CN102072171A - 水泵软启动装置的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水泵软启动装置的控制器，它包括电压采样单元、电流采样单元、同步信号检测单元、DSP控制单元、触发脉冲单元和通信单元，所述的电压采样单元与DSP控制单元相连接，电流采样单元与DSP控制单元相连接，同步信号检测单元与DSP控制单元相连接，触发脉冲单元与DSP控制单元相连接，通信单元与DSP控制单元相连接。它以传统晶闸管软启动的主电路结构为基础，通过转矩闭环控制来调节触发角度，按照水泵系统的特性曲线来控制电机的电磁转矩，使控制电机起停的电磁转矩与泵系统特性曲线相匹配，使水泵能够平稳起停，避免“水锤”现象的发生。

Description

水泵软启动装置的控制器

所属技术领域

本发明公开一种控制器，具体涉及一种水泵软启动装置的控制器，此装置是水泵软启动器的控制核心。

背景技术

电机软启动器如今已得到了广泛的应用，但传统的软启动器对普通电机的启动是有效的，但水泵系统的负载与其它工况不同，由于其带动的是流体，本身具有很大的惯性，若采用传统的降压启动的方式可将加速转矩大幅度降低，但水泵在启动接近尾声时产生的突升转矩仍会引起流体发生瞬间冲击。在软停车方面，线性斜坡降压软停方式不能有效的改善泵系统停机时的性能，常常引起电动机停止过程中转速不稳定，产生震荡，可能会对电机和叶轮造成影响，若启动频繁易造成损坏。

发明内容

本发明专利公开一种针对水泵软启动装置的控制器，它以传统晶闸管软启动的主电路结构为基础，通过转矩闭环控制来调节触发角度，按照水泵系统的特性曲线来控制电机的电磁转矩，使控制电机起停的电磁转矩与泵系统特性曲线相匹配，使水泵能够平稳起停，避免“水锤”现象的发生。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水泵软启动装置的控制器，它包括电压采样单元、电流采样单元、同步信号检测单元、DSP控制单元、触发脉冲单元和通信单元，所述的电压采样单元与DSP控制单元相连接，电流采样单元与DSP控制单元相连接，同步信号检测单元与DSP控制单元相连接，触发脉冲单元与DSP控制单元相连接，通信单元与DSP控制单元相连接；所述的电压采样单元、电流采样单元、同步信号检测单元、DSP控制单元、触发脉冲单元和通信单元全部安装于电路板上，电路板上安装有通信接口、电压信号接口和电流信号接口。

本装置还有其他特征

1、所述的电压采样单元包括电压比较器N4B电路连接电压比较器N4A电路，电压比较器N4A电路连接二极管V49，所述的电压采样单元一端连接电压信号接口，另外一端连接DSP控制单元，电压采样单元通过电压信号接口与水泵软启动装置的电压互感器连接。

2、所述的电流采样单元包括电压比较器N8B电路连接二极管V8，所述的电流采样单元一端连接电压信号接口，另外一端连接DSP控制单元，电流采样单元通过电流信号接口与水泵软启动装置的电流互感器连接。

3、所述的同步信号检测单元用来检测电流过零信号，由放大N11A电路分别连接窗口比较器ND5A电路和窗口比较器ND5B电路组成，所述的放大N11A电路由IC LM239构成，窗口比较器ND5A电路由第一IC LM393构成，窗口比较器ND5B电路由第二IC LM393构成。

4、所述的触发脉冲单元由IC74HC244构成。

5、所述的通信单元与通信接口相连接，通信单元由IC ADM2483构成。

6、所述的DSP控制单元，其特征在于由IC TMS320F2812构成。

它的控制策略是首先由反馈的电压和电流值运算出电磁转矩，再把它与给定值进行比较，得出差值，运算出需要调整的电压值，再转换为需要调整的触发角变化值，以此来控制电机转矩，要求控制电机启动时的电磁转矩按照泵特性曲线上升，即尽量使加速转矩保持在一个稳定的范围，而且数值不大，电磁转矩刚刚超过负载转矩即可。由于不存在转矩尖峰，电机从而得到了完全平滑的加速度，将系统中的水锤效应降至最低。同样水泵的停止过程是启动的逆过程，软启动器控制电机的减速，防止任何转矩突变，降低对系统的冲击。

将电磁转矩T_em近似为时间t的一次函数，故可设

T_em＝T₀+Kt

T₀为初始转矩，K为电磁转矩的上升斜率；

根据异步电机转子的转速公式：

$n=\frac{60f}{p}(1-s)$

得到转差率s的计算公式：

$s=1-\frac{\mathrm{pn}}{60f}=1-\frac{p({\mathrm{at}}^2+\mathrm{bt}+c)}{60f}$

其中p为电机极对数，a，b，c为常数，f为电源频率；

假定启动过程中负载转矩几乎是不变的，且在可控硅的移相角α变化到α+Δα这一小段时间内，由于电机转速的变化相对应其电磁量的变化来说要缓慢的多，因此只要Δα足够小，就可以假定电机在(α+Δα)时刻处于稳定状态，此时，电磁转矩T_em与负载转矩T_L相等。

将T_em和s代入三相异步电动机机械特性方程

$T_{\mathrm{em}}=\frac{{3\mathrm{pU}}^2}{2\mathrm{\πf}}\·\frac{{r_2}^{\′}/s}{{(r_1+{r_2}^{\′}/s)}^2+{(x_{\mathrm{\σ}1}+{x_{\mathrm{\σ}2}}^{\′})}^2}$

(r₁，x_σ1分别为定子的电阻和漏抗。r₂′，x_σ2′分别为转子的电阻和漏抗)得到电压U的表达式：

$U=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}[{(r_1+\frac{{r_2}^{,}}{s})}^2+{(x_{\mathrm{\σ}1}+{x_{\mathrm{\σ}2}}^{\′})}^2](T_0+\mathrm{Kt})}{90{{\mathrm{pr}}_2}^{\′}/[60f-p({\mathrm{at}}^2+\mathrm{bt}+c)]}}$

即相电压与时间t的函数U(t)＝F(t)。再通过可控硅调压后电压有效值的计算公式

即得到可控硅的触发角与时间的关系式α＝F(t)。这就是在转矩预定规律下得到的α角变化规律。α和

分别为可控硅的触发角和功率因数角。转矩控制启动时，要求控制电机启动时的电磁转矩按控制规律上升。本方案的给定值是根据所设定的转矩斜坡对应的转矩值，反馈值是根据电动机反馈的电压、电流运算出的实时转矩值以及功率因数角，对其进行运算，产生触发脉冲信号来控制可控硅的导通和关断，来控制软启动装置的输出电压大小，从而使水泵平滑启动。

装置构造：本装置为长23.5CM，宽12.6CM，高9.8CM的长方体，装置底部为接线端子，装置的右中间侧为通信端口，可以外接人机界面装置来进行显示和参数修改。装置四角边缘处装有螺丝孔，用来固定。装置上方留有散热孔用来散热。

泵控软启动控制器工作时将输入进来的电压、电流信号进行运算，得出电磁转矩，再把它与给定值进行比较，运算出可控硅的触发角度，然后发送出PWM信号来触发可控硅，控制电机启动时的电磁转矩按照泵特性曲线上升。停止时也根据电压、电流信号进行运算，控制策略为启动方式的逆过程。

泵控软启动控制器采用的是转矩斜坡闭环控制方式来实现泵控制的功能，通过设定初始转矩和转矩上升斜率，对转矩的差值进行运算和调节进而实现降低加速转矩，减小水锤冲击的效果，从而实现了水泵的平稳启动，延长了水泵系统的使用寿命。

附图说明

图1为水泵软启动装置的控制器各单元连接框图，图中1.电压采样单元，2.电流采样单元，3.同步信号检测单元，4.DSP控制单元，5.触发脉冲单元，6.通信单元；

图2为电压采样单元电路图；

图3为电流采样单元电路图；

图4为同步信号单元电路图；

图5为触发脉冲单元电路图；

图6为通信单元电路图；

图7为DSP控制单元与各单元连接图；

图8为水泵软启动装置的控制器主程序框图；

图9为水泵软启动装置的控制器启动子程序框图；

图10脉冲触发同步信号中断程序框图；

图11可控硅触发脉冲输出程序框图。

图12为水泵软启动装置的控制器外形图。

具体实施方式

根据附图作进一步说明：

1、装置硬件设计：

图2中U0为电压信号的输入端，接软启动器电压互感器。高压接入软启动器后通过电压互感器变为低电压信号，通过此电路放大、加正向偏置电压、限幅后从U2输出送入DSP的AD进行处理，作为电压检测、过压和欠压保护。其中N4B，N4A为运放电路，二极管V49用来限幅。图1中各部分连接关系：电阻R266接电压输入信号和测试点U0，另一端接电阻R265和电容C81，C81另一端接地GND2，R265另一端接集成电路N4B的6脚，N4B的6、7脚并联电阻R267和电容C84，5脚接电阻R264，R264另一端接地。N4B的7脚接电阻R269，R269的另一端接电阻R262和集成电路N4A的3脚，R262的另一端接电源+V1。N4A的8脚接电源+V2，4脚接-V2，2脚和1脚相连接电阻R263，R263的输出接电容C83和电阻R261以及双向二极管V49的3脚，V49的1脚接C83和地GND2，2脚接电源+V1A，电阻R2611的另一端接测试点U2。

图3为电流采样单元电路图，IA1为电流信号的输入端，接软启动器电流互感器。当软启动器启动电机时电流通过软启动器内部的电流互感器变为低电流信号，通过此电路放大、限幅后从IA2输出送入DSP的AD进行处理，作为电流检测、过流、过载和欠载保护。其中N8B为运放电路，二极管V8用来限幅。各部分连接关系：电阻R277接输入信号IA1，另一端接电阻R83、电容C124以及集成电路N8B的5脚，R83和C124的另一端都接地GND1。N8B的6脚和7脚之间串联电阻R1，N8B的7脚接电阻R85和R278，R278的另一端接地GND2，R85的另一端接电容C29、电阻R74以及二极管V8的3脚，C29另一端接GND2，V8的1脚接GND2，2脚接+V1A，3脚接电阻R74以及测试点IB2。

图4为同步信号单元电路图，用来检测电流过零信号。电流信号经放大器N11A(LM239)进行放大后，通过由ND5A，ND5B(ND5A，ND5B为LM393)组成的窗口比较器，得到电流的过零信号，传送给DSP作为同步信号。各部分连接关系：电流信号经电阻R301后接电容C213的正端，用来滤除直流量，负端接电阻R302和电阻R140，R302的另一端接地。R140的另一端接N11A的2脚，电阻R126，电容C50，R126和C50的另一端和N11A的1脚相连，3脚接电阻R303和电容C144，R303和C144的另一端相连，并接地。N11A的1脚输出为电流的放大信号，通过电阻R73接到ND5A的2脚，ND5B的5脚，ND5A的3脚接电阻R1然后接电源+V1，ND5B的5、6脚通过电容C28和R2相连，C28和R2的连接处接地GND2。ND5B的7脚和ND5A的1脚相连接电阻R72，R72的另一端接电阻R71和C27，以及双向二极管V9的三脚，R71的另一端接电源+V1，C27的另一端和V9的1脚接地GND1，V9的2脚接电源+V1，3脚输出为同步信号，IAX为测试点。

图7为DSP控制单元与各单元连接图。电压信号、电流信号和同步信号输入到DSP内部后进行运算，得出当前电机的电磁转矩，再把它与初始给定值进行比较，得出转矩差值，运算出需要调整的电压值，再转化为需要调整的触发角度，然后再转化为PWM信号，通过驱动芯片IC3来发出触发脉冲信号来导通软启动器的可控硅，以此来控制电机转矩。集成电路IC9为ADM2483通信芯片，与上位机相连进行软启动控制器和上位机的通信，从而进行参数的修改、启动运行控制和运行状况的上位机显示。各部分连接关系：电压、电流、同步信号传送给DSP后，发出PWM脉冲信号给IC3(74HC244驱动芯片)的4、6、8脚，IC32脚接电源+V1，20脚接+5V，10脚接地GND1，12、14、16脚为输出，输出触发脉冲信号。DSP连接到IC9(ADM2483通信芯片)的3、5、6脚，1脚接电源+V1，8脚接地GND1，16脚接电源+5V2，9脚接地TGND2，12脚和13脚作为485通信端接上位机。

2，装置软件设计：

图8为水泵软启动装置的控制器主程序框图；为整个系统的主程序框图，主要完成系统的管理、起停控制、故障检测等工作。

图9为水泵软启动装置的控制器启动子程序框图，主要完成转矩T的计算，导通角θ的计算，并与给定的转矩值进行比较，算出转矩差值AT。

图10脉冲触发同步信号中断程序框图，由于可控硅的触发信号是以电流过零点作为同步信号的，只有正确的同步信号才能可靠、有效的触发可控硅，从而保证软起的顺利进行。由于软启动器以电压斩波方式来降低电压有效值，其输出的电压波形为非正弦，使得电机电流波形产生畸变，给电流过零点的硬件采集带来了难度，在本实用新型中为了提高电流同步信号识别的准确性，加入了同步信号识别程序，由于电流的过零点肯定是在电压过零点到90°之间，所以当同步信号落入此区间内设为有效，否则不设为同步信号进行处理。这就加强了同步信号的准确性，滤除了多余的干扰。

图11为可控硅触发脉冲输出程序框图，同步信号确定之后，经过延时计算得到可控硅的触发子程序。当系统检测到同步信号后即定时器即开始计时，计数到零时开始发送触发脉冲。当功率因数角推到零时，软启动过程完毕，电压推为正弦波。为了保证在每一个时刻都有至少两相导通，除了发送触发信号之外，还需要发送补脉冲，且要有正、反相的导通来构成回路。原则上补脉冲和主脉冲相差为60°，并采用A补B，B补C，C补A的方式来发送补脉冲。假设可控硅的排列为A相正相可控硅为VT1，反相为VT4，B相正相可控硅为VT3，反相为VT6，C相正相可控硅为VT5，反相为VT2：

泵控软启动控制器工作时将输入进来的电压、电流信号进行运算，得出电磁转矩，再把它与给定值进行比较，运算出可控硅的触发角度，然后发送出PWM信号来触发可控硅，控制电机启动时的电磁转矩按照泵特性曲线上升。停止时也根据电压、电流信号进行运算，控制策略为启动方式的逆过程。

泵控软启动控制器采用的是转矩斜坡闭环控制方式来实现泵控制的功能，通过设定初始转矩和转矩上升斜率，对转矩的差值进行运算和调节进而实现降低加速转矩，减小水锤冲击的效果，从而实现了水泵的平稳启动，延长了水泵系统的使用寿命。

Claims (7)

1.一种水泵软启动装置的控制器，其特征在于它包括电压采样单元、电流采样单元、同步信号检测单元、DSP控制单元、触发脉冲单元和通信单元，所述的电压采样单元与DSP控制单元相连接，电流采样单元与DSP控制单元相连接，同步信号检测单元与DSP控制单元相连接，触发脉冲单元与DSP控制单元相连接，通信单元与DSP控制单元相连接；所述的电压采样单元、电流采样单元、同步信号检测单元、DSP控制单元、触发脉冲单元和通信单元全部安装于电路板上，电路板上安装有通信接口、电压信号接口和电流信号接口。

2.根据权利要求1所述的一种水泵软启动装置的控制器，其特征在于所述的电压采样单元包括电压比较器N4B电路连接电压比较器N4A电路，电压比较器N4A电路连接二极管V49，所述的电压采样单元一端连接电压信号接口，另外一端连接DSP控制单元，电压采样单元通过电压信号接口与水泵软启动装置的电压互感器连接。

3.根据权利要求1所述的一种水泵软启动装置的控制器，其特征在于所述的电流采样单元包括电压比较器N8B电路连接二极管V8，所述的电流采样单元一端连接电压信号接口，另外一端连接DSP控制单元，电流采样单元通过电流信号接口与水泵软启动装置的电流互感器连接。

4.根据权利要求1所述的一种水泵软启动装置的控制器，其特征在于所述的同步信号检测单元用来检测电流过零信号，由放大N11A电路分别连接窗口比较器ND5A电路和窗口比较器ND5B电路组成，所述的放大N11A电路由IC LM239构成，窗口比较器ND5A电路由第一IC LM393构成，窗口比较器ND5B电路由第二IC LM393构成。

5.根据权利要求1所述的一种水泵软启动装置的控制器，其特征在于所述的触发脉冲单元由IC74HC244构成。

6.根据权利要求1所述的一种水泵软启动装置的控制器，其特征在于所述的通信单元与通信接口相连接，通信单元由IC ADM2483构成。

7.根据权利要求1所述的一种水泵软启动装置的控制器，其特征在于所述的DSP控制单元，其特征在于由ICTMS320F2812构成。

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