)類(lèi)別選擇欄，按樹(shù)形結(jié)構(gòu)排列。右邊為狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)視欄，以表格形式列出，表格的列包括序號(hào)、變量名、當(dāng)前值、單位、備注等信息。在左邊選擇一類(lèi)狀態(tài)或參數(shù)時(shí)，右邊只顯示這一類(lèi)別中的所有變量。與變頻器控制器連接后200~500 ms(可配置)刷新一次，右邊列表中的變量值會(huì)根據(jù)調(diào)試工具從變頻器控制器中讀取的值實(shí)時(shí)更新。變頻器設(shè)計(jì)時(shí)，狀態(tài)變量都是緩變量，500 ms的刷新速率足夠反應(yīng)其變化情況。參數(shù)配置功能的形式與狀態(tài)監(jiān)視相同，調(diào)試工具的窗口分為左右兩欄，左邊是配置參數(shù)分類(lèi)，右邊是每類(lèi)參數(shù)的變量列表，配置參數(shù)時(shí)只要先根據(jù)分分類(lèi)找到參數(shù)列表，然后在列表中找到對(duì)應(yīng)變量，再直接操作修改參數(shù)的配置值。

2.2變量波形的捕捉和記錄功能

波形捕捉和記錄功能針對(duì)的是內(nèi)部變量每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的過(guò)程值，是設(shè)計(jì)和調(diào)試人員分析控制算法和控制效果的有力工具。對(duì)軟件調(diào)試工具的要求是傳輸速率快，而且不能有漏掉數(shù)據(jù)或接收錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的情況反生，所以使用的是以太網(wǎng)傳輸，并配合具有校驗(yàn)機(jī)制的Modbus Tcp協(xié)議。軟件調(diào)試工具可以通過(guò)軟件配置，選擇4個(gè)變量以波形的方式顯示和記錄。波形實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示，并可以以圖像或文件的形式保存和打開(kāi)。打開(kāi)波形文件，可以對(duì)每個(gè)波形進(jìn)行分析，并顯示與波形對(duì)應(yīng)的數(shù)值信息。當(dāng)調(diào)試工具與變頻器控制器連接后，控制器每間隔一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間將選定的4個(gè)變量的實(shí)時(shí)值打包后發(fā)送給調(diào)試工具軟件，根據(jù)典型的開(kāi)關(guān)周期此間隔時(shí)間通常是250μs。調(diào)試工具軟件有四個(gè)坐標(biāo)系，調(diào)試人員可以根據(jù)需要將任意變量分配到任意坐標(biāo)系統(tǒng)中，然后軟件工具將變量值繪制成波顯示并記錄。在顯示波形的任意時(shí)刻，調(diào)試人員可凍結(jié)波形，用于觀察和分析。對(duì)波形的分析不僅包括顯示某時(shí)刻變量值，移動(dòng)，放大，縮小等常規(guī)操作，還包括FFT變換等高級(jí)操作。

2.3故障波形錄制功能

故障波形錄制是分析變頻器出現(xiàn)異常情況的原因時(shí)最有力的輔助工具，采樣變量和控制變量在故障點(diǎn)前后一段時(shí)間的值可以被完整記錄、顯示和分析，可以準(zhǔn)確的知道故障發(fā)生時(shí)刻，各變量的值是否正常。調(diào)試軟件可以在變量表中選擇16個(gè)變量作為需要記錄的變量，并且故障波形的記錄點(diǎn)數(shù)和故障前后點(diǎn)數(shù)所占的百分比也可以配置，然后通過(guò)配置指令發(fā)送給變頻器控制器。故障發(fā)生后，可以通過(guò)故障波形讀取指令將16個(gè)故障波形數(shù)據(jù)全部讀取到調(diào)試工具軟件，調(diào)試工具軟件會(huì)將記錄的數(shù)據(jù)以波形的形式繪制在4個(gè)坐標(biāo)系中。由調(diào)試人員設(shè)定，任意波形可以在任意坐標(biāo)系中繪制。故障波形可以查看任意時(shí)刻的變量值，也可以進(jìn)行放大、縮小、移動(dòng)、存儲(chǔ)等操作，這樣既可以掌握變量在一段時(shí)間內(nèi)的整體趨勢(shì)，也可以查看最細(xì)微的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

2.4變頻器控制功能

調(diào)試工具軟件可以通過(guò)其控制面板控制變頻器的運(yùn)行，控制功能包括變頻器的待機(jī)、啟動(dòng)、停機(jī)?？刂品绞娇梢赃x擇開(kāi)環(huán)控制或閉環(huán)控制。閉環(huán)控制方法設(shè)定如轉(zhuǎn)速控制、功率控制、轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩值的設(shè)定?？刂浦噶畹木唧w內(nèi)容可以由用戶(hù)配置，或者可以導(dǎo)入配置文件。

3 調(diào)試工具應(yīng)用

目前此調(diào)試工具軟件已經(jīng)應(yīng)用到我們中壓系列化變頻器項(xiàng)目的研制工作中。根據(jù)變頻器控制器的變量設(shè)計(jì)，我們?yōu)槠渚幹屏艘粋€(gè)變量表文件，其中有變量的分類(lèi)、變量的類(lèi)型、變量的單位、變量的描述等信息，而且每一個(gè)變量都有唯一的變量地址。然后將此變量表文件載入到調(diào)試工具軟件中，在軟件中就顯示了如上圖1和下圖2這樣的變量分類(lèi)和每個(gè)分類(lèi)中的變量列表。上圖1展示了狀態(tài)變量監(jiān)視功能，工具軟件與變頻器控制器通過(guò)以太網(wǎng)連接后，在軟件左邊的樹(shù)形結(jié)構(gòu)中選擇狀態(tài)變量的任意分類(lèi)，軟件的右邊就會(huì)以列表的形式顯示此分類(lèi)中的每一個(gè)變量的信息，并且變量的值根據(jù)設(shè)定的刷新頻率實(shí)時(shí)更新。下圖2展示的是變頻器參數(shù)配置功能，同樣在軟件左邊的樹(shù)形結(jié)構(gòu)中選擇需要配置的參數(shù)的分類(lèi)，然后在右邊的詳細(xì)參數(shù)列表中可以根據(jù)需要修改參數(shù)值，以此種方式改變變頻器的運(yùn)行特性。

圖3和圖4展示的是變量波形捕捉功能，在軟件的左邊可以在變頻器變量表中任意選擇4個(gè)內(nèi)部變量，圖3是變頻器內(nèi)部計(jì)算的基波同步電角度的波形，圖4是變頻器輸出側(cè)alpha軸和beta軸的電壓波形。

下圖5展示的是波形分析的FFT功能，此功能可以分析變量波形的諧波成分，可以和示波器監(jiān)測(cè)的輸出電流、電壓的諧波成分相比較，驗(yàn)證控制算法的諧波控制情況。

4 結(jié)論

此款變頻器調(diào)試工具軟件，功能和性能的設(shè)計(jì)符合變頻器調(diào)試工作的需要，并且已經(jīng)在我們中壓系列化變頻器的調(diào)試工作中得到應(yīng)用，其中變量波形的捕捉功能和故障波形的記錄功能對(duì)研發(fā)和調(diào)試工作都起到了極大的輔助作用。后續(xù)還將加入控制軟件結(jié)構(gòu)調(diào)整，軟件功能配置，控制器軟件更新等高級(jí)功能，使此調(diào)試工具更加有效和實(shí)用。

[1] 西門(mén)子．DriveMonitor調(diào)試軟件使用說(shuō)明．http://www.ad.siemens.com.cn, 2006.

[2] 西門(mén)子公司．Starter使用說(shuō)明．http://www.ad.siemens.com.cn,2006.

[3] Peter Chipkin．Modbus For Field Technicians．CreateSpace Independent Publishing Platform, 2011.

Design of an Assist Tool for Development and Maintenance of Inverters

Xu Xiaohui, Wang Jianxia

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This article presents the design of an assist software tool, which is used in the work of inverter development and maintenance, and analyzes the benefits of using this software tool, and its functions and performances. At the end it shows the applications of the tool to the development of the inverter.

inverter; assist tool

TM461

A

1003-4862（2015）03-0026-04

2015-01-08

許曉暉(1981-),男，工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。