變頻器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究

高自祥 謝成盟

摘要： 隨著我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展，為工業(yè)生產(chǎn)提供了巨大的技術(shù)動(dòng)力。變頻器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，加強(qiáng)變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有助于降低人工勞力投入量、提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低資源損耗?；诖耍疚闹攸c(diǎn)探究變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞： 變頻器;控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)方案

引言

新時(shí)期下，變頻器借助其良好的控制特性，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，當(dāng)今大部分變頻器控制都是采用外部控制方案，生產(chǎn)效率較低，造成人、財(cái)、物浪費(fèi)嚴(yán)重。為了能夠進(jìn)一步發(fā)揮變頻器的效用，需要對(duì)變頻器控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。本文重點(diǎn)提出一種智能儀表控制變頻器系統(tǒng)，采用了CAN總線技術(shù)，連接遠(yuǎn)程控制中心和變頻器控制系統(tǒng)，這樣有效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的合理化設(shè)置、提高生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)通過(guò)智能儀表監(jiān)測(cè)，通過(guò)CAN總線將信息發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心當(dāng)中，工作人員通過(guò)CAN總線將指令發(fā)送給控制器，從而控制電氣設(shè)備工作運(yùn)行，這對(duì)提高生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控質(zhì)量有著重要意義。

系統(tǒng)整體框架

在該系統(tǒng)當(dāng)中，采用基于單片機(jī)的智能儀表作為數(shù)據(jù)采集裝置，傳感器可以獲取設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)變頻器控制設(shè)備運(yùn)行。監(jiān)測(cè)儀器通過(guò)CAN總線和控制心中連接，變頻器作為從機(jī)，控制中心通過(guò)CAN總線向智能儀表發(fā)送指令信息，根據(jù)控制中心發(fā)送信號(hào)給變頻器下達(dá)命令，如停止運(yùn)行、啟動(dòng)運(yùn)行、變頻調(diào)速等，變頻器接收到電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩信號(hào)之后，即可給變頻器PID調(diào)節(jié)器中輸送給定信號(hào)，在變頻器當(dāng)中讀取實(shí)際數(shù)值、狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)變頻器的故障復(fù)位功能。整個(gè)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)

采用基于單片機(jī)的控制器，通過(guò)A/D采用通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路將各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)將傳遞給CAN總線，再到控制中心，執(zhí)行器負(fù)責(zé)各項(xiàng)參數(shù)調(diào)節(jié)。智能儀表與CAN總線構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，可以在控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空間。系統(tǒng)當(dāng)中變頻器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速，單片機(jī)可以通過(guò)串行通信控制變頻器。整個(gè)變頻器系統(tǒng)當(dāng)中，電路設(shè)計(jì)主要包括CAN總線接口、RS-485通信接口、信號(hào)調(diào)理、儀表主板、顯示等電路。其中，最為重要的就是CAN總線和RS-485通信接口電路。

RS-485接口電路

選擇好接口芯片，采用具有瞬變電源抑制功能的RS-485差分總線收發(fā)器。單片機(jī)上的TXD、RXD分別連接芯片上的1腳、4腳，作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端、數(shù)據(jù)的接收端。單片機(jī)上的P4.3上與芯片2腳、3腳連接，并對(duì)每個(gè)連接腳命名，方面在整個(gè)程序系統(tǒng)中對(duì)芯片接口進(jìn)行操作。RS-485可以將單片機(jī)和變頻器連接，將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)化為RS485信號(hào)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一處理。

CAN總線電路設(shè)計(jì)

在總線單片機(jī)選擇上，要采用帶有物理層驅(qū)動(dòng)的芯片，從而保證CAN總線接口電路運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高總線差動(dòng)的收發(fā)能力。智能儀表單片機(jī)的引腳通過(guò)CAN總線接口和總線連接，從而實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。單片機(jī)通過(guò)CAN控制器對(duì)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包，之后通過(guò)CAN接口電路發(fā)送信號(hào)。

為了提高整個(gè)變頻器系統(tǒng)的抗干擾性能，可以在單片機(jī)CAN總線控制器引腳和收發(fā)器之間增設(shè)一個(gè)高速光耦。收發(fā)器和CAN總線接口位置采用抗干擾相關(guān)措施。收發(fā)器的CAN-H和CAN-L引腳和CAN總線之間分別增設(shè)一個(gè)5Ω電阻，從而起到限流作用，避免收發(fā)器受到過(guò)流沖擊的影響。CAN-H和CAN-L與接地之間分別連接一個(gè)30pF的小電容，有助于將總線上高頻干擾濾除，并且可以起到一定的防輻射作用。在CAN-H和CAN-L之間并聯(lián)一個(gè)15V瞬態(tài)電壓抑制二極管，這樣在瞬間高電壓情況下避免收發(fā)器遭受損壞。

軟件設(shè)計(jì)

變頻器系統(tǒng)所有功能都要處在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對(duì)各個(gè)模塊功能進(jìn)行調(diào)用。其設(shè)計(jì)核心要點(diǎn)依然是CAN驅(qū)動(dòng)子程序和RS-485通信子程序。

CAN驅(qū)動(dòng)程序

儀表CAN驅(qū)動(dòng)程序的主要作用是信息收發(fā)，也就是采用寄存器將設(shè)備數(shù)據(jù)集傳輸給CAN總線，上位機(jī)下達(dá)的相關(guān)信息傳輸給單片機(jī)寄存器。而單片機(jī)與將CAN總線之間的信息溝通核心為CAN驅(qū)動(dòng)程序。在儀表CAN通信程序設(shè)計(jì)中，要結(jié)合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)用戶層程序進(jìn)行編寫(xiě)，由于是采用了CAN通信協(xié)議，所以數(shù)據(jù)幀的組織、發(fā)送，主要是由CAN控制器完成。對(duì)CAN控制器進(jìn)行設(shè)置將程序初始化，還可以設(shè)置波特率、中斷允許、消息對(duì)象初始化等。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，為了能夠同時(shí)保障CAN總線長(zhǎng)度、通信速率，波特率設(shè)計(jì)不得低于125kbps，總線長(zhǎng)度為500m。單片機(jī)內(nèi)部集成了16位CAN控制器，每個(gè)寄存器中都有一個(gè)索引號(hào)，一個(gè)索引號(hào)寫(xiě)入到CAN地址寄存器后，即可采用CAN數(shù)據(jù)寄存器訪問(wèn)該寄存器。

RS-485通信程序

將變頻器和RS485接口電路使用雙絞線連接，選擇自帶RS485接口的變頻器可以省去編程環(huán)節(jié)，只需要設(shè)定參數(shù)即可。在實(shí)現(xiàn)通信功能時(shí)，單片機(jī)串口速率設(shè)定不得低于9600bps，設(shè)計(jì)單片機(jī)工作方式為中斷方式，單片機(jī)向變頻器發(fā)送信號(hào)，由CAN總線接收數(shù)據(jù)信息，包括從機(jī)地址、設(shè)定值、參數(shù)值等。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用基于CAN總線的變頻器控制系統(tǒng)，可以有效解決傳統(tǒng)變頻器控制效率低、資源浪費(fèi)多等問(wèn)題。本文所提方案，通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用具有抗干擾、穩(wěn)定性好、控制精度高等特點(diǎn)，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的控制要求，應(yīng)用前景十分廣泛。

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