基于雙控制器的高壓變頻裝置測(cè)控系統(tǒng)

1 引 言

    高壓變頻裝置的主要應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)大容量電機(jī)。此類電機(jī)多用在泵和風(fēng)機(jī)等負(fù)荷，如自來水廠的抽水泵，電廠的送風(fēng)機(jī)、引水泵等等。大型電機(jī)自身的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和此類工業(yè)過程的特殊性對(duì)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和靜態(tài)工作的穩(wěn)定性要求較低，而對(duì)電機(jī)工作的可靠性要求較高。

    測(cè)控系統(tǒng)所要達(dá)到的較基本要求是對(duì)受控對(duì)象的狀態(tài)測(cè)量和功能控制。其中測(cè)量部分通過測(cè)量傳感器對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)（如電流、電壓、溫度等物理量）進(jìn)行測(cè)量，再由變送單元將這些量變換成一定形式的電信號(hào)，傳遞給控制系統(tǒng)�？刂撇糠职堰@些數(shù)據(jù)加以計(jì)算分析，并根據(jù)控制所要達(dá)到的目的，由控制系統(tǒng)自動(dòng)地或經(jīng)人工干預(yù)向被控對(duì)象發(fā)出控制信號(hào)，保障控制設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 測(cè)控系統(tǒng)的整體構(gòu)架及設(shè)備選型

    2.1 測(cè)控系統(tǒng)的整體構(gòu)架

    根據(jù)上面的分析，可以構(gòu)造出整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖1。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.2 硬件選型

    工控機(jī)：作為整個(gè)系統(tǒng)的中央控制單元。設(shè)計(jì)選用的是研華（Advantech）MIC-2352 型工控機(jī)。多串口卡：9 個(gè)單元上傳的數(shù)據(jù)以串行方式傳輸至工控機(jī)。根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的需求（支持DOS 操作系統(tǒng)，大于20 路串行接口，高速傳輸波特率大于115.2Kbps，多路信號(hào)并行接收，支持ISA 總線，高可靠性等），我們選擇了C320－turbo 多串口卡。

    數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡的主要應(yīng)用是通過IO 口采集變頻裝置的主回路接觸器、繼電器的開關(guān)狀態(tài)，并向其發(fā)出控制接觸器的分合閘。使用的數(shù)據(jù)采集卡是北京雙諾測(cè)控公司的AC1081 型數(shù)采卡。配套AC157 端子板可以提供16 路低通濾波及I/V 變換。AC1081 采用大規(guī)�？删幊涕T陣列設(shè)計(jì)，具有較高可靠性。

3 工控機(jī)接口部分的應(yīng)用設(shè)計(jì)

    工控機(jī)及其接口部分的應(yīng)用設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：串口通信、中斷控制和ISA總線，以下分別說明。

    3.1 串行通信

    由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理信息的方式為并行數(shù)據(jù)處理，而串行外設(shè)接收或發(fā)送的信息是串行的，因此串行接口對(duì)于輸入來說必須完成由外設(shè)到主機(jī)的串行信號(hào)的格式轉(zhuǎn)換;對(duì)于輸出而言，又必須進(jìn)行并行到串行格式轉(zhuǎn)換。串行異步通信有一定的傳輸規(guī)范或稱作異步通信協(xié)議。它包括兩方面的內(nèi)容：一是字符的傳送格式的規(guī)定，二是數(shù)據(jù)傳送速率的要求。異步通信的字符格式如圖2。

圖2 異步通信字符格式

    常用的串行通信接口芯片有Intel 公司的8250 及美國(guó)半導(dǎo)體公司的16550。目前計(jì)算機(jī)主板上都采用了與16550 兼容而性能更高的模塊。對(duì)串口編程主要是對(duì)可編程串口芯片內(nèi)部的10 個(gè)寄存器進(jìn)行必要的讀或?qū)�，根�?jù)寄存器的端口地址可以訪問不同的寄存器。通過串口編程來設(shè)置串口通信的格式和波特率以及接收發(fā)送數(shù)據(jù)。

    3.2 ISA 總線

    在設(shè)計(jì)基于ISA 總線的接口板卡時(shí)，利用ISA 總線接口信號(hào)中的地址線A0～A15，通過板卡的地址譯碼電路，譯出符合ISA 地址要求且與系統(tǒng)其他硬件地址不沖突的地址。如采用中斷方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還必須給板卡確定的中斷號(hào)，同時(shí)中斷請(qǐng)求端必須與ISA 總線的接口信號(hào)IRQi 的準(zhǔn)確連接。

    3.3 中斷控制

    波形卡中斷的完整處理過程如下所述:首先由波形卡在ISA 槽上10 號(hào)中斷針腳產(chǎn)生一個(gè)從低電平到高電平的變化，來向中斷控制器請(qǐng)求中斷服務(wù)。控制器接著檢查IRQ10 是否被屏蔽或是否有更高一級(jí)的中斷正在執(zhí)行。如果都沒有，便通知CPU 處理。CPU 中斷當(dāng)前的進(jìn)程，在堆棧中保存當(dāng)前指令的地址和標(biāo)志，然后調(diào)用位于向量72h 處中斷服務(wù)處理程序。在中斷處理程序結(jié)束時(shí)，需向端口20h 發(fā)送值20h，向中斷控制器發(fā)送中斷結(jié)束信號(hào)。而后CPU 返回前面被中斷的進(jìn)程，完成中斷的相應(yīng)處理過程。

4 其他模塊功能介紹

    4.1 波形發(fā)生卡

    波形的計(jì)算和產(chǎn)生是在波形卡上的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）中實(shí)現(xiàn)的。PWM 控制信號(hào)的產(chǎn)生通常是由微控制器如DSP 或單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。但此控制系統(tǒng)卻不同，用FPGA 的邏輯變換和計(jì)算來直接產(chǎn)生控制功率器件的導(dǎo)通/關(guān)斷信號(hào)。

    板上采用的芯片是ALTERA 公司的FLEK-10K 系列芯片。嵌入式陣列由一系列的EABs（Embedded Array Block——嵌入式陣列塊）組成。當(dāng)使用EAB 來實(shí)現(xiàn)邏輯的時(shí)候，每一個(gè)EAB 可以提供100～600 個(gè)門來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯處理。波形卡與工控機(jī)通過ISA 槽連接，以工控機(jī)傳遞的波形控制字為計(jì)算的輸入信號(hào)，經(jīng)如圖3 的計(jì)算處理后，輸出18 個(gè)功率單元的PWM 控制信號(hào)。

圖3 波形卡功能圖

    4.2 光電轉(zhuǎn)換板

    光電轉(zhuǎn)換板執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換及脈沖封鎖的功能。為了實(shí)現(xiàn)控制回路與主回路的隔離，并防止對(duì)通信信號(hào)的干擾，所有的傳輸信號(hào)均通過光纖傳輸。光電轉(zhuǎn)換板便是信號(hào)傳輸、轉(zhuǎn)換的一個(gè)中繼站和控制站。

   上傳信號(hào)是從功率單元和測(cè)量單元以光信號(hào)傳輸?shù)拇�行格式�?shù)據(jù)，在光電轉(zhuǎn)換板上要實(shí)現(xiàn)的是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232 標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)。下傳信號(hào)是從波形卡發(fā)出的是直接控制功率器件通斷的TTL 電平信號(hào)，經(jīng)光電板轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由光纖發(fā)送到功率單元，功率單元再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為觸發(fā)脈沖信號(hào)。光電板上的信號(hào)轉(zhuǎn)換如圖4 所示：

圖4 光電板上的信號(hào)轉(zhuǎn)換

    同時(shí)板上的CPLD 又具有檢測(cè)串口信號(hào)并封鎖脈沖的功能。板上CPLD 不斷地檢測(cè)單元上傳的串口信號(hào)的每一位信號(hào)。

    4.3 人機(jī)面板

    為符合工業(yè)設(shè)計(jì)的要求，人機(jī)界面決定采用液晶/鍵盤的形式，界面與工控機(jī)通過工控機(jī)自身的串口連接。人機(jī)界面的液晶選用精電蓬遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的內(nèi)置T6963C 控制芯片的MGLS240128TA 型液晶顯示模塊。該型號(hào)液晶具有240×128 點(diǎn)陣，使用16×16 漢字顯示，滿屏可顯示15 列8 行漢字信息數(shù)據(jù)，并配有背光。液晶顯示模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了T6963C 與行、列驅(qū)動(dòng)器及顯示緩沖區(qū)RAM 的接口，同時(shí)也在硬件上設(shè)置了液晶屏的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸方式、顯示窗口長(zhǎng)度、寬度等等。內(nèi)置T6963C 單屏結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊的方框圖如圖5。

圖5 內(nèi)置T6963C 液晶顯示模塊的方框圖

    4.4 繼電器板

    繼電器板與數(shù)采卡相連接，與數(shù)采卡配合工作。其作用是將工控機(jī)通過數(shù)采卡I/O 口的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為繼電器動(dòng)作的控制信號(hào)，將繼電器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)采卡電平信號(hào)。繼電器板上有5 個(gè)24V 低壓繼電器，這些繼電器受工控機(jī)信號(hào)控制。這些繼電器動(dòng)作后，再分別控制主開關(guān)的接觸器和高壓繼電器。同時(shí)，繼電器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信號(hào)也在繼電器板上被轉(zhuǎn)換為0V 或5V 的電平信號(hào)，由工控機(jī)讀取。

    4.5 測(cè)量單元

    測(cè)量單元測(cè)量輸出的電流電壓量。變頻裝置輸出的電壓電流量信號(hào)經(jīng)過信號(hào)變換、調(diào)理和濾波后，采集信號(hào)的峰值。再將得到的值經(jīng)光纖上傳。測(cè)量單元的芯片采用的是ADuC812。ADuC812 由美國(guó)AD 公司生產(chǎn)的一款性價(jià)比較高的單片。它自帶一個(gè)8 通道12 位ADC 轉(zhuǎn)換器，無需設(shè)計(jì)AD 轉(zhuǎn)換電路。由于變頻裝置輸出的電流和電壓是頻率和幅值都變化且波形并不十分正弦的高壓的電氣量。所以首先要對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行變換。實(shí)驗(yàn)室的模型機(jī)上采用電阻分壓取出線電壓量，在主回路上串聯(lián)的小電阻上取出電流量。而后又經(jīng)過濾波、放大、隔離等一系列的信號(hào)調(diào)理，較后由ADuC812 測(cè)取。測(cè)取時(shí)取電壓電流信號(hào)的峰值，并將電壓電流的峰值和峰值時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，可求得電壓電流的有效值、頻率、相位等信息。而后將這些信息通過光纖上傳至工控機(jī)中。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

    （1）更高的可靠性和穩(wěn)定性。高可靠性和穩(wěn)定性可以體現(xiàn)在以下方面: 以工作穩(wěn)定的FPGA 實(shí)現(xiàn)波形計(jì)算的任務(wù)。工控機(jī)除自身帶有看門狗功能，能在死機(jī)情況下自重啟外，還可由波形卡對(duì)其復(fù)位。利用光電轉(zhuǎn)換板和光纖使控制回路與高電壓主回路完全隔離，避免了主回路的電壓沖擊和對(duì)傳輸信號(hào)的干擾。光電板上的脈沖封鎖保護(hù)功能更能準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)單元和整個(gè)變頻裝置實(shí)施保護(hù)。

    （2）充分發(fā)揮工控機(jī)和FPGA 各自的優(yōu)勢(shì)�？刂葡到y(tǒng)以工控機(jī)和FPGA 形成雙控制器結(jié)構(gòu)，使計(jì)算、控制過程更加快捷。

    （3）考慮了工業(yè)化的實(shí)際要求。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是按照工業(yè)化的模式設(shè)計(jì)的。

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