[关键词]
污水处理厂的设备是全天候运转的，而且曝气机和潜水泵是污水处理的核心设备，需要用变频器对曝气机的鼓风机（罗茨风机）和潜水泵进行调速。 1 、变频器在鼓风机（罗茨风机）上的应用 鼓风机将压缩空气通过管道送入曝气池，让空气中的氧溶解在污水中供给活性污泥中的微生物。鼓风机在工频状态下起动时，电流冲击较大，容易引起电网电压波动，而鼓风机（罗茨）风压一定，风量只能靠工作台数及出气阀来调节，实际生产运行中往往是通过调节出气阀门来控制，即增加管道阻力。因而许多能量多浪费在阀门上。随着变频调速器的广泛应用，利用变频器的调速范围宽，机械特性硬等特点，在罗茨风机上应用了 TD2000 系列变频器。由于变频器的软启动大大的减小了电机起动时对电网的冲击，而且在正常运行的时候，将出气阀门开到zui大，根据工艺和参数的要求，适当的调节（通过控制系统的电位器）电机的转速来调节管道的风量，从而来调节污水中的氧气含量。而且可以根据溶解氧传感器反馈的信号（ 4~20MA ）很方便的实现闭环自动控制。免去了许多繁琐的人工操作，并且具有明显的节电效果，以下是风机的节电率统计。 用三台变频器控制三台风机，其中两用一备，电机的功率 P=55KW ，设计风量为 Q 。空载损耗为 10% ，转速 1250 转 / 分。若风机正常在 970 转 / 分以下连续可调，污水处理每天所需的供风量为 1.5Q 。 （1）一台工频运行，一台变频运行；则全速 P0= （ 55-55*10% ） =49.5KW P1=55KW P2=5.5+49.5* （ 50% ） 3=11.7KW 总消耗的功率为 67KW （2）两台变频运行时每台的平均供风量为 75%Q P1+P2=5.5+ （ 75% ） 3*49.5=26.4KW 总消耗的功率为 52.8KW （3）三台变频运行时，每台的平均供风量为 50%Q P1=P2=P3=[5.5+（50%）]3*49.5=11.7KW 总消耗的功率为 P1+P2+P3=35.4KW 可见三台风机全投入变频运行时效果zui好。假定每月工作 30 天，每天工作 24 小时，按每度 0.7 元计，则方案三可以比其他两个方案多节省电缆 8000 元左右。 2 、变频器在潜水泵上的应用 潜水泵起动时的电流冲击及调节压力 / 流量的方式与鼓风机相似。潜水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，且电机起动 / 停止时需开启 / 关闭阀门来减小水锤的影响，如此操作一方面工作强度大，且难以满足工艺的需要。在潜水泵安装变频调速器以后，可以根据工艺的需要，使电机软启 / 软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下，可以降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化，而且变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击。并且具有明显的节电效果。 二、系统应用效果 污水处理厂中的鼓风机和潜水泵在使用了 TD2000 系列变频器以后，不但免去了许多繁琐的人工操作，不安全隐患因素，并使系统始终处于一种节能状态下运行，延长了设备的使用寿命，更好的适应了生产需要。而且安圣变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制。从半年运行情况来看，效果很好。因此，在污水处理厂或相似的系统中使用变频器应具有很好的推广价值。 
2. 烟台热电厂热力总公司 1999 年在供热管路循环水泵上使用 160KW 变频调速器，采用压力传感器检测管网的压力，通过 PID 调节给出一路模拟信号到变频器，变频器给出适当的电压和频率给循环水泵电机，调节泵的转速和输出功率，这样形成一个闭环反馈系统维持管网的压力恒定，并且可以通过内部 变频软起 自动依照当时所需功率，确定所需启停泵的数量。 在实际应用中检测，随着使用时间白天、晚上的不同，供热量不同，所需的供水的功率也不同，传统的调节方式是通过阀门的调节并没有降低供水的功率，只是将多余的水量通过旁通返回，加入变频改造后，所有的旁通阀关闭。系统一方面通过检测管网的压力，进行 PID 调节，变频输出功率自动启停所需泵的数量和转速给出设定的压力，从而将多余的能量节省下来，另一方面，电机和泵的转速可以根据所需压力自动将转速降下来，轴承和其他机械部件磨损大大降低，故障率减少。 总之，通过使用惠丰公司的交流变频器对循环水泵进行改造后，不但操作方便简单维护量少，而且有显著的节能效果，并且实现高度自动化调节，达到供热服务要求 3. 通用变频器中的专用 DSPs 控制器 自 1982 年美国德州仪器公司（ TI ）推出*个数字信号处理器 DSPs （ DigitaI Signal Processors ）芯片 TMS32010 以来，随着超大规模集成电路 VLSI 技术和控制技术的迅速发展， DSPs 技术与产品不断更新换代， DSPs 芯片不仅在运算速度上有了很大的提高，而且在通用性和灵活性方面了极大地改进，性能价格比也大大提高，应用领域的不断扩大。目前 90 ％以上的产品出自四大 DSPs 厂商，即德州仪器公司 TI （ Texas lnstruments ）、朗讯技术公司 Lucent （ Lucent Technologies ）、模拟设备公司 AD （ Analog Devies ）和摩托罗拉公司 Motorola 。 其他的 DSPs 厂商还有 AT ＆ T 、 Fujitsu 、 Harris 、 IDT 、 INMOS 、 NEC 、 OKI 、 SamSung 等 80 余家，他们主要生产用于特殊功能的设备，如调制解调器、 MPEG 译码器、硬盘驱动器等。DSPs 芯片按执行速度可分为低执行速度产品，一般为 20 ～ 50MIPS ，能维持适量存储和功耗，提供了较好的性能价格比，适用于仪器仪表和精密控制等；中执行速度产品，一般为 100 ～ 150MIPS ，结构较为复杂，具有较高的处理速度和低的功耗，适用于无线电信设备和高速解调器等；高执行速度产品，一般为 1000MIPS 以上，处理速度很高，产品结构多样化，适用于图像技术和智能通信基站等三个档次。按其工作的数据格式将其分为两大类定点 DSPs 芯片和浮点 DSPs 芯片。定点 DSPs 品种zui多，处理速度为 20 ～ 2400MIPS ，其zui主要优点是功耗低，价格便宜，体积小，但运算精度不太高，一般是 16 位，片内 32 位。浮点 DSPs 处理速度为 40M ～ 1GFMPS ，特点是功耗大，价格高，体积也稍大，但运算精度高，一般是 32 位，片内是 40 位。 1 、数字信号处理器 DSPs 芯片的体系结构及其主要特点 DSPs 芯片是专为高速数字信号处理而设计的，由于采用了不同于普通单片机的体系结构，因而具有一些显著的特点。 DSPs 处理器和诸如英特尔、奔腾或 Power PC 的通用处理器 （GPPs） 有很大的区别，这些区别产生于 DSPs 的结构和指令是专门针对数字信号处理而设计和开发的， DSPs 除了具有高速的运算能力外还采取了一系列措施，包括改变集成电路结构、提高时钟频率、支持浮点运算、采用指令列排队方式以提高运行效率、集成了硬件乘法器使乘法运算也能在一个指令周期内完成等等，它具有以下特点。 1）哈佛结构 传统的 GPPs 使用冯诺伊曼（ Von—Neumann ）结构由于具有一个存储空间通过两条总线，一条地址总线和一条数据总线，连接到处理器内核，这种单一公用的数据和指令总线在高速运算时，往往在传输通道上会出现瓶颈效应。 DSPs 芯片内部一般采用哈佛（ Harvard ）结构，在哈佛结构中，有两个存储空间：程序存储空间和数据存储空间，处理器内核通过两套总线与这些存储空间相连，这种安排使处理器的带宽加倍。 DSPs 芯片内至少有四套总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线，可允许在一个机器周期内对存储器同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度。 2）硬件乘法累加操作（ MACs ） GPPs 起初并不是为繁重的乘法操作设计的，把 DSPs 同早期的 CPPs 区别开来的*个重大技术改进就是添加了能够进行单周期乘法操作的专门硬件和明确的 MAC 指令。数字信号处理中zui重要的一个基本运算是乘法累加运算，也是zui主要和zui耗时的运算，因此，单周期的硬件乘法器（ MUL ）是 DSPs 芯片实现快速运算的保证。 DSPs 芯片可以单周期完成乘法累加运算，大大提高了运算速度。而 DSPs 芯片的指令基本上都是单周期指令，因此单周期指令执行时间可以作为衡量 DSPs 芯片性能的一个主要指标。现代高性能的 DSPs 芯片甚至具有两个以上的硬件乘法器用以提高运算速度，数据宽度也从 16 位增加到 32 位。 3）多个并行处理单元 DSPs 内部一般都集成了多个处理单元，如硬件乘法器（ MUL ）、累加器（ ACC ）、算术逻辑单元（ ALU ）、辅助算术单元（ ARAU ）以及 DMA 控制器等。它们都可以并行地在同一个周期内执行不同的任务，例如辅助算术单元能为下一次的运算做好准备，适合于完成连续的乘加运算。 DSPs 芯片内部还包括有其他总线，如 DMA 总线等，可实现数据的后台传输而几乎不影响主 CPU 的性能的有 FFT 的位反转寻址，语音的 A 律， μ 律算法等。 为了提高并行处理能力，现代 DSPs 芯片通常采用单指令多数据流结构（ SIMD ）、超长指令字结构（ VLIW ）、超标量体系结构、多 DSP 核体系结构和 DSP ／ MCU 混合结构，这些并行处理机制大大提高了 DSPs 芯片的性能。 4）执行时间的可预测姓 大多数 DSPs 应用都具有硬性实时要求，在每种情况下所有处理工作都必须在指定时间内完成。这种实时限制要求程序设计者确定每个样本究竞需要多少时间或者在zui坏情况下至少用去多少时间。 DSPs 执行程序的进程对程序员来说是透明的，因此很容易预测处理每项工作的执行时间。但是，对于高性能 GPPs 来说，由于大量超高速数据和程序缓存的使用，动态分配程序，因此执行时间的预测变得复杂和困难。 5）片上存储器 外部存储器一般不能适应高性能 DSP 核的处理速度，因此在片上设置较大的程序／数据存储器以减少对外部存储器中程序／数据的访问次数，充分发挥 DSP 核的高性能。目前高性能 DSPs 芯片上的可配置程序／数据 RAM 高达 7MB 。采用大的片子存储器可以减少外部存储器接口的引脚，甚至省略外部存储器接口，而且也减小了芯片的封装体积。 6）多种外设和接口 为了加强 DSPs 芯片的通用性， DSP 芯片上增加了许多外设，可能包括的外设有多路 DMA 通道、外部主机接口、外部存储器接口、芯片间高速链接口、外部中断、通信串口、 Iink 口、定时器、可编程锁相环、 A ／ D 转换器、 JTAG 接口等。 7）特殊寻址模式 为了满足 FFT 积等数字信号处理的特殊要求， DSP 芯片大多包含专门的硬件地址产生器，它能产生信号处理算法需要的特殊寻址，如循环寻址和位翻转寻址。循环寻址对应于流水 HR 滤波算法，位翻转寻址对应于 FFT 算法，并在软件上设置了相应的指令。 8）零消耗稻环控制 数字信号处理的一大特点是大部分处理时间花在了较小循环的少量核心代码上。大部分 DSPs 芯片具有零消耗循环控制的专门硬件，可以省去循环计数器的测试指令，从而提高了代码效率，减少了执行时间。零消耗循环是指处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬件完成循环跳转和循环计数器的衰减。有些 DSPs 还通过一条指令的超高速缓存实现高速的单指令循环。 9） JTAG 接口 由于 DSPs 芯片结构的复杂化、工作速度的提高、外部引脚的增多、封装面积减小而导致的引脚排列密集等原因，传统的并行仿真方式已不适合于 DSPs 芯片的发展和应用开发。 1991 年公布的 JTAG 接口标准满足了 IC 制造商和用户的要求， 1993 年 JTAG 接口标准修订为 5 线接口。芯片 JTAG 接口为 DSPs 芯片的测试和仿真提供了很大的便利。 10）程序的加载引导 加载引导是指器件在上电复位后执行一段引导程序，用于从端口（异步串口、 I/O 口、主机接口）或外部 EPROM ／ FLASH 存储器中加载程序至高速 RAM 中运行。一般用 EPROM ／ FLASH 存储器存储程序，但是其访问速度较慢，而一些已有的高速 EPROM ／ FLASH 存储器价格昂贵且容量有限，同时高速大容量静态 RAM 价格又在不断下降，因此这种加载方式是一个有效的性价比解决方法。 11）现代 DSPs 的结构 DSPs 芯片的更高性能由于不能从传统结构中得到解决，因此提出了各种提高性能的策略。其中zui好的方法是提高并行性。提高操作并行性，是由两个途径实现的，一是提高每条指令执行的操作数量，二是提高每个指令周期中执行的指令数量。这两种并行要求产生了多种 DSPs 新结构。 2 、电机控制应用专用 DSPs 芯片 目前 TI 公司在 TMS320 系列产品中，主要以三个平台为基础发展： DSPs 控制平台 C2000 （ C24x 、 C28x ）； DSPs 有效性能平台 5000 （ C54x 、 C55x ）； DSPs 高性能平台 C6000 （ C62x 、 C67x ）。 AD 公司也是zui早涉足 DSPs 芯片的公司之一，先后推出的产品包括 AD21xx 系列定点 DSP 芯片，如 16 位定点 ADSP-218x 和 ADSP-219x 系列； ADSP-2102x 、 ADSP-2106x 、 ADSP-2116x 等系列浮点 DSP 芯片，如 32 位浮点 ADSP-2106x 、 ADSP-2116x 系列； ADl406x 、 ADl416x 、 TigerSHARC 等系列多核 DSPs 集成系统； ADMCx 系列电机控制专用 DSPs 芯片产品等。通用变频器中流行使用的有两种 DSPs 系列， TI 公司的 TMS320 系列（ C24x 、 C28x ）和 AD 公司的 ADMCx 系列。这些 DSPs 芯片具有实时算术运算能力，减少了查表的数量，节省了内存空间、并集成了电机控制外围部件，减少了系统中传感器的数量、依据控制算法控制电源的开关转换，产生 PWM 控制信号，便于应用单处理器多电机控制系统。在电机控制方面，具有其他控制器无法比拟的优越性。 TMS 320C24x 芯片是 TI 公司开发的电机控制应用专用芯片。主要性能如下： （1） 采用高性能静态 CMOS 技术。 （2） 片内包含 T320C2xLP 内核 16 位 CPU ，工作频率 20MHz ，速度高达 40MIPS 。 132 针塑壳四边形扁平封装。 50ns 指令执行周期。 （3） 工业温度标准、自动温度获取。 （4） 存储器： 544 字 ×10 位的片内数据／编程双寻址 RAM 、 16K 字 ×16 位的片内编程 ROM ／快闪 EEPROM 。共可寻址 224K 字 ×16 位的存储器 （64K 数据、 64K 程序及 I ／ O 、 32K 通用存储空间 ） 。 （5） 事件管理模块： 12 路比较／脉宽调制 （PWM） 通道、 3 个 16 位定时器，可用于 6 种模式，其中包括连续启动及启／停计数、 3 个带死区的全比较单元、 3 个 16 位简单比较单元。 4 个接收单元 （ 其中 2 个带有正交解码脉冲能力 ） 。 （6） 双工 10 位 A ／ D 转换模块。 （7）28 针可独立编程、复用的 I ／ O 口。 （8） 基于锁相环 （PLL） 的时钟模块。 （9） 看门狗定时模块 （ 配有实时中断 ） 。 （10） 异步和同步串行接口： SCI ／ PCI 接口、 CAN 总线 （11） 串行外围接口 （SPI） 模块。 （12）6 个外部中断 （ 电源保护、复位、 NMI 及 3 个可屏蔽中断 ） 。 （13）4 种低能耗模式，适用于低能耗运行。 （14） 基于扫描的仿真。 （15） 可获得的开发工具。 TI ANSI CC+ 编译器、汇编器／连接器及 CC+ 源程序调试器、全系列仿真产品、自仿真 （XDS—510） 、 ROM 替换 （XDS—511） 断点、跟踪及定时 （XDS—522A） 。第三方数字电机控制及模糊逻辑开发支持，其中包括描述了设计电机数字控制系统各项特性的有关平台的文件。 TMS320C28x 主要性能与 TMS320C24x 相似，具有 32 位 CPU 、工作频率 150MHz ，速度高达 400MIPS ， 33 ～ 150MFLOPS 、可寻址到 16M （ 24 位地址线， 12 位辅助寻址线），指令周期 13 ～ 60ns 、 18K 字 RAM 、 64M 字地址空间、 4K 字程序 ROM 、 3 个定时器、串口和 DMA 功能等ADMCx 包括 ADMC4x 和 ADMC3x ，一个 DSP 内核 CPU 、 20 ～ 26MIPS 、 24 位程序 512 ～ 4K 字 RAM 、 16 位数据 512 ～ 1K 字 ROM 、电机控制模块、 16 个 12bitA ／ D 通道、通信串口等。 由于 DSPs 芯片具有硬件乘法器及多总线结构，支持高速指令周期及单周期乘法，这样就可以采用先进的控制算法来估计系统参数以适应电机加载、温度及能耗的变化；利用 DSPs 芯片可以构成数字电流环，以有效地减小电机转矩波动，其运算功能可以用于功率因数校正，从而更有效地实现电能与机械能的转换，减小电机消耗的总能量；在 DSPs 芯片中还集成了高性能的 T320C2xLP DSP 内核、为电机控制而优化的事件管理器、可同时完成采样的双工 A ／ D 转换器、并行的电机电流读数转换与通讯接口、外围传感器及快闪存储器或 ROM ；从功能上看，它提供的脉宽调制 PWM 及 I ／ O 接口可以用于驱动各种类型的电机；它包含的 3 个定时器及 9 个比较器，并辅以灵活的波形发生逻辑，可产生多达 12 路 PWM 输出，它还支持对称的（集中的）及非对称的（非集中的） PWM 生成能力以及空间矢量 PWM 状态装置以实现开关功率管的优化方案，它能以较低的功耗得到较长的开关功率管使用期；它还包括死区发生单元从而有助于保护开关功率管；此外，事件管理器集成了 4 个接收输入端，其中 2 个可用于光解码正交脉冲的直接输入。
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