基于DSP+CPLD的交流電機調速在水處理控制中的應用

1 引言

生化反應池在水處理過程中非常重要。需要通過調整風機的轉速控制反應池中的DO值。理論上應該通過調節(jié)電動機的轉速來實現(xiàn)，但實際上卻是利用擋板閥門后者放空的方法進行調節(jié)。這種方法極大地浪費了電力資源。以美國TI公司推出的TMS320LF2407為代表的面向電機控制的高性能數(shù)字信號處理可以對電機進行精確控制，大大提高了交流電機的性能，能夠設計出性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)。同時，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化，增強了系統(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，設計異步交流電機的調速控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 變頻方式的選擇

系統(tǒng)采用磁場定向矢量控制的方法對電機變頻，又稱FOC控制。其實質是將異步交流電動機等效直流電動機，將三相坐標系下的定子交流電流通過3／2變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流，再通過轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流，相當于直流電動機的勵磁電流和電樞電流，然后模仿直流電動機的控制方法，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制，實現(xiàn)解耦控制，矢量控制可以從零轉速起進行速度控制，即使低速亦能運行，調速范圍廣；可以對轉局實行精確控制；系統(tǒng)的動態(tài)響應速度非常快；電動機的加速特性很好。FOC控制結構簡圖如圖1所示。



2.2 控制方案

控制系統(tǒng)總體結構如圖2所示，主要由DSP基本模塊、CPLD換相模塊、位置傳感器模塊、電流檢測裝置、IGBT驅動電路、鍵盤及顯示電路組成。



3 系統(tǒng)主要模塊設計

3.1 DSP主控模塊

電機控制專用定點器件TMS320LF2407的特點是：采用雙總線的哈佛結構；四級流水操作；專用的硬件乘法器；內部32 KB的Flash程序存儲器、高達1.5 KB的數(shù)據(jù)／程序RAM、544 KB雙口RAM和2KB單口RAM。兩個時間管理器模塊EVA和EVB，均包括兩個16位通用定時器和8個16位脈寬調制（PWM）通道。它們能夠實現(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；當外部引腳PDPINTx為低電平時，快速關閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制可防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖；3個捕獲單元；片內光電編碼接口電路；16通道A／D轉換器。這些資源為電機控制提供了極大便利。

本系統(tǒng)DSP主要用來生成PWM波，DSP通過速度環(huán)與電流環(huán)調節(jié)PWM的占空比實現(xiàn)對轉速的控制。指定轉速通過鍵盤模塊輸入，鍵盤輸入模塊和顯示電路通過雙口RAM與DSP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。鍵盤無輸入時，DSP不斷向雙口RAM寫入數(shù)據(jù)，顯示電路從雙口RAM讀出數(shù)據(jù)并顯示出來；鍵盤有輸人時，先發(fā)信號給DSP，DSP停止向雙口RAM寫入數(shù)據(jù)，待鍵盤數(shù)據(jù)輸入后，再發(fā)中斷信號給DSP，DSP從雙口RAM讀入指定的轉速。

電機的速度檢測通過對CPLD送至DSP的CAP／QEP單元的信號的上下沿的檢測來實現(xiàn)，由于電機兩相間的位置固定，根據(jù)兩次脈沖的時間差，經(jīng)過簡單的計算即可得到電機的速度。DSP將輸入的指定轉速與測得的反饋轉速相減，根據(jù)偏差的大小采用一定的控制算法可實現(xiàn)電機速度環(huán)的控制。速度環(huán)的輸出為給定電流。電機的繞組電流由電流檢測模塊送至DSP的。A／D轉換器，根據(jù)給定電流與檢測電流的差值同樣采用PI控制算法即可實現(xiàn)對PWM占空比的調整，從而最終實現(xiàn)對轉速的控制。

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，可重復編程100次以上，具有較多的輸入／輸出引腳，基本滿足多相電機換相控制的需要。開發(fā)工具為MAX PLUSII軟件，可采用原理圖設計、波形輸入設計和文本輸入設計，能根據(jù)指定的引腳配置自動生成熔絲文件，可采用JTAG方式對CPLD器件下載編程。

使用MAX PLUSII構建所需要的邏輯結構圖，自動生成熔絲文件后對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、DSP給出的PWM脈寬調制信號和確定電機旋轉方向的信號，器件的輸出為各個IGBT驅動模塊的控制信號。采用CPLD進行換相，CPLD的復位引腳單獨接一復位開關，當DSP復位時，并不影響CPLD進行換相，使得換相非?？煽?，能始終保持電機運行在正確的相序，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。另外，將電機的換相信號通過CPLD的一個輸出引腳送至DSP的一個CAP／OEP單元，電機換相時，此信號的高低電平將發(fā)生變化，DSP的CAP／OEP單元通過檢測電平上下沿的變化來計算轉速。位置的檢測采用光電編碼器，CPLD換相模塊根據(jù)光電編碼器的輸出信號即可判斷轉子的位置和轉子的轉速。



3.3 IGBT驅動模塊

電機電樞繞組的連接采用H橋形，功率開關采用IGBT，主電路的結構如圖3所示。IGBT的驅動采用日本富士通公司為其3 000 A／1 200 V快速型IBGT產(chǎn)品配套的專用驅動模塊EXB841來實現(xiàn)。整個電路信號延遲時間不超過1μs，最高頻率可達50kHz，并具有過流及慢速關斷功能。當發(fā)生過流時，電路將低電平信號送至DSP的PDPINT保護引腳，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

當逆變器驅動一個三相電動機負載時?？梢詼y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，另一個變量Ic就可以根據(jù)公式Ia+Ib+Ic=0算出。

電流檢測采用兩個線性電阻對其中兩相電流進行采樣，采樣電阻上的分壓被運放到0 V～+3.3V，然后信號被送到DSP的ADC模塊，在每個PWM周期都被轉換成數(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 在水處理過程控制中的應用

將所設計的控制系統(tǒng)應用于水處理過程控制中進行測試，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IGBT模塊直接驅動電機，該電機為三相交流異步電機（380 V，30 KW），定子線圈采用星形接法，使用TDS340A（100 MHz）示波器。

啟動交流電動機，測得帶負載的電流波形如圖4所示。可以看出，控制板輸出了可調制的較好的PWM信號，電機相電流基本按正弦波形變化，波動較小，體現(xiàn)了良好的動態(tài)性能。電動機在實際運行過程中調速效果好，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。



5 結束語

基于DSP+CPLD的交流電動機控制系統(tǒng)充分利用了DSP的強大運算能力，能夠采用復雜的控制算法對電機進行控制，同時內部集成了諸多功能，配合可編程器件可以使系統(tǒng)的外圍邏輯電路大大簡化，實現(xiàn)了水處理系統(tǒng)的控制。