基于DSP+CPLD的交流電機(jī)調(diào)速在水處理控制中的應(yīng)用

1 引言

生化反應(yīng)池在水處理過(guò)程中非常重要。需要通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制反應(yīng)池中的DO值。理論上應(yīng)該通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上卻是利用擋板閥門(mén)后者放空的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方法極大地浪費(fèi)了電力資源。以美國(guó)TI公司推出的TMS320LF2407為代表的面向電機(jī)控制的高性能數(shù)字信號(hào)處理可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確控制，大大提高了交流電機(jī)的性能，能夠設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)。同時(shí)，可編程邏輯器件特別是高密度可編程邏輯器件CPLD的出現(xiàn)，使得外圍邏輯電路大大簡(jiǎn)化，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。本文以TMS320LF2407為控制核心，輔以可編程器件及外圍電路，設(shè)計(jì)異步交流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 變頻方式的選擇

系統(tǒng)采用磁場(chǎng)定向矢量控制的方法對(duì)電機(jī)變頻，又稱(chēng)FOC控制。其實(shí)質(zhì)是將異步交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)，將三相坐標(biāo)系下的定子交流電流通過(guò)3／2變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流，再通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和電樞電流，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)解耦控制，矢量控制可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即使低速亦能運(yùn)行，調(diào)速范圍廣；可以對(duì)轉(zhuǎn)局實(shí)行精確控制；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？欤浑妱?dòng)機(jī)的加速特性很好。FOC控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。



2.2 控制方案

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由DSP基本模塊、CPLD換相模塊、位置傳感器模塊、電流檢測(cè)裝置、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤(pán)及顯示電路組成。



3 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 DSP主控模塊

電機(jī)控制專(zhuān)用定點(diǎn)器件TMS320LF2407的特點(diǎn)是：采用雙總線(xiàn)的哈佛結(jié)構(gòu)；四級(jí)流水操作；專(zhuān)用的硬件乘法器；內(nèi)部32 KB的Flash程序存儲(chǔ)器、高達(dá)1.5 KB的數(shù)據(jù)／程序RAM、544 KB雙口RAM和2KB單口RAM。兩個(gè)時(shí)間管理器模塊EVA和EVB，均包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器和8個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)波形；當(dāng)外部引腳PDPINTx為低電平時(shí)，快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制可防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；3個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼接口電路；16通道A／D轉(zhuǎn)換器。這些資源為電機(jī)控制提供了極大便利。

本系統(tǒng)DSP主要用來(lái)生成PWM波，DSP通過(guò)速度環(huán)與電流環(huán)調(diào)節(jié)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。指定轉(zhuǎn)速通過(guò)鍵盤(pán)模塊輸入，鍵盤(pán)輸入模塊和顯示電路通過(guò)雙口RAM與DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。鍵盤(pán)無(wú)輸入時(shí)，DSP不斷向雙口RAM寫(xiě)入數(shù)據(jù)，顯示電路從雙口RAM讀出數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)；鍵盤(pán)有輸人時(shí)，先發(fā)信號(hào)給DSP，DSP停止向雙口RAM寫(xiě)入數(shù)據(jù)，待鍵盤(pán)數(shù)據(jù)輸入后，再發(fā)中斷信號(hào)給DSP，DSP從雙口RAM讀入指定的轉(zhuǎn)速。

電機(jī)的速度檢測(cè)通過(guò)對(duì)CPLD送至DSP的CAP／QEP單元的信號(hào)的上下沿的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于電機(jī)兩相間的位置固定，根據(jù)兩次脈沖的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算即可得到電機(jī)的速度。DSP將輸入的指定轉(zhuǎn)速與測(cè)得的反饋轉(zhuǎn)速相減，根據(jù)偏差的大小采用一定的控制算法可實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度環(huán)的控制。速度環(huán)的輸出為給定電流。電機(jī)的繞組電流由電流檢測(cè)模塊送至DSP的。A／D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)給定電流與檢測(cè)電流的差值同樣采用PI控制算法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM占空比的調(diào)整，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

3.2 CPLD換相模塊

CPLD采用Altera公司的MAX系列可編程邏輯器件EPM7256E。該器件基于電擦除EEPROM，可重復(fù)編程100次以上，具有較多的輸入／輸出引腳，基本滿(mǎn)足多相電機(jī)換相控制的需要。開(kāi)發(fā)工具為MAX PLUSII軟件，可采用原理圖設(shè)計(jì)、波形輸入設(shè)計(jì)和文本輸入設(shè)計(jì)，能根據(jù)指定的引腳配置自動(dòng)生成熔絲文件，可采用JTAG方式對(duì)CPLD器件下載編程。

使用MAX PLUSII構(gòu)建所需要的邏輯結(jié)構(gòu)圖，自動(dòng)生成熔絲文件后對(duì)CPLD器件下載編程。CPLD器件的輸入為位置傳感器提供的位置信號(hào)、DSP給出的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)和確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)，器件的輸出為各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的控制信號(hào)。采用CPLD進(jìn)行換相，CPLD的復(fù)位引腳單獨(dú)接一復(fù)位開(kāi)關(guān)，當(dāng)DSP復(fù)位時(shí)，并不影響CPLD進(jìn)行換相，使得換相非?？煽浚苁冀K保持電機(jī)運(yùn)行在正確的相序，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。另外，將電機(jī)的換相信號(hào)通過(guò)CPLD的一個(gè)輸出引腳送至DSP的一個(gè)CAP／OEP單元，電機(jī)換相時(shí)，此信號(hào)的高低電平將發(fā)生變化，DSP的CAP／OEP單元通過(guò)檢測(cè)電平上下沿的變化來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。位置的檢測(cè)采用光電編碼器，CPLD換相模塊根據(jù)光電編碼器的輸出信號(hào)即可判斷轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。



3.3 IGBT驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)電樞繞組的連接采用H橋形，功率開(kāi)關(guān)采用IGBT，主電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。IGBT的驅(qū)動(dòng)采用日本富士通公司為其3 000 A／1 200 V快速型IBGT產(chǎn)品配套的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊EXB841來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)電路信號(hào)延遲時(shí)間不超過(guò)1μs，最高頻率可達(dá)50kHz，并具有過(guò)流及慢速關(guān)斷功能。當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，電路將低電平信號(hào)送至DSP的PDPINT保護(hù)引腳，從而封鎖PWM脈沖的輸出，避免系統(tǒng)發(fā)生大的故障。

3.4 電流檢測(cè)

當(dāng)逆變器驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)?？梢詼y(cè)量三相定子電流Ia、Ib和Ic。三相繞組采用星形連接，只要知道其中兩相電流Ia、Ib，另一個(gè)變量Ic就可以根據(jù)公式Ia+Ib+Ic=0算出。

電流檢測(cè)采用兩個(gè)線(xiàn)性電阻對(duì)其中兩相電流進(jìn)行采樣，采樣電阻上的分壓被運(yùn)放到0 V～+3.3V，然后信號(hào)被送到DSP的ADC模塊，在每個(gè)PWM周期都被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。由于選定的電阻是精確的，因此可以得到電流的精確采樣值。

4 在水處理過(guò)程控制中的應(yīng)用

將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用于水處理過(guò)程控制中進(jìn)行測(cè)試，控制系統(tǒng)的速度環(huán)和電流采用常規(guī)的PID控制，將控制器通過(guò)IGBT模塊直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)為三相交流異步電機(jī)（380 V，30 KW），定子線(xiàn)圈采用星形接法，使用TDS340A（100 MHz）示波器。

啟動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，測(cè)得帶負(fù)載的電流波形如圖4所示?？梢钥闯?，控制板輸出了可調(diào)制的較好的PWM信號(hào)，電機(jī)相電流基本按正弦波形變化，波動(dòng)較小，體現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)性能。電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中調(diào)速效果好，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。



5 結(jié)束語(yǔ)

基于DSP+CPLD的交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)充分利用了DSP的強(qiáng)大運(yùn)算能力，能夠采用復(fù)雜的控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)內(nèi)部集成了諸多功能，配合可編程器件可以使系統(tǒng)的外圍邏輯電路大大簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了水處理系統(tǒng)的控制。