基于DSP变速泵供水系统的设计

[摘要]直流恒压供水系统是现代化城市和生活小区供水的发展方向。系统所选用的无刷直流电动机兼顾了直流电机与交流电机的优势，目前已经得到了非常广泛的发展。TMS320LF2407不但具有高性能的LF24X DSP内核，配置有高速数字信号处理的结构，而且还具有单片电机控制的外设功能。它将DSP的高速运算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起，从而为直流恒压供水系统的设计奠定了基础。本系统采用DSP控制直流恒压供水系统，工作可靠，实现容易，高效调节，性能优越且价格低廉，对于小范围内的供水是非常理想的系统。
　　[关键词]TMS320LF2407 三相无刷直流电动机 PID算法 PWM控制
　　
　　一、变速泵供水系统
　　随着人们的居住环境的集中以及生活个性化的发展，城市供水系统的负荷变化很大。以前通常采用大型蓄水池的方式来缓解，该方法供水压力稳定，但存在许多弊端，如设备使用寿命不长、需派专人管理等。近年来在供水系统中引入了直流恒压供水系统，较好地解决了以上问题。
　　采用TI公司生产的TMS320LF2407驱动三相直流无刷电机来完成对水泵的控制。TMS320LF2407是16位定点DSP芯片，它的速度高达40MIPS，片内配置有双口数据存储器DARAM和ROM/FLASH等程序存储器，有强大的片外寻址能力，并具有丰富的片内外围设备，可广泛应用于数字马达控制、工业自动化、电力转换系统、空调控制等。TMS320LF2407在性能上远远超过一般的单片机芯片，而其价格却在逐年下降，正在逐步接近单片机的价格，成为不可或缺的可编程基础器件。因此在进行了多方面考虑之后，采用了TMS320LF2407作为系统的主控芯片。
　　选用的水泵型号为LG50-160A，其工作功率为2.2KW，启动电压为220V三相交流电，工作电压为15V。该型号水泵可保证供水流量在5-5000 m3/h，水压范围在0.1-1.5Mpa。本文设计的供水系统由两套水泵组成，这样可以根据需水量的多少灵活选择应用几套水泵，来保证既满足用户的需水要求又不至于浪费。该系统所对应的蓄水池是10m3，可同时为200户用户提供用水，因此本系统适用于小范围内的居民用水。
　　系统设计中采用了三相无刷直流电机来驱动水泵。无刷直流电动机既有直流电动机优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点，又有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，所以它一经出现就以极快的速度发展和普及着。
　　智能供水系统由两套水泵组成，是为达到大范围恒压供水的目的(如果需要更大的供水量，可继续增加水泵套数)。这样可以避免因一台水泵故障，导致整个供水系统瘫痪的弊端。而且能利用水泵的运行曲线和工作效率的关系，使得多套水泵轮流处于节能高效的运行状态，既节约能源又延长水泵寿命。
　　在系统运行中，随着用户供水量和控制台要求的变化，需要对各套水泵的运行套数和运行状态做出调整，并加以做记录。这样，任何一套水泵在程序的控制下，都可以工作在全速或调速状态。进一步通过控制算法设计，可以保证两套水泵的运行时间和开启次数接近，大幅度的减少对水泵组的磨损。
　　为了实现恒压供水，将出水管道(即起始于水泵组，连接至小区用户的输水线路)的压力值经压力传感器进行检测。并把经过处理(幅度范围)的标准信号，送入DSP控制器。经DSP控制器内部A/D采样和程序控制确定运行水泵的套数，并进行PID运算，控制PWM信号波形，以调整无刷直流电机的转速，从而控制供水系统的压力平衡。
　　二、变速泵供水系统的总体设计方案
　　恒压供水系统是指在用户端用水量变化的情况下，总保持水泵出水管网中水压基本恒定。这样，既可满足不同时间、不同用户对用水量的需求，又不会产生电动机空转，防止造成电能的浪费。
　　系统以控制器、两台由直流无刷电动机带动的水泵、压力传感器、I/V转换预处理电路等构成的闭环系统为控制核心，此外系统还包括水位传感器、I/V转换预处理电路、水位报警指示灯、LED显示器件、键盘等外围部件。
　　控制器是以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407为核心组成的， 它具有运算速度快、处理能力强、实时性高和抗干扰能力好的特点，并可利用它丰富的指令集， 通过软件实现系统的各种控制及检测功能， 从而大大提高系统的处理能力。
　　为了实现恒压供水，系统首先通过置于水泵出水管网上的液压传感器周期性地采集水泵出水管网中的水压信息，并将其变送成(幅度范围)的标准信号，输入到DSP中进行AD转换、滤波和尺度变换，以将该压力信息转换为数字量压力Hf。DSP通过将实际供水压力值Hf与设定的压力值Hr进行比较， 形成偏差Δe，按照PID控制算法规律，控制输出的PWM波形信号，通过改变PWM波形的占空比来调整无刷直流电机的转速，进而改变变速泵的抽水速率，维持出水管网中压力的稳定。如此经过循环反复的调整，就可以使供水管网中的压力值围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒压。这就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
　　三、结束语
　　采用DSP控制器，设计了信号采集、预处理和人机接口等各部分的系统硬件电路，并进行了软件编程和一系列的调试工作。由于采用了适于数字信号处理的硬件处理核心DSP，因此与传统的MCU电控系统相比，具有性能和精度高、实时性强、体积小、性价比高等特点。
　　
　　

参考文献

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