高压软启动器的数字化控制研究

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摘 要 本文研究了以数字信号处理器DSP和FPGA为控制核心的高压软起动器数字控制系统，并给出了高压软起动器现场实际运行结果。运行结果表明，该数字控制系统满足高压软起动器对高压异步电机起动电流的控制要求。

【关键词】高压软起动器 高压异步电机 DSP FPGA

1 引言

控制系统是高压软启动器的核心，决定了高压软启动器系统的各项主要性能和指标。考虑到高压软启动器晶闸管变流单元控制上的复杂性，本文设计了一种DSP+FPGA数字化控制电路系统方案，FPGA实现输出多路触发脉冲至驱动电路，DSP仅发送控制命令和设置参数，使得脉冲触发电路具有可扩展性和通用性。

2 数字化控制的高压电机软启动器系统组成

图1是采用DSP+FPGA芯片为控制核心的高压软启动器系统原理图。主要包括以下几个模块：晶闸管触发电路，该部分电路实现了对晶闸管的隔离放大驱动，并返回故障信息以保护晶闸管器件安全；数字量输入输出的功能用来接收外部数字量信息状态，并将高压软起动器内部状态信息反映给外部；模拟量输入输出接口的功能是用来接收输入的模拟量，经过处理后进入DSP；键盘电路和LCD显示电路，采用单片机独立控制来检测按键状态，通过液晶显示屏显示信息，这个人机界面模块和主控系统通过串口连接，以RS232接口载体，采用MODBUS协议，通过内部要求的循环冗余效验方式实现实时无差错的收发和信息共享，提供准确和通畅的信息交换。电压电流检测电路主要是采集直流母线电压和采样高压软启动器输出侧的电流值，然后反馈回控制系统作为控制算法的输入和计算依据。整个数字控制系统通过对高压软启动器主回路的电压和电流进行采样，接受输入接口信号和人机交互界面的命令，以高性能DSP芯片为载体，以移相调压控制理论为依据实现对整个软启动器系统高精度，高速度的控制。

3 DSP+FPGA的控制电路

数字控制在对高压异步电机起动电流进行控制时，一方面需要对加到晶闸管的门极脉冲相位进行控制，另一方面，还需要有一个完整的控制功能和逻辑处理接口功能，以满足控制上的要求。本数字控制系统选用的DSP和 FPGA型号分别为TMS320LF2812 和EP3C10E144C8。

TMS320LF2812芯片具有每秒2千万条指令的处理运算速度，并具有丰富的外接I/O端口，片内集成设备以及专用的脉宽（PWM）发生函数和捕获单元。使DSP控制性能远远超过传统的32位微控制器和微处理器。DSP电路主要包括电源及复位电路、时钟和引导模式选择电路、下载调制电路和通讯扩展电路。

EP3C10E144C8芯片具有5980个逻辑单元和92160比特的存储单元。该系列芯片高效的内部连线和低延时的时钟网络，保证了每个结构单元之间时钟和数据线号的连通性。I/O块支持一系列单端和差分I/O电平标准，每个I/O单元包含3个寄存器以实现双倍数据速率应用和其他I/O特性相关电路。本文设计的FPGA最小系统主要包括电源电路、JTAG接口和AS模式的两种下载调试电路和时钟电路。

4 实际运行结果分析

本高压软起动器经过对潜油高压异步电机启动控制实验证明，潜油高压异步电机起动平稳，实验中选用的电机功率为412kW，额定电压为2725V，额定电流为112A。图2是斜坡电压起动电流特征波形，在电动机起动过程中，电流随着电压的升高逐渐上升，大约2秒后达到最大值340A，没有明显的电流冲击，经过6秒后，电流开始下降并逐渐达到稳定运行电流。

5 结论与展望

本高压软起动器已经应用于工业潜油高压异步电机的起停控制中。实现了高压异步电机的平稳起停，达到了预期效果。设计选用DSP+FPGA为控制核心，将主要的控制功能和多组晶闸管触发电路功能分开，充分发挥了DSP具有强大的外部通信接口便于构成大的控制系统的优点。在后续的设计改进中要考虑加入高压软启动器与其他设备的网络通讯功能。

参考文献

[1]吴瑕杰，方辉，宋文胜.一种基于DSP-FPGA的辅助逆变器核心控制系统[J].电机与控制学报，2015.5.

[2]耿大勇，李亮之，魏玲.基于开关变压器的高压异步电机软启动器的仿真研究[J].电气传动自动化，2012.

作者单位

陕西天海泵业有限公司 陕西省西安市 710016