單片機在變頻調速系統(tǒng)中的應用

介紹了一種基于單片機M68HC908J12的變頻調速自動控制系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的組成及工件原理，給出了軟件的主程序框圖。
???? 關鍵詞：變頻調速，M68HC908J12，自動控制系統(tǒng)

1 引 言
　　隨著大功率開關器件制造技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，變頻調速以其自身功能完善、性能可靠、節(jié)能顯著等優(yōu)點，已廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活等領域。目前，高性能變頻調速系統(tǒng)的研究和開發(fā)已引起各國專家的高度重視。
　　城市供氣系統(tǒng)的負載現(xiàn)在主要是風機，而風機類負載適于變頻調速，并且節(jié)能顯著，因此，變頻調速在城市供氣系統(tǒng)中推廣非常快。但對較復雜的系統(tǒng)，變頻調速設計很難取得最佳的效果。本文正是針對這一問題，結合本地氣站的變頻調速技術改造而進行的研究。該系統(tǒng)以M68HC908J12單片機為核心，實現(xiàn)了變頻器與多風機的有機配合，抗干擾能力強，節(jié)能效率高，供氣質量好，并降低了成本。實驗證明具有很高的推廣價值。
2　M68HC908J12單片機
　　M68HC908J12單片機是美國Motorola公司于2001年推出的一類M68HC908系列高性能8位單片機，它具有速度快、功能強、價格低等特點。硬件結構與M6805、M146805級M68HC05兼容，而且?guī)в?0位A／D和LCD驅動模塊，其主要特點有：
　　最大的總線頻率為8MHz（4．5V～5．5V），4MHz（2．7V～3．3V）和1MHz（2．4V～2．7V）內部總線頻率；12K字節(jié)FLASH閃速存儲器，具有在線編程和加密功能；片內512K字節(jié)RAM；多功能定時器接口TIM1和TIM2；具有紅外功能的串行通信接口SCI；CPU正常工作監(jiān)視模塊COP；電源電壓監(jiān)視模塊LVI；實時時鐘RTC；串行外圍部件擴展接口SPI；6路10位A／D；8個鍵盤輸入中斷。
3　自動控制系統(tǒng)的原理
??? 城市供氣系統(tǒng)中以恒壓供氣為原則，由于煤氣隨時間不同流量變化很大，若不能及時調整會造成煤氣壓力不穩(wěn)定，影響使用質量。傳統(tǒng)手動調節(jié)母管出口閥開度的方式會引起壓力不穩(wěn)定，甚至喘振，不能保證供氣質量，而且存在能量的大量浪費。因此，只有設計出合理的、技術含量高的變頻調速系統(tǒng)才能很好地解決這一問題。但由于一般氣站風機較多，若一臺變頻器配一臺風機，成本太高，而且風機也不一定工作在高效工作區(qū)，不利于節(jié)能，考慮到整個供氣系統(tǒng)對每臺風機并無特殊要求，只要保證出口壓力穩(wěn)定在給定值上即可。因此，該系統(tǒng)在設計過程中，只用一臺風機變頻調速，其它風機全速運行在高效工作區(qū)或處于停機狀態(tài)，這樣，當煤氣母管出口壓力高于或低于給定值時，該自動控制系統(tǒng)先通過變頻器調節(jié)，再通過啟停風機調節(jié)。這一過程以M68HC908J12單片機為核心協(xié)調完成。其控制原理如圖1所示。

　　該自動控制系統(tǒng)的調節(jié)過程為，單片機M68HC908J12接收母管出口壓力信號P，并進行PID優(yōu)化補償，同時接收變頻器的頻率信號f。當P＜Po，f＜fm（Po為系統(tǒng)壓力給定值，fm為變頻器調壓的上限相應頻率信號）時，單片機M68HC908J12發(fā)出控制信號調節(jié)變頻器的頻率，增加風機轉速，增大壓力P。當P＜Po，f≥fm時，單片機M68HC908J12再按序啟動風機并打開相應泵閥，同時按設定程序變頻調節(jié)，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當P＞Po，f＞fn（fn為變頻器調壓的下限相應頻率信號）時，單片機M68HC908J12發(fā)出控制信號調節(jié)變頻器的頻率，減小風機轉速，降低壓力。當P＞Po，f≤fn時，單片機M68HC908J12再按序關停風機并關閉相應泵閥，同時按設定程序變頻調節(jié)，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當P＝Po時，系統(tǒng)保持原狀態(tài)不變。
??? 在調速過程中，由于單片機M68HC908J12接收的壓力信號P和變頻器頻率信號f精度較好，可達到0．1％，因此整個系統(tǒng)調節(jié)性能非常高，可有效消除喘振。另外，風機的啟停順序已由單片機M68HC908J12程序設定，而且在啟停風機時，并非同時打開或關閉泵閥，而是有一定延時或超前時間，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，防止喘振。fm和fn是風機工作在高效區(qū)時上下限所對應的變頻器的頻率，而非變頻器最大最小頻率，視具體的風機而定。給定壓力Po可根據(jù)生產(chǎn)需要來定，而且Po應選定在保證供氣質量的最低值上，以利于節(jié)能。另外，在整個系統(tǒng)的設計中，變頻器所配風機的功率也應適合整個系統(tǒng)的調速過程，其功率應能與其它風機
相配合以實現(xiàn)變壓調節(jié)過程的穩(wěn)定連續(xù)。

4　自動控制系統(tǒng)的主要組成
　　該自動控制系統(tǒng)主要組成如圖2所示，它以單片機M68HC908J12為核心，通過軟件編程獨立完成壓力的優(yōu)化補償和其它所有的控制任務，它接收壓力信號和頻率信號，協(xié)調全面的控制功能。單片機M68HC908J12的抗干擾能力強，而且具有紅外接口，是系統(tǒng)性能的重要保證。變頻器屬于單片機執(zhí)行機構的一部分，同一時刻只控制一臺風機，它由壓力信號經(jīng)單片機M68HC908J12優(yōu)化補償后，通過變頻調速達到調節(jié)出口壓力Po的目的。電氣邏輯開關是單片機M68HC908J12的執(zhí)行機構，它由繼電器和驅動電路組成，在單片機M68HC908J12的控制下，電氣邏輯開關完成對風機及閥門開關的啟停和調節(jié)。母管壓力檢測由陶瓷壓阻壓力傳感器和Σ△A／D轉換器構成的高精度數(shù)字變送器電路進行，完成壓力的測量和傳送，并能滿足系統(tǒng)精度要求。風機是調壓的直接機構，其中，風機0由變頻器控制，風機1、風機2和風機3由邏輯開關控制。另外，電路保留了手動開關，還有電源和工作狀態(tài)監(jiān)測電路。
5　出口壓力的優(yōu)化調節(jié)
　　煤氣供應系統(tǒng)的原則是煤氣流量與出口壓力匹配，從而保持系統(tǒng)壓力平衡穩(wěn)定，否則會引起喘振。本系統(tǒng)用戶所需壓力精度相對較低，但系統(tǒng)是依據(jù)出口壓力的變化來進行調節(jié)的，因此，系統(tǒng)要求較高的壓力精度。為有效克服喘振，系統(tǒng)主要采用了變速PID的優(yōu)化補償，其原理如圖3所示，PID的調節(jié)主要由軟件在單片機M68HC908J12內部完成，壓力信號經(jīng)PID的優(yōu)化補償后，再驅動風機調壓。在調壓過程中，出口壓力的調節(jié)采用分段處理。為了避免引起喘振，各段都根據(jù)實際經(jīng)驗，確定調整和優(yōu)化的參數(shù)，以盡可能達到最優(yōu)控制。

6　軟件設計
　　該系統(tǒng)的控制功能基本上由軟件完成，通過語言編輯，實現(xiàn)壓力、速度、加速度、存儲效應優(yōu)化及I／O控制。另外，該軟件也設置了過壓過流等保護、報警監(jiān)控程序。程序編寫時遵循順序控制原則，軟件的主程序流程如圖4所示。

　　其中PID優(yōu)化程序包括分段程序、頻率調節(jié)的相應加速度程序、補償調節(jié)程序、壓力和速度等的相關程序。PID優(yōu)化程序和頻率調節(jié)程序相應分兩個子程序。單片機M68HC908J12還通過與變頻器RS235或RS485通訊口的連接，利用軟件編程克服變頻器的存儲效應，加快系統(tǒng)的反應速度，提高系統(tǒng)的性能。另外，在硬件滿足要求的前提下，通過編程和參數(shù)設定，可調整系統(tǒng)的精度和性能。
7　結束語
　　本文提出的變頻調速自動控制系統(tǒng)，經(jīng)實際運行，證明完全達到了設計要求，實現(xiàn)了無人值守和運行狀態(tài)監(jiān)控報警。用一臺變頻器控制三臺風機，大大降低了成本，而且節(jié)能效果顯著，優(yōu)于47．3％。在變頻器日益推廣的今天，該系統(tǒng)對城市供水、供氣及相關企業(yè)應用具有很高的推廣借鑒價值。

1　王　健，等．應用M68HC908J12設計單相復費率電能表．電子工程師，2002（7）
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3　李朝青．單片機原理及接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，1999
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5　謝仁宏等．數(shù)字壓力變送器的設計．電子工程師，2002（7）