引言
變頻調速作為交流電機調速的主要手段已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域中應用的十分廣泛,其具有的調速范圍寬、穩速精度高、動(dòng)態(tài)響應快、適用范圍廣、運行可靠等技術(shù)性能,已逐步取代直流電機調速系統。變頻器的控制方式主要有三種:1.通過(guò)變頻器面板操作,即通過(guò)操作面板改變頻率的輸出和其他運行參數;2.在變頻器模擬量輸入端輸入0~10V或4~20mA信號,通過(guò)改變輸入模擬量的大小控制變頻器的輸出頻率;3.通過(guò)變頻器的通訊口(多為RS485)進(jìn)行控制。第一種方式一般用于現場(chǎng)手動(dòng)調節和參數設定,后二種方式多用于自動(dòng)調節和遠程控制。工控領(lǐng)域中常用的PLC、DCS等控制系統都具有適用于變頻器接口條件的控制模塊,可以方便的實(shí)現變頻器的閉環(huán)自動(dòng)控制,在大中型的控制系統中使用較為普遍。而對于一些小型實(shí)驗裝置和嵌入式控制裝置,處理器在控制變頻器之外,一般還需要處理鍵盤(pán)輸入、顯示屏、數據采集和其它過(guò)程控制等工作,這種控制要求更適合采用單片機系統作為控制核心,而以PLC加操作面板的形式,雖能實(shí)現功能但成本過(guò)高,不宜采用。
使用單片機控制變頻器可以選擇后二種方式,采用通訊口方式控制,其優(yōu)點(diǎn)是控制功能全面,通過(guò)相應的電平轉換電路適合變頻器的通訊口形式(RS484/RS232/CAN等),就可與變頻器進(jìn)行通訊,硬件簡(jiǎn)單,二者間的連線(xiàn)數量少連接方便。缺點(diǎn)是需要了解掌握變頻器的通訊協(xié)議才能進(jìn)行控制編程,軟件設計復雜。由于不同品牌的變頻器通訊接口和通訊協(xié)議各不相同,目前尚沒(méi)有統一的標準,只能針對一種變頻器進(jìn)行開(kāi)發(fā),縮小了變頻器品種的選擇范圍,適用性受到限制。而對于模擬量輸入控制方式,則幾乎在所有的變頻器中都能支持,雖然在功能上比較單一,但可實(shí)現調速的主要功能,能滿(mǎn)足多數場(chǎng)合的使用要求,具有普遍性。
最常用的模擬量輸入調速方法是通過(guò)電位器來(lái)調節頻率,即改變模擬量輸入的電壓值,達到調節轉速的目的。采用機械式電位器雖簡(jiǎn)單易行,但易磨損,長(cháng)期使用不夠穩定,同時(shí)還有一個(gè)最大的缺陷是只適合手動(dòng)調節,不能實(shí)現自動(dòng)調節。筆者采用數字電位器替代機械式電位器,在單片機的控制下,不但能進(jìn)行簡(jiǎn)單的手動(dòng)變頻調速,還能根據控制要求實(shí)現PID閉環(huán)自動(dòng)控制,不失為一種功能全面的單片機控制變頻器的好方法。
數字電位器
筆者采用美國Xicor公司的X9221雙E2POT非易失性數控電位器,電阻陣列端電壓±5V,分為64個(gè)抽頭。X9211包含二個(gè)電阻陣列,每個(gè)陣列包含有63個(gè)電阻單元。在每個(gè)單元之間和二個(gè)端點(diǎn)都有可以被訪(fǎng)問(wèn)的抽頭點(diǎn)�;瑒�(dòng)單元在陣列中的位置由用戶(hù)通過(guò)二線(xiàn)制串行總線(xiàn)接口控制。每個(gè)電阻陣列與一個(gè)滑動(dòng)端計數寄存器和四個(gè)8位數據寄存器聯(lián)系在一起,這四個(gè)數據寄存器可以由用戶(hù)直接寫(xiě)入和讀出,滑動(dòng)端計數寄存器的內容控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置。功能框圖如圖1 所示。
圖1 功能框圖
X9211的寫(xiě)入單元為8字節的E2PROM存儲器,寫(xiě)入次數105次,數據保存時(shí)間100年,亦即電位器抽頭位置具有掉電保持功能,不會(huì )因為失電而改變。X9211共有3種電阻陣列值:2KΩ、10KΩ、50KΩ,可根據實(shí)際需要選擇;分辨率為每個(gè)電位器64個(gè)抽頭;采用20引腳DIP和SOIC封裝。本文所以選擇使用雙組電位器X9221,是因為控制對象除變頻器外,還有一組由可控硅調壓控溫的電加熱器,同樣可以采用數字電位器的方法進(jìn)行調控,這樣使用一片X9221就可實(shí)現對二個(gè)對象的控制,對二者可以分別進(jìn)行調節和控制,互不影響,因此非常適合雙路輸出的控制要求,方便簡(jiǎn)捷,一舉兩得。
單片機與數字電位器接口
X9221支持I2C二線(xiàn)制串行總線(xiàn)規約,與單片機的接口只需要2根I/O線(xiàn)。單片機作為主機可按照規約規定的時(shí)序啟動(dòng)數據的傳輸,并為發(fā)送和接收操作提供時(shí)鐘,X9221作為從機響應主機的操作,從總線(xiàn)上接收數據或將數據送至總線(xiàn)上,從而實(shí)現單片機對X9221的讀寫(xiě)操作,硬件接口電路如圖2所示。
圖2中X9221的二組電阻陣列分別連接變頻器調節端子和電熱器調節端子,在變頻器接口端子中還有一個(gè)控制變頻器啟停的干接點(diǎn),由單片機P3.2口經(jīng)驅動(dòng)控制繼電器實(shí)現。與變頻器模擬控制接口連接需要注意的是,一般變頻器的輸入接口的提供的電壓是0-10V,X9221電阻陣列的端電壓相對于Vss是±5V,如果按一般習慣將變頻器控制接口的負極 0V與Vss連接作為公共端時(shí),那么電位器的VH端電壓相對Vss將會(huì )是10V,超出了允許范圍,會(huì )造成器件損壞。因此二者連接時(shí)應將變頻器控制接口的正極10V與X9211的正電源Vcc電源連接作為公共端,即共正極連接,這樣就可以保證電位器的VH和VL的 端電壓會(huì )在±5V的正常工作范圍內。由于變頻器采用的是整流—PWM逆變輸出的工作原理,在工作過(guò)程中必然會(huì )產(chǎn)生許多高次諧波,對單片機系統的干擾較大,因此二者間的連接應使用屏蔽電纜,并將屏蔽層一端可靠接地;同時(shí)在X9221的輸出端增加濾波容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持
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