基于dsPIC的FFU风机变频调速控制系统

  摘 要:为了降低FFU风机的运行损耗,改善FFU风机的控制效果和提高控制精度,设计开发了一种基于dsPIC数字控制技术的FFU风机变频调速控制系统,系统采用Microchip公司的高性能数字信号控制器(DSC)dsPIC30F2010为控制核心,利用专用的电机控制PWM模块实现对FFU风机的模糊-PI闭环变频调速控制。对控制系统的组成,各软硬件进行了设计和实现。最后通过实验验证了该系统的正确性,具有很好的工程应用前景。

  关键词:dsPIC风机过滤单元;风机;变频调速;控制系统

  1.引言

  风机过滤器单元(Fan Filter Unit,FFU)作为一种净化设备,在各种洁净工程中得到了广泛应用[1]。作为关键组件之一的风机常采用单相交流电机[2],传统的FFU单相交流电机调速控制主要采用有档调速或可控硅无级调速控制方式,这些控制会存在电机工作效率低、能耗高、噪音大、电流波形失真严重等问题。

  Microchip公司推出了将数字信号处理器(DSP)技术与微控制器相结合的数字信号控制器(Digital Signal Controller,DSC),其内部采用改进型哈佛结构,dsPIC30F系列芯片综合了16位单片机和DSP功能,它的数款面向电动机控制的芯片,内部集成了适用于电动机控制的丰富外围芯片,非常适合电机变频控制调速的应用场合[3-6]。

  为此,本文设计开发了一种基于dsPIC30F2010的FFU风机变频调速控制系统,采用闭环控制算法,实现对FFU风机的高效控制。

  2.FFU风机变频调速控制系统

  FFU风机变频调速控制系统结构框图如图1所示,主要包括主电路和控制电路部分。主电路部分为单相220V/50Hz交流电经不控整流滤波环节后变成稳定直流,直流经全桥逆变变成电压和频率可调的交流电后,向FFU风机控供电。控制电路以dsPIC30F2010为控制核心,包括工作电源电路、载波通信电路、隔离放大电路、速度反馈和人机接口电路等部分。dsPIC30F2010通过运算后,产生的PWM信号经隔离放大电路控制驱动全桥逆变电路工作,产生变压变频的交流电输出,调节控制FFU风机的转速和风量输出。

  3.系统控制算法设计

  传统的FFU风机的转速控制常采用开环控制,控制简单易于实现。而交流感应电机是一种非线性时变的复杂系统,很难建立精确的数学模型及存在一些不确定的扰动因素,采用传统的开环控制或经典控制理论很难以取得较好的控制效果。模糊控制是一种人工智能控制方法,不依赖对被控对象精确的数学模型,比较适合非线性系统的控制,但是由于模糊控制没有积分环节,属于有差控制[7], 如果单独采用模糊控制还是难以满足FFU风机变频调速的高精度和高性能控制。为此,本系统采用一种模糊/PI双闭环控制的,发挥各种的控制优势,来实现对FFU风机的精确控制。

  系统控制算法原理框图如图2所示。系统检测风机速度与参考速度的差值,作为模糊控制器的输入,控制器的输出作为电流参考信号与实际电流检测信号的偏差作为PI调节控制器的输出,PI调节控制器的输出控制PWM信号的产生,改变PWM信号的占空比和频率,从而控制逆变器的工作。

  4.系统设计与实现

  4.1 控制芯片dsPIC30F2010 [3][8]

  系统选用采用Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC30F2010为控制核心为控制核心,dsPIC30F2010是专为电机高速控制及电源变换所设计的一款高性能微控制器。其运行速度高达30MIPS,具有最大144 KB的闪存、完备的电机控制及电源变换用的PWM模块、16路10位A/D转换通道、多种通信模块以及64 Kbits片内闪存等,从而大大简化了系统外围结构电路。

  4.2 主电路设计

  本设计的主电路拓扑为常见的AC-DC-AC结构,交流220V经整流滤波后输入全桥逆变电路,单相交流电经整流成直接后,再将直流逆变成幅值和频率可调的变压变频交流向风机供电,实现FFU风机的变频调速。整流电路采用了D10XB80整流器模块进行设计。逆变电路为三相两桥臂结构,逆变电路的主功率开关器件采用SKP06N60快速IGBT组成,SKP06N60的最高电压和电流分别为600V/5A。逆变输出为电压幅值和频率可调的双路正弦波,相位互差90度,调节范围1~50Hz,调节精度为0.5Hz,通过调节逆变输出的电压和频率就可以对风机进行变频调速。

  dsPIC30F2010输出的PWM控制信号经光耦6N137信号隔离后输出到驱动芯片IR2103后驱动控制全桥IGBT功率器件。驱动电路组成图如图3所示。

  4.3 通信电路

  对于大多净化工程的应用,FFU的数量较大,可达到上几千至几万台的规模,常采用组网运行的方式来实现对各FFU的控制。

  电力线载波通信(power line carrier communication, PLC)技术则是以低压配电线作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式[9-10]。由于供电网络本身是一种方便、低成本、高可靠性的通信媒介,使得电力载波通信变得方便、成本低、易实现[11-12],在各种控制系统中得到广泛的应用。本设计也采用PLC通信来实现控制系统的组网,电力通信模块采用北京福星晓程电子科技股份有限公司的PL2102芯片组成[11],PL2102是特别针对中国电力网恶劣的环境研制开发的专用于低压电力线通讯网络设计的半双工异步调制解调器。电力载波通信电路如图4所示。

  4.4 软件设计

  软件主要包括监控软件和控制器软件。监控软件采用基于Visual Studio开发平台进行开发,主要软件程序包括用户管理、运行监控、系统管理控制和数据库处理。控制器软件基于Microchip的集成环境MPLAB IDE来进行控制软件开发,利用C语言编程语言编写控制程序,并采用模块化设计思想软件设计。控制软件程序主要计包括:主程序模块、速度闭环控制模块、通信模块及人机接口处理模块等。主程序模块是系统程序的调度执行部分,包括系统初始化、寄存器配置、子模块调用、看门狗复位等功能。软件系统程序组成图如图5所示。

  5.应用实验及结论

  将所设计开发的基于dsPIC的FFU风机变频调速控制系统进行测试应用实验,实验风机参数为:额定工作电压/电流220V/1.6A,额定功率180W的单相交流电机。记录运行实验波形如图6所示,其中图(a)为绕组电流波形,为平滑的正弦波;图(b)为速度控制波形。从实验运行结果看风机运行平稳,调速性能好,温升小,效率高,证明了该系统的有效性和可行性。

  基于dsPIC的FFU风机变频调速控制系统,采用模糊PI闭环的变频调速控制,较传统的控制方式,具有效率高、性能好、可靠稳定等优点,系统可通过PLC通信可实现组网群控,提高了系统的整体效率和控制精度,且降低了风机的能耗,实现了FFU风机的节能运行。最后通过实验验证了该系统的正确性和有效性,这为新型FFU风机控制系统的开发和应用,提供了一种行知有效的解决方案,具有很好的工程应用前景。

  参考文献

  [1] 张利群.FFU的应用[J].洁净与空调技术,2003,39(3):46~48

  [2] 严勤丰,陈中权.关于交流速群控FFU控制系统探讨[J].洁净与空调技术,2008, 9(3): 86-90

  [3] Microchip. dsPIC30F2010数据手册高性能16位数字信号控制器, 2007.

  [4] 陈永军, 黄声华, 翁惠辉, 李俊杰.基于dsPIC的无刷直流电机调速系统方案[J]. 电机与控制应用,2006(8):32-33

  [5] 何礼高.dsPIC30F电机与电源系列数字信号控制器原理与应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2007

  [6] 席惠,马立华,宗剑.基于dsPIC30F的数字式交流异步电动机变频调速系统设计[J].电气应用,2010,29(16):58-60

  [7] 乔兴宏,吴必军,邓赞等.模糊/PID 双模控制在光伏发电MPPT中应用[J]. 电力自动化设备,2008, (10):92-94

  [8] 徐翠珠,马瑞卿,赵犇. 基于dsPIC30F2010的高性能航空陀螺逆变电源设计[J]. 测控技术,2011,30(10):53-56

  [9] Majumder A,Caffery J. Power Line Communic-ations [J].IEEE Potentials, 2004, 23(4): 4-8.

  [10] 刘述钢,刘宏立.压电力线载波通信的无源耦合电路设计[J].电子技术应用,2011,37(4):98-101

  [11] 北京福星晓程电子科技股份有限公司.PL2102 芯片手册,2004.

  [12] 杜建华,张认成.基于低压电力载波通信的温度采集系统[J]. 仪表技术与传感器, 2007, (5):31-34.

  作者简介:

  汪义旺(1981-),男,安徽安庆人,硕士,研究方向为电力电子新技术及应用。

相关文章