辛志東，徐中，邱鐵

1 引言

生化反應(yīng)池在水處理過程中非常重要。需要通過調(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)該通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上卻是利用擋板閥門后者放空的方法進(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)字信號處理可以對電機(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)采用磁場定向矢量控制的方法對電機(jī)變頻，又稱FOC控制。其實(shí)質(zhì)是將異步交流電動機(jī)等效直流電動機(jī)，將三相坐標(biāo)系下的定子交流電流通過3／2變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流，再通過轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流，相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵(lì)磁電流和電樞電流，然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，分別對速度、磁場兩個(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；可以對轉(zhuǎn)局實(shí)行精確控制；系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度非常快；電動機(jī)的加速特性很好。FOC控制結(jié)構(gòu)簡圖如圖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、電流檢測裝置、IGBT驅(qū)動電路、鍵盤及顯示電路組成。

3 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 DSP主控模塊

電機(jī)控制專用定點(diǎn)器件TMS320LF2407的特點(diǎn)是：采用雙總線的哈佛結(jié)構(gòu)；四級流水操作；專用的硬件乘法器；內(nèi)部32 KB的Flash程序存儲器、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的對稱和非對稱波形；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主要用來生成PWM波，DSP通過速度環(huán)與電流環(huán)調(diào)節(jié)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。指定轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。鍵盤無輸入時(shí)，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(shí)，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(zhuǎn)速。

電機(jī)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(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)過簡單的計(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模塊送至DSP的。A／D轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對PWM占空比的調(diào)整，從而最終實(shí)現(xiàn)對轉(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，基本滿足多相電機(jī)換相控制的需要。開發(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生成熔絲文件，可采用JTAG方式對CPLD器件下載編程。