專利名稱：水泵軟啟動裝置的控制器的制作方法
所屬技術(shù)領(lǐng)域 本實用新型公開一種控制器，具體涉及一種水泵軟啟動裝置的控制器，此裝置是水泵軟啟動器的控制核心。

背景技術(shù)：
電機軟啟動器如今已得到了廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)的軟啟動器對普通電機的啟動是有效的，但水泵系統(tǒng)的負(fù)載與其它工況不同，由于其帶動的是流體，本身具有很大的慣性，若采用傳統(tǒng)的降壓啟動的方式可將加速轉(zhuǎn)矩大幅度降低，但水泵在啟動接近尾聲時產(chǎn)生的突升轉(zhuǎn)矩仍會引起流體發(fā)生瞬間沖擊。在軟停車方面，線性斜坡降壓軟停方式不能有效的改善泵系統(tǒng)停機時的性能，常常引起電動機停止過程中轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，產(chǎn)生震蕩，可能會對電機和葉輪造成影響，若啟動頻繁易造成損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型公開一種針對水泵軟啟動裝置的控制器，它以傳統(tǒng)晶閘管軟啟動的主電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)觸發(fā)角度，按照水泵系統(tǒng)的特性曲線來控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，使控制電機起停的電磁轉(zhuǎn)矩與泵系統(tǒng)特性曲線相匹配，使水泵能夠平穩(wěn)起停，避免“水錘”現(xiàn)象的發(fā)生。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種水泵軟啟動裝置的控制器，它包括電壓采樣單元、電流采樣單元、同步信號檢測單元、DSP控制單元、觸發(fā)脈沖單元和通信單元，所述的電壓采樣單元與DSP控制單元相連接，電流采樣單元與DSP控制單元相連接，同步信號檢測單元與DSP控制單元相連接，觸發(fā)脈沖單元與DSP控制單元相連接，通信單元與DSP控制單元相連接；所述的電壓采樣單元、電流采樣單元、同步信號檢測單元、DSP控制單元、觸發(fā)脈沖單元和通信單元全部安裝于電路板上，電路板上安裝有通信接口、電壓信號接口和電流信號接口。
本裝置還有其他特征 1、所述的電壓采樣單元包括電壓比較器N4B電路連接電壓比較器N4A電路，電壓比較器N4A電路連接二極管V49，所述的電壓采樣單元一端連接電壓信號接口，另外一端連接DSP控制單元，電壓采樣單元通過電壓信號接口與水泵軟啟動裝置的電壓互感器連接。
2、所述的電流采樣單元包括電壓比較器N8B電路連接二極管V8，所述的電流采樣單元一端連接電壓信號接口，另外一端連接DSP控制單元，電流采樣單元通過電流信號接口與水泵軟啟動裝置的電流互感器連接。
3、所述的同步信號檢測單元用來檢測電流過零信號，由放大N11A電路分別連接窗口比較器ND5A電路和窗口比較器ND5B電路組成，所述的放大N11A電路由IC LM239構(gòu)成，窗口比較器ND5A電路由第一IC LM393構(gòu)成，窗口比較器ND5B電路由第二IC LM393構(gòu)成。
4、所述的觸發(fā)脈沖單元由IC74HC244構(gòu)成。
5、所述的通信單元與通信接口相連接，通信單元由IC ADM2483構(gòu)成。
6、所述的DSP控制單元，其特征在于由IC TMS320F2812構(gòu)成。
它的控制策略是首先由反饋的電壓和電流值運算出電磁轉(zhuǎn)矩，再把它與給定值進(jìn)行比較，得出差值，運算出需要調(diào)整的電壓值，再轉(zhuǎn)換為需要調(diào)整的觸發(fā)角變化值，以此來控制電機轉(zhuǎn)矩，要求控制電機啟動時的電磁轉(zhuǎn)矩按照泵特性曲線上升，即盡量使加速轉(zhuǎn)矩保持在一個穩(wěn)定的范圍，而且數(shù)值不大，電磁轉(zhuǎn)矩剛剛超過負(fù)載轉(zhuǎn)矩即可。由于不存在轉(zhuǎn)矩尖峰，電機從而得到了完全平滑的加速度，將系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)降至最低。同樣水泵的停止過程是啟動的逆過程，軟啟動器控制電機的減速，防止任何轉(zhuǎn)矩突變，降低對系統(tǒng)的沖擊。
將電磁轉(zhuǎn)矩Tem近似為時間t的一次函數(shù)，故可設(shè) Tem＝T0+Kt T0為初始轉(zhuǎn)矩，K為電磁轉(zhuǎn)矩的上升斜率； 根據(jù)異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速公式 得到轉(zhuǎn)差率s的計算公式 其中p為電機極對數(shù)，a，b，c為常數(shù)，f為電源頻率； 假定啟動過程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩幾乎是不變的，且在可控硅的移相角α變化到α+Δα這一小段時間內(nèi)，由于電機轉(zhuǎn)速的變化相對應(yīng)其電磁量的變化來說要緩慢的多，因此只要Δα足夠小，就可以假定電機在(α+Δα)時刻處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL相等。
將Tem和s代入三相異步電動機機械特性方程 (r1，xσ1分別為定子的電阻和漏抗。r′2，x′σ2分別為轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗)得到電壓U的表達(dá)式 即相電壓與時間t的函數(shù)U(t)＝F(t)。再通過可控硅調(diào)壓后電壓有效值的計算公式
即得到可控硅的觸發(fā)角與時間的關(guān)系式α＝F(t)。這就是在轉(zhuǎn)矩預(yù)定規(guī)律下得到的α角變化規(guī)律。α和

分別為可控硅的觸發(fā)角和功率因數(shù)角。轉(zhuǎn)矩控制啟動時，要求控制電機啟動時的電磁轉(zhuǎn)矩按控制規(guī)律上升。本方案的給定值是根據(jù)所設(shè)定的轉(zhuǎn)矩斜坡對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，反饋值是根據(jù)電動機反饋的電壓、電流運算出的實時轉(zhuǎn)矩值以及功率因數(shù)角，對其進(jìn)行運算，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號來控制可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷，來控制軟啟動裝置的輸出電壓大小，從而使水泵平滑啟動。
裝置構(gòu)造本裝置為長23.5CM，寬12.6CM，高9.8CM的長方體，裝置底部為接線端子，裝置的右中間側(cè)為通信端口，可以外接人機界而裝置來進(jìn)行顯示和參數(shù)修改。裝置四角邊緣處裝有螺絲孔，用來固定。裝置上方留有散熱孔用來散熱。
泵控軟啟動控制器工作時將輸入進(jìn)來的電壓、電流信號進(jìn)行運算，得出電磁轉(zhuǎn)矩，再把它與給定值進(jìn)行比較，運算出可控硅的觸發(fā)角度，然后發(fā)送出PWM信號來觸發(fā)可控硅，控制電機啟動時的電磁轉(zhuǎn)矩按照泵特性曲線上升。停止時也根據(jù)電壓、電流信號進(jìn)行運算，控制策略為啟動方式的逆過程。
泵控軟啟動控制器采用的是轉(zhuǎn)矩斜坡閉環(huán)控制方式來實現(xiàn)泵控制的功能，通過設(shè)定初始轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩上升斜率，對轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行運算和調(diào)節(jié)進(jìn)而實現(xiàn)降低加速轉(zhuǎn)矩，減小水錘沖擊的效果，從而實現(xiàn)了水泵的平穩(wěn)啟動，延長了水泵系統(tǒng)的使用壽命。

圖1為水泵軟啟動裝置的控制器各單元連接框圖，圖中1.電壓采樣單元，2.電流采樣單元，3.同步信號檢測單元，4.DSP控制單元，5 觸發(fā)脈沖單元，6.通信單元； 圖2為電壓采樣單元電路圖； 圖3為電流采樣單元電路圖； 圖4為同步信號單元電路圖； 圖5為觸發(fā)脈沖單元電路圖； 圖6為通信單元電路圖； 圖7為DSP控制單元與各單元連接圖； 圖8為水泵軟啟動裝置的控制器主程序框圖 圖9為水泵軟啟動裝置的控制器啟動子程序框圖； 圖10脈沖觸發(fā)同步信號中斷程序框圖； 圖11可控硅觸發(fā)脈沖輸出程序框圖。
圖12為水泵軟啟動裝置的控制器外形圖。
具體實施方式
根據(jù)附圖作進(jìn)一步說明 1、裝置硬件設(shè)計 圖2中U0為電壓信號的輸入端，接軟啟動器電壓互感器。高壓接入軟啟動器后通過電壓互感器變?yōu)榈碗妷盒盘枺ㄟ^此電路放大、加正向偏置電壓、限幅后從U2輸出送入DSP的AD進(jìn)行處理，作為電壓檢測、過壓和欠壓保護(hù)。其中N4B，N4A為運放電路，二極管V49用來限幅。圖1中各部分連接關(guān)系電阻R266接電壓輸入信號和測試點U0，另一端接電阻R265和電容C81，C81另一端接地GND2，R265另一端接集成電路N4B的6腳，N4B的6、7腳并聯(lián)電阻R267和電容C84，5腳接電阻R264，R264另一端接地。N4B的7腳接電阻R269，R269的另一端接電阻R262和集成電路N4A的3腳，R262的另一端接電源+V1。N4A的8腳接電源+V2，4腳接-V2，2腳和1腳相連接電阻R263，R263的輸出接電容C83和電阻R261以及雙向二極管V49的3腳，V49的1腳接C83和地GND2，2腳接電源+V1A，電阻R2611的另一端接測試點U2。
圖3為電流采樣單元電路圖，IA1為電流信號的輸入端，接軟啟動器電流互感器。當(dāng)軟啟動器啟動電機時電流通過軟啟動器內(nèi)部的電流互感器變?yōu)榈碗娏餍盘?，通過此電路放大、限幅后從IA2輸出送入DSP的AD進(jìn)行處理，作為電流檢測、過流、過載和欠載保護(hù)。其中N8B為運放電路，二極管V8用來限幅。各部分連接關(guān)系電阻R277接輸入信號IA1，另一端接電阻R83、電容C124以及集成電路N8B的5腳，R83和C124的另一端都接地GND1。N8B的6腳和7腳之間串聯(lián)電阻R1，N8B的7腳接電阻R85和R278，R278的另一端接地GND2，R85的另一端接電容C29、電阻R74以及二極管V8的3腳，C29另一端接GND2，V8的1腳接GND2，2腳接+V1A，3腳接電阻R74以及測試點IB2。
圖4為同步信號單元電路圖，用來檢測電流過零信號。電流信號經(jīng)放大器N11A(LM239)進(jìn)行放大后，通過由ND5A，ND5B (ND5A，ND5B為LM393)組成的窗口比較器，得到電流的過零信號，傳送給DSP作為同步信號。各部分連接關(guān)系電流信號經(jīng)電阻R301后接電容C213的正端，用來濾除直流量，負(fù)端接電阻R302和電阻R140，R302的另一端接地。R140的另一端接N11A的2腳，電阻R126，電容C50，R126和C50的另一端和N11A的1腳相連，3腳接電阻R303和電容C144，R303和C144的另一端相連，并接地。N11A的1腳輸出為電流的放大信號，通過電阻R73接到ND5A的2腳，ND5B的5腳，ND5A的3腳接電阻R1然后接電源+V1，ND5B的5、6腳通過電容C28和R2相連，C28和R2的連接處接地GND2。ND5B的7腳和ND5A的1腳相連接電阻R72，R72的另一端接電阻R71和C27，以及雙向二極管V9的三腳，R71的另一端接電源+V1，C27的另一端和V9的1腳接地GND1，V9的2腳接電源+V1，3腳輸出為同步信號，IAX為測試點。
圖7為DSP控制單元與各單元連接圖。電壓信號、電流信號和同步信號輸入到DSP內(nèi)部后進(jìn)行運算，得出當(dāng)前電機的電磁轉(zhuǎn)矩，再把它與初始給定值進(jìn)行比較，得出轉(zhuǎn)矩差值，運算出需要調(diào)整的電壓值，再轉(zhuǎn)化為需要調(diào)整的觸發(fā)角度，然后再轉(zhuǎn)化為PWM信號，通過驅(qū)動芯片IC3來發(fā)出觸發(fā)脈沖信號來導(dǎo)通軟啟動器的可控硅，以此來控制電機轉(zhuǎn)矩。集成電路IC9為ADM2483通信芯片，與上位機相連進(jìn)行軟啟動控制器和上位機的通信，從而進(jìn)行參數(shù)的修改、啟動運行控制和運行狀況的上位機顯示。各部分連接關(guān)系電壓、電流、同步信號傳送給DSP后，發(fā)出PWM脈沖信號給IC3(74HC244驅(qū)動芯片)的4、6、8腳，IC32腳接電源+V1，20腳接+5V，10腳接地GND1，12、14、16腳為輸出，輸出觸發(fā)脈沖信號。DSP連接到IC9(ADM2483通信芯片)的3、5、6腳，1腳接電源+V1，8腳接地GND1，16腳接電源+5V2，9腳接地TGND2，12腳和13腳作為485通信端接上位機。
2，裝置軟件設(shè)計 圖8為水泵軟啟動裝置的控制器主程序框圖；為整個系統(tǒng)的主程序框圖，主要完成系統(tǒng)的管理、起停控制、故障檢測等工作。
圖9為水泵軟啟動裝置的控制器啟動子序框圖，主要完成轉(zhuǎn)矩T的計算，導(dǎo)通角θ的計算，并與給定的轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行比較，算出轉(zhuǎn)矩差值ΔT。
圖10脈沖觸發(fā)同步信號中斷程序框圖，由于可控硅的觸發(fā)信號是以電流過零點作為同步信號的，只有正確的同步信號才能可靠、有效的觸發(fā)可控硅，從而保證軟起的順利進(jìn)行。由于軟啟動器以電壓斬波方式來降低電壓有效值，其輸出的電壓波形為非正弦，使得電機電流波形產(chǎn)生畸變，給電流過零點的硬件采集帶來了難度，在本實用新型中為了提高電流同步信號識別的準(zhǔn)確性，加入了同步信號識別程序，由于電流的過零點肯定是在電壓過零點到90°之間，所以當(dāng)同步信號落入此區(qū)間內(nèi)設(shè)為有效，否則不設(shè)為同步信號進(jìn)行處理。這就加強了同步信號的準(zhǔn)確性，濾除了多余的干擾。
圖11為可控硅觸發(fā)脈沖輸出程序框圖，同步信號確定之后，經(jīng)過延時計算得到可控硅的觸發(fā)子程序。當(dāng)系統(tǒng)檢測到同步信號后即定時器即開始計時，計數(shù)到零時開始發(fā)送觸發(fā)脈沖。當(dāng)功率因數(shù)角推到零時，軟啟動過程完畢，電壓推為正弦波。為了保證在每一個時刻都有至少兩相導(dǎo)通，除了發(fā)送觸發(fā)信號之外，還需要發(fā)送補脈沖，且要有正、反相的導(dǎo)通來構(gòu)成回路。原則上補脈沖和主脈沖相差為60°，并采用A補B，B補C，C補A的方式來發(fā)送補脈沖。假設(shè)可控硅的排列為A相正相可控硅為VT1，反相為VT4，B相正相可控硅為VT3，反相為VT6，C相正相可控硅為VT5，反相為VT2 泵控軟啟動控制器工作時將輸入進(jìn)來的電壓、電流信號進(jìn)行運算，得出電磁轉(zhuǎn)矩，再把它與給定值進(jìn)行比較，運算出可控硅的觸發(fā)角度，然后發(fā)送出PWM信號來觸發(fā)可控硅，控制電機啟動時的電磁轉(zhuǎn)矩按照泵特性曲線上升。停止時也根據(jù)電壓、電流信號進(jìn)行運算，控制策略為啟動方式的逆過程。
泵控軟啟動控制器采用的是轉(zhuǎn)矩斜坡閉環(huán)控制方式來實現(xiàn)泵控制的功能，通過設(shè)定初始轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩上升斜率，對轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行運算和調(diào)節(jié)進(jìn)而實現(xiàn)降低加速轉(zhuǎn)矩，減小水錘沖擊的效果，從而實現(xiàn)了水泵的平穩(wěn)啟動，延長了水泵系統(tǒng)的使用壽命。
權(quán)利要求1.一種水泵軟啟動裝置的控制器，其特征在于它包括電壓采樣單元、電流采樣單元、同步信號檢測單元、DSP控制單元、觸發(fā)脈沖單元和通信單元，所述的電壓采樣單元與DSP控制單元相連接，電流采樣單元與DSP控制單元相連接，同步信號檢測單元與DSP控制單元相連接，觸發(fā)脈沖單元與DSP控制單元相連接，通信單元與DSP控制單元相連接；所述的電壓采樣單元、電流采樣單元、同步信號檢測單元、DSP控制單元、觸發(fā)脈沖單元和通信單元全部安裝于電路板上，電路板上安裝有通信接口、電壓信號接口和電流信號接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泵軟啟動裝置的控制器，其特征在于所述的電壓采樣單元包括電壓比較器N4B電路連接電壓比較器N4A電路，電壓比較器N4A電路連接二極管V49，所述的電壓采樣單元一端連接電壓信號接口，另外一端連接DSP控制單元，電壓采樣單元通過電壓信號接口與水泵軟啟動裝置的電壓互感器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泵軟啟動裝置的控制器，其特征在于所述的電流采樣單元包括電壓比較器N8B電路連接二極管V8，所述的電流采樣單元一端連接電壓信號接口，另外一端連接DSP控制單元，電流采樣單元通過電流信號接口與水泵軟啟動裝置的電流互感器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泵軟啟動裝置的控制器，其特征在于所述的同步信號檢測單元用來檢測電流過零信號，由放大N11A電路分別連接窗口比較器ND5A電路和窗口比較器ND5B電路組成，所述的放大N11A電路由IC LM239構(gòu)成，窗口比較器ND5A電路由第一IC LM393構(gòu)成，窗口比較器ND5B電路由第二IC LM393構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泵軟啟動裝置的控制器，其特征在于所述的觸發(fā)脈沖單元由IC74HC244構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泵軟啟動裝置的控制器，其特征在于所述的通信單元與通信接口相連接，通信單元由IC ADM2483構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泵軟啟動裝置的控制器，其特征在于所述的DSP控制單元，其特征在于由ICTMS320F2812構(gòu)成。
專利摘要本實用新型公開一種水泵軟啟動裝置的控制器，它包括電壓采樣單元、電流采樣單元、同步信號檢測單元、DSP控制單元、觸發(fā)脈沖單元和通信單元，所述的電壓采樣單元與DSP控制單元相連接，電流采樣單元與DSP控制單元相連接，同步信號檢測單元與DSP控制單元相連接，觸發(fā)脈沖單元與DSP控制單元相連接，通信單元與DSP控制單元相連接。它以傳統(tǒng)晶閘管軟啟動的主電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)觸發(fā)角度，按照水泵系統(tǒng)的特性曲線來控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，使控制電機起停的電磁轉(zhuǎn)矩與泵系統(tǒng)特性曲線相匹配，使水泵能夠平穩(wěn)起停，避免“水錘”現(xiàn)象的發(fā)生。
文檔編號F04D15/00GK201560960SQ20092027363
公開日2010年8月25日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者李超, 劉志強, 趙書強, 何曉平, 張德海, 丁兆國, 周維來 申請人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司