CN201277180Y

CN201277180Y - 智能型水泵专用变频恒压控制装置

Info

Publication number: CN201277180Y
Application number: CNU2008200907502U
Authority: CN
Inventors: 高晗璎; 尹殿华; 邸斌; 丁树业; 齐国民; 高扬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2018-08-27

Abstract

本实用新型是一种智能型水泵压力控制装置，它包括设置在封闭壳体内的电源单元、数字信号处理器、采样滤波单元和故障综合模块以及在封闭壳体外的感应电动机，感应电动机和采样滤波单元分别连接水泵，采样滤波单元和故障综合模块连接数字信号处理器，数字信号处理器通过依次连接的隔离单元、自举驱动单元和功率模块连接感应电动机。本实用新型采用正弦波脉宽调制(SPWM)技术实现感应电动机VVVF(变压变频)控制，进而控制水泵压力恒定，复合控制器(即智能控制策略及经典PID控制策略的结合)的使用，大大地改善了水泵压力控制装置的动态调节特性，完备的保护电路设计使装置能够安全、可靠地运行。全封闭外壳结构的设计，大大地提高了在工业现场应用时的实用性和可靠性。

Description

智能型水泵专用变频恒压控制装置

(一)技术领域

本实用新型涉及的是一种智能、专用、变频的水泵压力控制装置，具体的说就是根据水泵管道压力的大小来自动调节感应电动机转速，进而实现水泵恒压的控制装置。

(二)背景技术

目前水泵压力控制有两种类型，即“开关型”和“变频型”两种。“开关型”压力控制装置采用压力开关实现泵用电动机的启、停控制，该方案的特点是装置简单，但缺点十分明显，即压力不稳，同时频繁启、停会对泵用机械造成冲击，影响装置的使用寿命，并且电能浪费明显。而变频方式实现了水泵的恒压控制，具有软启和软停的特点，避免了机械冲击，提高了装置的使用寿命，同时节能效果十分明显。目前，变频器常常采用通用型变频器。该恒压控制方式的缺点是：(1)控制装置需要调节的参量较多，使用起来比较繁琐，不利于现场调试和维护；(2)通用型变频器通常采用外壳不封闭的方式进行自然冷却或风冷，而水泵的使用环境通常是潮湿、多尘等恶劣环境；(3)通用型变频器的价格较为昂贵。因此，开发一种适合水泵的特定应用场合，变频型、智能型、低成本、少调试、全封闭、保护功能齐备，正是本专利的主要内容。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高性能、全封闭、低成本、高可靠性，以满足水泵恒压控制需要的智能型水泵专用变频恒压控制装置。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括设置在封闭壳体内的电源单元、数字信号处理器、采样滤波单元和故障综合模块以及在封闭壳体外的感应电动机，感应电动机和采样滤波单元分别连接水泵，采样滤波单元和故障综合模块连接数字信号处理器，数字信号处理器通过依次连接的隔离单元、自举驱动单元和功率模块连接感应电动机，电源单元连接功率模块，数字信号处理器还分别和键盘设定单元、压力设定单元、状态指示单元与参数显示单元连接。

本实用新型还有这样一些技术特征：

1、所述的数字信号处理器采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407，内部设置有正弦波脉宽调制单元，正弦波脉宽调制单元连接隔离单元；

2、所述的自举驱动单元采用自举驱动芯片IR2110和一相桥臂驱动电路，同一桥臂的两个功率开关管采用互补工作方式；

3、所述的采样滤波单元包括连接水泵的泵压力传感器和低通滤波模块，低通滤波模块连接泵压力传感器和数字信号处理器。

本实用新型通过对体现泵压力传感器输出的电流信号(4～20mA)进行实时采样，送入到数字信号处理器(DSP)中。在DSP中实现泵压力的闭环控制，调节电动机的输出频率，最终实现恒压控制。变频装置采用恒压频比VVVF控制的工作方式，同时采用SPWM技术改善了电机绕组的电流波形，进而控制水泵压力恒定，从而大大改善电机装置的运行特性。SPWM控制技术能够有效地减小感应电动机定子绕组的电流谐波成分，明显地改善了电机的运行特性。装置采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407为核心元件实现了全数字水泵压力闭环控制，从而使控制装置得以简化。复合控制器(智能控制策略及经典PID控制策略的结合)的使用，大大地改善了泵压力装置的动态调节特性。全封闭外壳设计，提高了工业现场应用时的实用性和可靠性，从而大大地简化了装置结构。

本实用新型装置具有的技术内容和技术特征有：

1.变频型

“智能型水泵专用变频恒压控制装置”采用变频方式实现了水泵的恒压控制，具有软启和软停的特点，避免了机械冲击，提高了装置的使用寿命，同时节能效果十分明显。

2.智能型

本专利涉及的是一种专用水泵压力控制装置。装置采用的是复合控制策略，即模糊智能控制策略及经典PID控制策略的结合，以输入压力的偏差及其变化率进行判断，当偏差较大时采用模糊控制策略，而当偏差较小时采用PID控制器，从而既提高了装置的动态调节特性，同时又提高了装置的稳态特性。复合控制策略(智能控制策略及经典PID控制策略的结合)的使用，大大地改善了水泵压力控制装置控制特性。

3.集成性

本装置由集成A/D和PWM功能的数字信号处理器TMS320LF2407、基于自举驱动技术专用集成芯片IR2110和电压、高速型功率开关器件IGBT为核心进行装置设计。装置的集成度高，不仅减小了体积、降低了成本，同时又提高了可靠性。

4.完备的保护功能

装置具有过载和过流保护、过压保护、过温保护和装置停机保护等。完备的保护功能可以保证装置能够安全、可靠地运行。

5.全封闭

装置采用特殊、全封闭、免风扇冷却的外壳设计，直接利用电机本身风扇实现装置外壳冷却，从而适合于潮湿、多尘等泵特定的使用环境。

因此，本实用新型的有益效果有：

1.采用基于SPWM技术实现的感应电动机变频调速控制，减小了电机绕组的电流谐波成分，改善了水泵压力控制装置的动态特性；

2.采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407实现了压力闭环控制，简化了装置设计，提高了装置的可靠性；

3.采用集成的自举驱动芯片IR2110替代传统的、由分立元件构成的驱动单元，大大地减化了装置设计，提高了可靠性，并降低了成本；

4.完备、新颖的保护功能可以保证装置安全、可靠地运行；

5.复合控制策略(智能控制策略及经典PID控制策略的结合)的使用，大大地改善了水泵压力控制装置的动态调节特性；

6.全封闭外壳结构设计，提高了工业现场应用的实用性和可靠性，大大简化了装置结构。

(四)附图说明

图1为泵恒压控制原理示意图；

图2为装置的结构框图；

图3为自举驱动电路原理示意图；

图4为主程序流程图；

图5为软件定时器中断子程序流程图；

图6为复合控制器流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明：

结合图2，本实施例装置包括设置在封闭壳体内的电源单元、数字信号处理器、采样滤波单元和故障综合模块，感应电动机和采样滤波单元分别连接水泵以及在封闭壳体外的感应电动机，采样滤波单元和故障综合模块连接数字信号处理器，数字信号处理器通过依次连接的隔离单元、自举驱动单元和功率模块连接感应电动机，电源单元连接功率模块，数字信号处理器还分别和键盘设定单元、压力设定单元、状态指示单元与参数显示单元连接。其中，数字信号处理器采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407为核心元件，高达40MIPS的处理速度以及集成了32k字闪存、一个SPI高速串行口以及一个超高速的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模块，其中包括带有死区控制的6路PWM输出。高速的数据处理能力和适合电机控制用的外设资源为水泵恒压控制装置的设计提供了硬件保证。

键盘设定单元输入控制装置的各项设定值(如PID参数、参量显示选择)，并由参数显示单元显示；压力设定单元采用电位器设定水泵压力给定值，并由参数显示单元显示；状态指示单元用来指示装置的运行状态、故障状态以及直流母线电压的状态；故障综合模块用来综合过流、过载、过压和过温等，而后送至数字信号处理器DSP中进行数字滤波并进行故障处理；泵压力传感器对水泵压力进行实时采样，并将采样信号进行低通滤波处理，送至DSP的A/D转换口AD1。在DSP中与压力给定比较后进行PI调节，控制器的输出频率f给SPWM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，从而实现水泵控制装置的恒压控制。

结合图3，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，增加了装置成本；第二种是采用自举技术。本实施例装置采用专用自举芯片IR2110进行了驱动电路设计，图3中给出了一相桥臂驱动电路，其中D1为自举二极管，E1为自举电容。同一桥臂的两个功率开关管采用互补工作方式，当上管VT1关断、下管VT2导通时，A点接地，自举电容E1充电，若忽略二极管D1的导通压降，则自举电容E1的电压为+15V；当上管VT1导通、下管VT2关断时，A点浮地，具电压为U，此时自举电容E1的储能为上桥开关管VT1提供驱动输出，而N点电位由于自举电容E1电压不能瞬变，瞬时N点电位为U+15，则自举二极管D1承受反压关断，从而保护+15电源。由此可以看出，采用自举技术构成的驱动单元可以减小电源数量，降低了装置成本，并大大地提高了装置的可靠性。

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，当控制装置出现异常情况时能够及时检测出故障状态并封锁控制装置的输出，使装置停止工作，从而保护控制装置不受损坏。本实施例控制装置具有过载保护、过压保护、过温保护和断电停机保护等功能。

主电路充电延时：当装置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、E3将产生极大的电流冲击，从而对装置造成损害。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，在装置启动时使直流母线电压逐步增加，避免了启动时大电流的冲击，待储能电容E3为充电电压稳态值的90％时，SJ1闭和，从而实现了充电软起功能。

断电保护：当控制装置突然断电时，由于控制电路的放电时间常数大于主电路放电时间常数，即当控制电路放电至零时，主电路E3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，本实施例装置设计了装置断电保护电路。

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，本实施例装置采用温度开关(工作点75℃)实现过温保护。

结合图4-图6，本实施例在主程序里主要实现了装置的初始化设置、事件管理器的设置、变量的初始化和中断设定等工作。在完成了装置的设定及各个应用模块的初始化工作以后，程序进入等待，等待软件定时器中断的到来。在软件定时器中断子程序中，主要完成了SPWM波的计算工作和一些细节上的处理工作。图4给出了装置主程序的流程图。图5给出了软件定时器中断子程序流程图。在软件定时器中断子程序中，程序实现了对SPWM脉冲的计算，计算出了这个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当中。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时的三个比较器的比较值，并且进行了对窄脉冲的判断和删除。

另外，本实施例装置采用复合控制器(即智能控制策略及经典PID控制策略的结合)来实现水泵压力控制，如图1和图6所示。具体讲就是实时采样泵压力反馈信号Pf，并与给定压力Pref进行比较，并将差值Delta_P与阈值Pj进行比较，当Delta_P＞Pj时采用模糊控制策略，加快装置响应速度；当Delta_P＜Pj时采用PID控制策略，提高装置的稳态精度。复合控制策略的使用大大地改善了水泵压力控制装置的动态调节特性。

Claims

1、一种智能型水泵专用变频恒压控制装置，它包括设置在封闭壳体内的电源单元、感应电动机、采样滤波单元，其特征在于它还包括数字信号处理器和故障综合模块，感应电动机和采样滤波单元分别连接水泵，采样滤波单元和故障综合模块连接数字信号处理器，数字信号处理器通过依次连接的隔离单元、自举驱动单元和功率模块连接感应电动机，电源单元连接功率模块，数字信号处理器还分别和键盘设定单元、压力设定单元、状态指示单元与参数显示单元连接。

2、根据权利要求1所述的智能型水泵专用变频恒压控制装置，其特征在于所述的数字信号处理器采用数字信号处理器TMS320LF2407，内部设置有正弦波脉宽调制单元，正弦波脉宽调制单元连接隔离单元。

3、根据权利要求1所述的智能型水泵专用变频恒压控制装置，其特征在于所述的自举驱动单元采用自举驱动芯片IR2110和一相桥臂驱动电路，同一桥臂的两个功率开关管采用互补工作方式。

4、根据权利要求1所述的智能型水泵专用变频恒压控制装置，其特征在于所述的采样滤波单元包括连接水泵的泵压力传感器和低通滤波模块，低通滤波模块连接泵压力传感器和数字信号处理器。