系列化船用推進變頻器調試工具設計

許曉暉，汪劍俠

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系列化船用推進變頻器調試工具設計

許曉暉，汪劍俠

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

本文描述了一款變頻器調試工具軟件的設計。首先描述了變頻器的開發和維護工作中需要調試工具的理由，然后描述了狀態監視，參數配置，波形捕捉，故障記錄，運行控制等幾個主要功能的設計，最后簡述了此調試工具在開發一款中壓系列化變頻器產品中的應用情況。

變頻器 調試工具

0 引言

近年來隨著變頻器在電氣傳動系統中廣泛應用，變頻器產業也進入了高速發展時期。變頻器作為一個高科技的電力電子設備，其研制、生產和現場維護往往伴隨著復雜的軟件修改和配置，所以需要一個高效、實用的調試工具，來輔助完成復雜的軟件調試工作，幫助設計維護人員優化工作方法，提高工作效率。

1 現狀

目前我們變頻器的研制和調試過程是使用開發軟件修改程序和參數配置，然后通過仿真器將程序燒寫到變頻器控制器中，再使用示波器觀察運行狀態和控制效果。但是控制器內部有狀態數據、采樣數據、控制參數、電機參數、控制算法、故障報警等幾大類上百個變量。變頻器運行過程中，除了參數配置外，其它的變量時刻處在動態變化的過程中，且動態變化的過程符合變頻器控制的規律。我們能從示波器等測量儀器上看到的只有電壓、電流、頻率等少數變量的波形，控制器內部的信號采樣是否正確，轉子磁場的觀測是否正確，調節器輸出是否正確等細節卻無法掌握。沒有掌握內部變量的數據，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，調試工作的效率和有效性都大打折扣。

現在國際主流的變頻器生產廠商都有功能強大的調試工具，如西門子的DriveMonitor工具，ABB的DriveWare工具，Vacon的NCDriver工具。這些軟件工具功能相似，主要包括監視變頻器的內部變量，配置運行參數，捕捉實時波形，以及進行故障診斷。高效的調試工具幫助這些國際知名廠商的變頻器產業不斷的發展壯大。我們的變頻器產業現在也處在高速發展時期，變頻器研制初期的調試工具已經不能滿足方便、準確、高效的要求，需要學習主流廠商的先進經驗，設計我們自己的調試工具。

2 調試工具設計

根據目前我們系列化變頻器需要的調試方法，此調試工具的功能包括四個部分：第一個是狀態變量監視與參數變量配置，第二個是變量波形捕捉與記錄，第三個是故障波形錄制，第四個是變頻器控制。除了變頻器的調試功能外，為了工具軟件的廣泛適用性，我們為不同的變頻器控制軟件設計了一個變量表，變量表可以用Excel軟件編輯，調試不同的變頻器時，只需要將對應的變量表載入到調試工具軟件中，然后使用標準的通訊協議進行調試工作。

軟件工具的操作界面如下圖1所示。調試工具與變頻器控制器通過以太網通訊，使用Modbus Tcp協議。系列化變頻器控制器的典型開關頻率是4 kHz，由于IGBT開關損耗和發熱等原因，通常不會超過8 kHz。這意味著使用典型開關頻率時，控制器內部采樣變量、計算變量和控制變量的值每250μs就會更新一次，觀察內部變量波形或者記錄故障波形時每個變量的每個值都需要被傳輸和記錄。

2.1狀態監視和參數配置功能

變量包括通用狀態、采樣數據、計算數據、控制輸出、故障報警、控制參數、電機參數等，每個的信息變量包括序號、變量名、當前值、單位、備注等。每個變頻器控制器對象對應一張變量表，變量表使用Excel文件編輯，然后可以直接導入到調試工具中或者保存在變頻器控制器中供調試工具讀取。調試工具通過變量表中每個變量對應的唯一內部地址對變頻器控制器中的變量進行讀取或賦值操作。

狀態監視如上圖1所示，此窗口分為左右兩欄，左邊為狀態或參數數據類別選擇欄，按樹形結構排列。右邊為狀態和參數的監視欄，以表格形式列出，表格的列包括序號、變量名、當前值、單位、備注等信息。在左邊選擇一類狀態或參數時，右邊只顯示這一類別中的所有變量。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根據調試工具從變頻器控制器中讀取的值實時更新。變頻器設計時，狀態變量都是緩變量，500 ms的刷新速率足夠反應其變化情況。參數配置功能的形式與狀態監視相同，調試工具的窗口分為左右兩欄，左邊是配置參數分類，右邊是每類參數的變量列表，配置參數時只要先根據分分類找到參數列表，然后在列表中找到對應變量，再直接操作修改參數的配置值。

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的是內部變量每個開關周期的過程值，是設計和調試人員分析控制算法和控制效果的有力工具。對軟件調試工具的要求是傳輸速率快，而且不能有漏掉數據或接收錯誤數據的情況反生，所以使用的是以太網傳輸，并配合具有校驗機制的Modbus Tcp協議。軟件調試工具可以通過軟件配置，選擇4個變量以波形的方式顯示和記錄。波形實時滾動顯示，并可以以圖像或文件的形式保存和打開。打開波形文件，可以對每個波形進行分析，并顯示與波形對應的數值信息。當調試工具與變頻器控制器連接后，控制器每間隔一個開關周期的時間將選定的4個變量的實時值打包后發送給調試工具軟件，根據典型的開關周期此間隔時間通常是250μs。調試工具軟件有四個坐標系，調試人員可以根據需要將任意變量分配到任意坐標系統中，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刻，調試人員可凍結波形，用于觀察和分析。對波形的分析不僅包括顯示某時刻變量值，移動，放大，縮小等常規操作，還包括FFT變換等高級操作。

2.3故障波形錄制功能

故障波形錄制是分析變頻器出現異常情況的原因時最有力的輔助工具，采樣變量和控制變量在故障點前后一段時間的值可以被完整記錄、顯示和分析，可以準確的知道故障發生時刻，各變量的值是否正常。調試軟件可以在變量表中選擇16個變量作為需要記錄的變量，并且故障波形的記錄點數和故障前后點數所占的百分比也可以配置，然后通過配置指令發送給變頻器控制器。故障發生后，可以通過故障波形讀取指令將16個故障波形數據全部讀取到調試工具軟件，調試工具軟件會將記錄的數據以波形的形式繪制在4個坐標系中。由調試人員設定，任意波形可以在任意坐標系中繪制。故障波形可以查看任意時刻的變量值，也可以進行放大、縮小、移動、存儲等操作，這樣既可以掌握變量在一段時間內的整體趨勢，也可以查看最細微的瞬時動態過程。

2.4變頻器控制功能

調試工具軟件可以通過其控制面板控制變頻器的運行，控制功能包括變頻器的待機、啟動、停機。控制方式可以選擇開環控制或閉環控制。閉環控制方法設定如轉速控制、功率控制、轉矩控制。轉速、功率、轉矩值的設定。控制指令的具體內容可以由用戶配置，或者可以導入配置文件。

3 調試工具應用

目前此調試工具軟件已經應用到我們中壓系列化變頻器項目的研制工作中。根據變頻器控制器的變量設計，我們為其編制了一個變量表文件，其中有變量的分類、變量的類型、變量的單位、變量的描述等信息，而且每一個變量都有唯一的變量地址。然后將此變量表文件載入到調試工具軟件中，在軟件中就顯示了如上圖1和下圖2這樣的變量分類和每個分類中的變量列表。上圖1展示了狀態變量監視功能，工具軟件與變頻器控制器通過以太網連接后，在軟件左邊的樹形結構中選擇狀態變量的任意分類，軟件的右邊就會以列表的形式顯示此分類中的每一個變量的信息，并且變量的值根據設定的刷新頻率實時更新。下圖2展示的是變頻器參數配置功能，同樣在軟件左邊的樹形結構中選擇需要配置的參數的分類，然后在右邊的詳細參數列表中可以根據需要修改參數值，以此種方式改變變頻器的運行特性。

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個內部變量，圖3是變頻器內部計算的基波同步電角度的波形，圖4是變頻器輸出側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，可以和示波器監測的輸出電流、電壓的諧波成分相比較，驗證控制算法的諧波控制情況。

4 結論

此款變頻器調試工具軟件，功能和性能的設計符合變頻器調試工作的需要，并且已經在我們中壓系列化變頻器的調試工作中得到應用，其中變量波形的捕捉功能和故障波形的記錄功能對研發和調試工作都起到了極大的輔助作用。后續還將加入控制軟件結構調整，軟件功能配置，控制器軟件更新等高級功能，使此調試工具更加有效和實用。

[1] 西門子．DriveMonitor調試軟件使用說明．http://www.ad.siemens.com.cn, 2006.

[2] 西門子公司．Starter使用說明．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。