數字通訊控制下通用變頻器的調速應用

童 杰

(中國電子科技集團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生產領域中得到了廣泛的應用，甚至在民用生活領域中也應用廣泛。通用變頻器與異步電動機的有效結合，能夠控制生產機械的調速傳動，將該優勢應用在不同的生產機械設備上，便能達到各種目的，且收到相應的效益。各類電氣傳動裝置中的控制器已經由模擬控制轉向全數字控制，因變頻器供電調速非常快速，數字控制下的采樣頻率高，需經過復雜的操作控制、邏輯判斷以及數學運算才能得以實現，故采用全數控方式能夠大幅度地增強信息處理能力，這一點是采用模擬控制方式所無法實現的。而在數字控制下采用各種復雜控制的調速系統具有可靠性、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速設備，控制系統的原理簡圖如圖1所示。采用Microchip 公司PIC18F 系列單片機作為上位機控制，通過RS－485 通訊方式與該變頻器進行全數字通訊，從而實現對工業用離心機的調速、力矩控制等多種控制。

1 控制過程

異步電動機有基頻以下和以上兩種調速方式。對于工業用離心機來說，轉動慣量比較大，轉速相對較低，一般情況下最高轉速大概在4 000 ～5 000 r/min。根據此種特性，我們將通用變頻器設置成V/F控制方式進行調速。該方式的基本特點是能夠同時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，從而得到所需的轉矩特性。

采用PIC18F 系列單片機作為上位機，通過遠程通訊協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，利用上位機來實現集中控制，如:設定變頻器的運行頻率及控制命令，或相關功能碼參數的修改，監控變頻器工作狀態、提供故障信息等，便能適應大慣量控制系統的某些特定的應用要求。

2 通信控制

圖1 控制系統的原理簡圖

我們采用目前在廣泛應用的RS－485 串行總線標準，并且采用了差分接收和平衡發送的方式，使之能夠抑制共模干擾，在傳輸距離、通信速率、多機連接等方面性能優異。另外該變頻器采用標準Modbus 通訊協議，利用異步傳輸的幀內容及使用格式進行主從通訊協議方式。主要包括了主機發布幀、從機應答幀的格式。主機發布幀主要包含從機地址、執行命令、數據以及錯誤校驗碼等參數，而從機響應幀主要包含動作確認、返回數據以及錯誤校驗碼等參數。一旦發生傳輸錯誤，導致數據無法確認，則從機將反饋一個故障幀給主機，那么通過軟件處理，重新組織新的主機發布幀再次傳送，如果連續五次傳送失敗，則給出故障代碼顯示在數碼管上。圖2 為RTU 數據幀傳輸格式框圖，顯示了數據在串行異步通信過程中，以報文的形式逐幀發送的參數編碼方式。它主要為8 位二進制編碼系統，且每個8 位的幀域中，包含兩個十六進制字符，傳送數據依次為從機地址、操作命令碼、數據和CRC 校驗字。

圖2 RTU 數據幀傳輸格式框圖

例如，將給定上升斜率(地址為000BH)即上升時間520.0 s(1450H)寫入(功能碼為06H)到從機地址為01 H 的變頻器中，則該幀的結構描述如表1所示。

表1 RTU 主機命令信息

圖3 為通訊程序處理結構框圖，主要是傳送變頻器的上升斜率、下降斜率、運行方式以及工作轉速給定等參數。

圖3 通訊程序處理結構框圖

3 實 例

圖4 是低速大容量冷凍工業用離心機，主要參數:最高轉速4 200 r/min，最大離心加速度5 018 g(額定轉速時)，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 工業用離心機

原來該機器采用由0 ～5 V 模擬電壓輸入信號，在滿載運行條件下模擬控制信號經常受到干擾，導致轉速精度很差，一般只能達到15% ～20%，上升及下降斜率誤差在30%左右，而且由于電機在使用過程中電磁環境惡劣，在正常運轉過程中時常出現失速、超速甚至停轉現象，影響了用戶的正常生產試驗。

針對上述存在的問題，我們采用全數字控制方式進行改進提升，對轉動方向、轉速設定、上升速率和下降速率等參數通過數字通訊方式進行了給定，以保證電機在工作中保持穩定的轉速、以及準確的上升時間和下降時間，從而使得離心機達到最佳的分離效果，實現安全、有效的運行。

在采用數字通訊控制后，實驗證明在機器最高速滿載運行時，通信速率、準確率均大為提高，轉速精度提高到5%左右，上升及下降斜率誤差控制在10%以內，且抗干擾能力大大增強，在使用過程中未出現過失速、超速及其他異常情況，因此得到了客戶的肯定和好評。

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