童 杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

目前，通用變頻器不僅在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，甚至在民用生活領(lǐng)域中也應(yīng)用廣泛。通用變頻器與異步電動(dòng)機(jī)的有效結(jié)合，能夠控制生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)，將該優(yōu)勢(shì)應(yīng)用在不同的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備上，便能達(dá)到各種目的，且收到相應(yīng)的效益。各類(lèi)電氣傳動(dòng)裝置中的控制器已經(jīng)由模擬控制轉(zhuǎn)向全數(shù)字控制，因變頻器供電調(diào)速非?？焖?，數(shù)字控制下的采樣頻率高，需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的操作控制、邏輯判斷以及數(shù)學(xué)運(yùn)算才能得以實(shí)現(xiàn)，故采用全數(shù)控方式能夠大幅度地增強(qiáng)信息處理能力，這一點(diǎn)是采用模擬控制方式所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而在數(shù)字控制下采用各種復(fù)雜控制的調(diào)速系統(tǒng)具有可靠性、可操作性、可維修性等一系列特性。

本文以英威騰公司CHF100A 矢量通用型變頻器作為調(diào)速設(shè)備，控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。采用Microchip 公司PIC18F 系列單片機(jī)作為上位機(jī)控制，通過(guò)RS－485 通訊方式與該變頻器進(jìn)行全數(shù)字通訊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)用離心機(jī)的調(diào)速、力矩控制等多種控制。

1 控制過(guò)程

異步電動(dòng)機(jī)有基頻以下和以上兩種調(diào)速方式。對(duì)于工業(yè)用離心機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，一般情況下最高轉(zhuǎn)速大概在4 000 ～5 000 r/min。根據(jù)此種特性，我們將通用變頻器設(shè)置成V/F控制方式進(jìn)行調(diào)速。該方式的基本特點(diǎn)是能夠同時(shí)控制變頻器的輸出電壓和頻率，使電壓和頻率的比值保持一定，從而得到所需的轉(zhuǎn)矩特性。

采用PIC18F 系列單片機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)遠(yuǎn)程通訊協(xié)議與變頻器之間形成了高效率、高可靠性、高抗干擾的控制與反饋。該系列變頻器提供了RS－485 通信接口，利用上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)集中控制，如:設(shè)定變頻器的運(yùn)行頻率及控制命令，或相關(guān)功能碼參數(shù)的修改，監(jiān)控變頻器工作狀態(tài)、提供故障信息等，便能適應(yīng)大慣量控制系統(tǒng)的某些特定的應(yīng)用要求。

2 通信控制

圖1 控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖

我們采用目前在廣泛應(yīng)用的RS－485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)，并且采用了差分接收和平衡發(fā)送的方式，使之能夠抑制共模干擾，在傳輸距離、通信速率、多機(jī)連接等方面性能優(yōu)異。另外該變頻器采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus 通訊協(xié)議，利用異步傳輸?shù)膸瑑?nèi)容及使用格式進(jìn)行主從通訊協(xié)議方式。主要包括了主機(jī)發(fā)布幀、從機(jī)應(yīng)答幀的格式。主機(jī)發(fā)布幀主要包含從機(jī)地址、執(zhí)行命令、數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼等參數(shù)，而從機(jī)響應(yīng)幀主要包含動(dòng)作確認(rèn)、返回?cái)?shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼等參數(shù)。一旦發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法確認(rèn)，則從機(jī)將反饋一個(gè)故障幀給主機(jī)，那么通過(guò)軟件處理，重新組織新的主機(jī)發(fā)布幀再次傳送，如果連續(xù)五次傳送失敗，則給出故障代碼顯示在數(shù)碼管上。圖2 為RTU 數(shù)據(jù)幀傳輸格式框圖，顯示了數(shù)據(jù)在串行異步通信過(guò)程中，以報(bào)文的形式逐幀發(fā)送的參數(shù)編碼方式。它主要為8 位二進(jìn)制編碼系統(tǒng)，且每個(gè)8 位的幀域中，包含兩個(gè)十六進(jìn)制字符，傳送數(shù)據(jù)依次為從機(jī)地址、操作命令碼、數(shù)據(jù)和CRC 校驗(yàn)字。

圖2 RTU 數(shù)據(jù)幀傳輸格式框圖

例如，將給定上升斜率(地址為000BH)即上升時(shí)間520.0 s(1450H)寫(xiě)入(功能碼為06H)到從機(jī)地址為01 H 的變頻器中，則該幀的結(jié)構(gòu)描述如表1所示。

表1 RTU 主機(jī)命令信息

圖3 為通訊程序處理結(jié)構(gòu)框圖，主要是傳送變頻器的上升斜率、下降斜率、運(yùn)行方式以及工作轉(zhuǎn)速給定等參數(shù)。

圖3 通訊程序處理結(jié)構(gòu)框圖

3 實(shí) 例

圖4 是低速大容量冷凍工業(yè)用離心機(jī)，主要參數(shù):最高轉(zhuǎn)速4 200 r/min，最大離心加速度5 018 g(額定轉(zhuǎn)速時(shí))，最大容量6 L，毛重300 kg，加速與減速斜率分為10 檔，從160 ～520 s 每檔間隔40 s。

圖4 工業(yè)用離心機(jī)

原來(lái)該機(jī)器采用由0 ～5 V 模擬電壓輸入信號(hào)，在滿載運(yùn)行條件下模擬控制信號(hào)經(jīng)常受到干擾，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速精度很差，一般只能達(dá)到15% ～20%，上升及下降斜率誤差在30%左右，而且由于電機(jī)在使用過(guò)程中電磁環(huán)境惡劣，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)失速、超速甚至停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，影響了用戶的正常生產(chǎn)試驗(yàn)。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，我們采用全數(shù)字控制方式進(jìn)行改進(jìn)提升，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速設(shè)定、上升速率和下降速率等參數(shù)通過(guò)數(shù)字通訊方式進(jìn)行了給定，以保證電機(jī)在工作中保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速、以及準(zhǔn)確的上升時(shí)間和下降時(shí)間，從而使得離心機(jī)達(dá)到最佳的分離效果，實(shí)現(xiàn)安全、有效的運(yùn)行。

在采用數(shù)字通訊控制后，實(shí)驗(yàn)證明在機(jī)器最高速滿載運(yùn)行時(shí)，通信速率、準(zhǔn)確率均大為提高，轉(zhuǎn)速精度提高到5%左右，上升及下降斜率誤差控制在10%以內(nèi)，且抗干擾能力大大增強(qiáng)，在使用過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)失速、超速及其他異常情況，因此得到了客戶的肯定和好評(píng)。

［1］ 馬小亮.大功率交－交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)［M］.3 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 王志新.異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張立，孫流芳.電力電子場(chǎng)控器件及其應(yīng)用［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［4］ 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［5］ 王彤.C 語(yǔ)言在測(cè)量與控制中的應(yīng)用［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.