CN201075182Y

CN201075182Y - 新型的水泵压力闭环控制器

Info

Publication number: CN201075182Y
Application number: CNU2007201167750U
Authority: CN
Inventors: 高晗璎; 邸斌; 聂天适
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2017-08-15

Abstract

新型的水泵压力闭环控制器，目前，通常采用通用型变频器实现水泵的恒压控制，但现场调试时由于调节参量较多，使用起来比较繁琐，不利于现场维护。新型的水泵压力闭环控制器，其组成包括：压力给定装置(1)，压力给定装置连接数字信号处理器(2)，数字信号处理器分别连接显示模块(3)、隔离及驱动模块(4)，隔离及驱动模块连接功率模块(5)，功率模块分别连接直流母线电压(6)、三相异步电动机(7)，三相异步电动机连接水泵(8)，水泵连接压力传感器(9)，压力传感器连接低通滤波器(10)，低通滤波器连接模拟“或”电路(11)，模拟“或”电路连接所述的数字信号处理器。本产品用于实现水泵的恒压控制。

Description

新型的水泵压力闭环控制器

技术领域：

本实用新型涉及一种新型、专用的水泵压力闭环控制器，具体就是根据水泵管道压力的大小来自动调节异步电动机转速的变频调速控制器。

背景技术：

目前，常规实现水泵恒压控制是采用变频调速方式，而变频器通常采用通用型变频器，在现场调试时由于调节参量较多，使用起来比较繁琐，不利于现场维护。同时，通用型变频器的价格较为昂贵。因此，市场急需一种适合水泵特定场合，低成本、易调试和保护功能齐备的新型水泵压力闭环控制器。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种高性能、低成本、高可靠性的水泵压力闭环控制系统，满足水泵恒压控制的需要。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

新型的水泵压力闭环控制器，其组成包括：压力给定装置，所述的压力给定装置连接数字信号处理器，所述的数字信号处理器分别连接显示模块、隔离及驱动模块，所述的隔离及驱动模块连接功率模块，所述的功率模块分别连接直流母线电压、三相异步电动机，所述的三相异步电动机连接水泵，所述的水泵连接压力传感器，所述的压力传感器连接低通滤波器，所述的低通滤波器连接模拟“或”电路，所述的模拟“或”电路连接所述的数字信号处理器。

本实用新型的有益效果：

1.通过对水泵压力的实时采样，将结果送入到数字信号处理器(DSP)中，在DSP中实现压力闭环控制，进而调节电动机的输出频率，最终实现恒定压力控制。系统采用恒压频比VVVF控制的工作方式，同时采用SVPWM技术以提高直流母线电压的利用率，拓宽系统的调速范围。

2.低成本

本变频调速系统由DSP为核心器件构成，该变频器采用IGBT作为功率开关元件，具有完善的保护功能。采用恒定压频比VVVF控制的工作方式，用软件实现SVPWM波形的优化和功能控制。同时还设计了自举电路，不仅降低了系统成本，同时又提高了可靠性。长时间的运行表明系统具有良好的特性，同时与通用变频器相比具有成本低、调试简单的特点。

3.易调试

本实用新型设计的是一种水泵专用压力控制的变频调速器，本控制器的PI参数已经进行了优化，用户只需根据现场水泵的实际应用情况选择其中一组控制器参数即可，从而大大地减小了调试的工作量。

4.完备的保护功能

本实用新型具有过温保护、过流保护、过压保护、DSP复位故障保护、系统停机保护等。完备的保护功能可以保证产品安全可靠地运行。

5.采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407A实现了全数字压力闭环控制系统，简化了系统的设计，提高了系统的可靠性。

6.设计了新颖的模拟“或”电路，可以保证0～5V、4～20mA两种压力信号的灵活切换，简化了系统的硬件设计。

7.采用自己设计的自举电路替代了传统的驱动方式，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本。

附图说明：

附图1是本产品的结构框图。

附图2是本产品的驱动电路图。

附图3是本产品压力采样装置电路图。

附图4是本产品系统保护电路图。

附图5是本产品显示模块电路图。

附图6是本产品主电路流程图。

附图7是电压空间矢量脉宽调制子程序流程图。

附图8是数字信号处理器控制电路原理图第一部分。图中相同标号的引脚具有连接关系。

附图9是数字信号处理器控制电路原理图第二部分。附图9与附图8共同组成数字信号处理器控制电路原理图。图中相同标号的引脚具有连接关系。

附图10是电源板电路图。图中相同标号的引脚具有连接关系。

附图11是驱动板及主电路图。图中相同标号的引脚具有连接关系。

附图12是输入信号控制电路图。图中相同标号的引脚具有连接关系。

附图13是显示控制电路图。图中相同标号的引脚具有连接关系。

附图14是压力信号控制电路图。图中相同标号的引脚具有连接关系。

具体实施方式：

实施例1：

新型的水泵压力闭环控制器，其组成包括：压力给定装置1，所述的压力给定装置连接数字信号处理器2，所述的数字信号处理器分别连接显示模块3、隔离及驱动模块4，所述的隔离及驱动模块连接功率模块5，所述的功率模块分别连接直流母线电压6、三相异步电动机7，所述的三相异步电动机连接水泵8，所述的水泵连接压力传感器9，所述的压力传感器连接低通滤波器10，所述的低通滤波器连接模拟“或”电路11，所述的模拟“或”电路连接所述的数字信号处理器。

实施例2：

1、系统简介

采用TI公司的数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407A为核心器件，它具有高性能以及丰富的外设接口。高达30MIPS的处理速度大大提高了控制器的实时处理能力。TMS320LF2407A集成了32K字闪存、一个CAN模块、一个SPI高速串行口以及一个超高速的500ns的10位模数转换器(ADC)，并具有适合电机控制的事件管理器EVA、EVB，其中包括带有死区控制的6路PWM输出信号。高速的数据处理能力和适合电机控制的硬件资源为全数字变频器的设计提供了良好的基础。

如图1所示，变频系统由压力给定装置1、显示模块3、压力传感器9、隔离及驱动模块4和功率模块5等组成。压力给定装置输入系统各项的给定值并由显示模块显示，压力采样装置是通过压力传感器对水泵压力进行采样，将采样信号通过低通滤波器10然后送到数字信号处理器2即DSP的A/D转换口AD1，通过DSP与压力给定比较后进行PI调节，控制器的输出频率f给SVPWM模块，通过软件计算后输出6路PWM波，经过隔离、功率放大后驱动电动机完成变频调速，从而完成压力系统的闭环控制。

2、驱动电路设计

驱动电路的设计主要是要考虑上桥功率管驱动电源的浮地问题。解决的方法有两种：一种是多电源的驱动方式，缺点是增加了电源数量，增加了系统成本；第二种是采用自举技术。本系统采用自举方式设计了驱动电路，如图2所示。当上管V₁关断，下管V₄导通时，N点电位为+15，M点为+15电源地，若忽略二极管D₁的导通压降，则自举电容C₅的电压为+15V；而当上管V₁导通，下管V₄关断时M点的电压为V_dc，而N点电位由于自举电容C₅电压不能瞬变，瞬时N点电位为V_dc+15，则自举二极管D₁承受反压关断，从而保护+15电源。自举电容C₅需采用较大电容值(本系统取为100μF)，在载波频率为20kHz的条件下自举电容的电压波动不超过100mV，从而保证了上桥功率开关管可靠的工作。本系统控制电路和主电路之间采用了光耦进行电气隔离，从而提高了系统的抗干扰能力。长时间的运行结果表明该驱动电路简单实用，能够保证功率器件可靠的导通和关断。

3、压力采样电路设计

压力采样电路如图3所示，由一路A/D转换通道实现0～5V、4～20mA信号的采集。首先两路信号经分压和低通滤波处理后接至运算放大器的同相端，提高负载阻抗，运算放大器的输出通过二极管(为肖特基二极管，管压降为0.18V)实现模拟电压“或”的关系。同时采用D3、D4对输入到A/D转换口的压力信号进行限幅处理，防止过高电压击穿DSP的A/D口。

4、保护电路设计

保护电路的作用是保证功率开关管能在正常的工作条件下运行，当系统出现异常情况时能够检测故障状态并封锁系统输出，使系统停止工作，从而保护功率器件不受损坏。本系统具有DSP可靠复位保护、过载保护、过温保护、停机保护和驱动系统保护等功能。

过温保护是指温度传感器在检测到功率开关器件工作温度过高时，由软件产生中断来禁止PWM输出，本系统采用温度开关(工作点为75℃)实现过温保护。

系统保护有如下功能：

主电路充电延时：当系统启动时要求通入交流220V电压，如果直接接入将会对滤波电容C2将产生极大的电流冲击，从而对系统造成损害。为减小这种损害，加入了主电路充电延时，具体做法就是在滤波电容前加一个充电电阻R1，在系统启动时使直流母线电压逐步增加，避免了启动大电流的冲击，待电容C3电压为充电稳态值的90％时，SJ2闭和，从而实现了充电软起动功能。

DSP可靠复位保护：SJ1继电器的控制信号由DSP发出，只有在DSP正常运行后，SJ1才可以接通；如果DSP不能正常运行，则SJ1关断。这样就可以保证DSP不能可靠上电复位时防止电力电容C3上误充电而可能导致同一桥臂功率开关管直通的“故障”的发生。

系统断电保护：当系统突然断电时，由于控制电路的放电时间常数小于主电路放电时间常数，即当控制电路放电至零的过程中，主电路C3仍然有较高电压，此时控制信号紊乱，有可能造成功率电路上下桥臂直通现象而损坏功率器件。为了避免这一现象的发生，本系统设计了系统断电保护电路。图4中用SJ3、R4来实现这一功能。SJ3常闭触点，其线圈由电网电压220V控制，上电时SJ3线圈通电，常闭触点打开，此时系统可以实现“软充电”；当系统突然断电时，SJ3常闭触点闭合，电阻R4并入放电回路，此时主电路的时间常数变小，通过对R4适当选取可以保证断电时系统的安全。

5、显示电路的设计

显示电路由串行显示驱动芯片MAX7219和两片4位7段LED数码管组成，在运行时用来显示频率和电流值。该电路构成简单，最大限度地减小了系统的体积。

MAX7219是一个专用的串行输入/输出，共阴极LED显示驱动器。它采用3线串行接口传送数据，接口简便；每片可驱动8个LED数码管，多片串接时可驱动多个LED；片内有8字节静态显示RAM和6个特殊功能寄存器，只需一个外部电阻即可调节LED的段电流，且允许程控方式方便调节LED显示的亮度。

在使用TMS320LF2407A DSP实现控制的变频调速系统中，频率的显示成为必要，而利用TMS320LF2407A的SPI模块可极为简便地实现。

MAX7219是串行输入方式，连接方式简单。TMS320LF2407A的SPI模块中的SPICLK、SPISIMO和SPISTE分别用作时钟信号、串行数据输入信号及数据锁定信号。

系统的软件介绍：

1、主程序流程图

在主程序里，主要完成了系统的初始化设置，事件管理器的设置、变量的初始化和中断的设定等工作。在完成了系统的设定及各个应用模块的初始化工作以后，程序进入等待状态，等待定时器中断的到来，在定时器中断子程序中主要完成了SVPWM波的计算工作和一些细节上的处理工作。

2、SVPWM技术软件实现方法

在定时器的下溢中断中，程序实现了对SVPWM脉冲的计算，计算出了一个载波周期中各个比较寄存器的数值，并且把其值传送到比较寄存器中。定时器采取连续增减计数模式，每个载波周期都会产生一次中断。在定时器的中断程序里面，根据上面推导出来的公式计算出下个载波周期中三个比较器的比较值，并且进行窄脉冲的判断和删除。电压空间矢量脉宽调制子程序流程图参见图7。

Claims

1.一种新型的水泵压力闭环控制器，其组成包括：压力给定装置，其特征是：所述的压力给定装置连接数字信号处理器，所述的数字信号处理器分别连接显示模块、隔离及驱动模块，所述的隔离及驱动模块连接功率模块，所述的功率模块分别连接直流母线电压、三相异步电动机，所述的三相异步电动机连接水泵，所述的水泵连接压力传感器，所述的压力传感器连接低通滤波器，所述的低通滤波器连接模拟“或”电路，所述的模拟“或”电路连接所述的数字信号处理器。