單片機在變頻調速系統中的應用

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

1 引 言
　　隨著(zhù)大功率開(kāi)關(guān)器件制造技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調速以其自身功能完善、性能可靠、節能顯著(zhù)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于工農業(yè)生產(chǎn)和生活等領(lǐng)域。目前，高性能變頻調速系統的研究和開(kāi)發(fā)已引起各國專(zhuān)家的高度重視。
　　城市供氣系統的負載現在主要是風(fēng)機，而風(fēng)機類(lèi)負載適于變頻調速，并且節能顯著(zhù)，因此，變頻調速在城市供氣系統中推廣非?？?。但對較復雜的系統，變頻調速設計很難取得最佳的效果。本文正是針對這一問(wèn)題，結合本地氣站的變頻調速技術(shù)改造而進(jìn)行的研究。該系統以M68HC908J12單片機為核心，實(shí)現了變頻器與多風(fēng)機的有機配合，抗干擾能力強，節能效率高，供氣質(zhì)量好，并降低了成本。實(shí)驗證明具有很高的推廣價(jià)值。
2　M68HC908J12單片機
　　M68HC908J12單片機是美國Motorola公司于2001年推出的一類(lèi)M68HC908系列高性能8位單片機，它具有速度快、功能強、價(jià)格低等特點(diǎn)。硬件結構與M6805、M146805級M68HC05兼容，而且帶有10位A／D和LCD驅動(dòng)模塊，其主要特點(diǎn)有：
　　最大的總線(xiàn)頻率為8MHz（4．5V～5．5V），4MHz（2．7V～3．3V）和1MHz（2．4V～2．7V）內部總線(xiàn)頻率；12K字節FLASH閃速存儲器，具有在線(xiàn)編程和加密功能；片內512K字節RAM；多功能定時(shí)器接口TIM1和TIM2；具有紅外功能的串行通信接口SCI；CPU正常工作監視模塊COP；電源電壓監視模塊LVI；實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；串行外圍部件擴展接口SPI；6路10位A／D；8個(gè)鍵盤(pán)輸入中斷。
3　自動(dòng)控制系統的原理
城市供氣系統中以恒壓供氣為原則，由于煤氣隨時(shí)間不同流量變化很大，若不能及時(shí)調整會(huì )造成煤氣壓力不穩定，影響使用質(zhì)量。傳統手動(dòng)調節母管出口閥開(kāi)度的方式會(huì )引起壓力不穩定，甚至喘振，不能保證供氣質(zhì)量，而且存在能量的大量浪費。因此，只有設計出合理的、技術(shù)含量高的變頻調速系統才能很好地解決這一問(wèn)題。但由于一般氣站風(fēng)機較多，若一臺變頻器配一臺風(fēng)機，成本太高，而且風(fēng)機也不一定工作在高效工作區，不利于節能，考慮到整個(gè)供氣系統對每臺風(fēng)機并無(wú)特殊要求，只要保證出口壓力穩定在給定值上即可。因此，該系統在設計過(guò)程中，只用一臺風(fēng)機變頻調速，其它風(fēng)機全速運行在高效工作區或處于停機狀態(tài)，這樣，當煤氣母管出口壓力高于或低于給定值時(shí)，該自動(dòng)控制系統先通過(guò)變頻器調節，再通過(guò)啟停風(fēng)機調節。這一過(guò)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(dòng)控制系統的調節過(guò)程為，單片機M68HC908J12接收母管出口壓力信號P，并進(jìn)行PID優(yōu)化補償，同時(shí)接收變頻器的頻率信號f。當P＜Po，f＜fm（Po為系統壓力給定值，fm為變頻器調壓的上限相應頻率信號）時(shí)，單片機M68HC908J12發(fā)出控制信號調節變頻器的頻率，增加風(fēng)機轉速，增大壓力P。當P＜Po，f≥fm時(shí)，單片機M68HC908J12再按序啟動(dòng)風(fēng)機并打開(kāi)相應泵閥，同時(shí)按設定程序變頻調節，保持系統壓力穩定。當P＞Po，f＞fn（fn為變頻器調壓的下限相應頻率信號）時(shí)，單片機M68HC908J12發(fā)出控制信號調節變頻器的頻率，減小風(fēng)機轉速，降低壓力。當P＞Po，f≤fn時(shí)，單片機M68HC908J12再按序關(guān)停風(fēng)機并關(guān)閉相應泵閥，同時(shí)按設定程序變頻調節，保持系統壓力穩定。當P＝Po時(shí)，系統保持原狀態(tài)不變。
在調速過(guò)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(gè)系統調節性能非常高，可有效消除喘振。另外，風(fēng)機的啟停順序已由單片機M68HC908J12程序設定，而且在啟停風(fēng)機時(shí)，并非同時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉泵閥，而是有一定延時(shí)或超前時(shí)間，以保證系統穩定，防止喘振。fm和fn是風(fēng)機工作在高效區時(shí)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(fēng)機而定。給定壓力Po可根據生產(chǎn)需要來(lái)定，而且Po應選定在保證供氣質(zhì)量的最低值上，以利于節能。另外，在整個(gè)系統的設計中，變頻器所配風(fēng)機的功率也應適合整個(gè)系統的調速過(guò)程，其功率應能與其它風(fēng)機
相配合以實(shí)現變壓調節過(guò)程的穩定連續。

4　自動(dòng)控制系統的主要組成
　　該自動(dòng)控制系統主要組成如圖2所示，它以單片機M68HC908J12為核心，通過(guò)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(wù)，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，是系統性能的重要保證。變頻器屬于單片機執行機構的一部分，同一時(shí)刻只控制一臺風(fēng)機，它由壓力信號經(jīng)單片機M68HC908J12優(yōu)化補償后，通過(guò)變頻調速達到調節出口壓力Po的目的。電氣邏輯開(kāi)關(guān)是單片機M68HC908J12的執行機構，它由繼電器和驅動(dòng)電路組成，在單片機M68HC908J12的控制下，電氣邏輯開(kāi)關(guān)完成對風(fēng)機及閥門(mén)開(kāi)關(guān)的啟停和調節。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字變送器電路進(jìn)行，完成壓力的測量和傳送，并能滿(mǎn)足系統精度要求。風(fēng)機是調壓的直接機構，其中，風(fēng)機0由變頻器控制，風(fēng)機1、風(fēng)機2和風(fēng)機3由邏輯開(kāi)關(guān)控制。另外，電路保留了手動(dòng)開(kāi)關(guān)，還有電源和工作狀態(tài)監測電路。
5　出口壓力的優(yōu)化調節
　　煤氣供應系統的原則是煤氣流量與出口壓力匹配，從而保持系統壓力平衡穩定，否則會(huì )引起喘振。本系統用戶(hù)所需壓力精度相對較低，但系統是依據出口壓力的變化來(lái)進(jìn)行調節的，因此，系統要求較高的壓力精度。為有效克服喘振，系統主要采用了變速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(dòng)風(fēng)機調壓。在調壓過(guò)程中，出口壓力的調節采用分段處理。為了避免引起喘振，各段都根據實(shí)際經(jīng)驗，確定調整和優(yōu)化的參數，以盡可能達到最優(yōu)控制。

6　軟件設計
　　該系統的控制功能基本上由軟件完成，通過(guò)語(yǔ)言編輯，實(shí)現壓力、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(guò)壓過(guò)流等保護、報警監控程序。程序編寫(xiě)時(shí)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、頻率調節的相應加速度程序、補償調節程序、壓力和速度等的相關(guān)程序。PID優(yōu)化程序和頻率調節程序相應分兩個(gè)子程序。單片機M68HC908J12還通過(guò)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，加快系統的反應速度，提高系統的性能。另外，在硬件滿(mǎn)足要求的前提下，通過(guò)編程和參數設定，可調整系統的精度和性能。
7　結束語(yǔ)
　　本文提出的變頻調速自動(dòng)控制系統，經(jīng)實(shí)際運行，證明完全達到了設計要求，實(shí)現了無(wú)人值守和運行狀態(tài)監控報警。用一臺變頻器控制三臺風(fēng)機，大大降低了成本，而且節能效果顯著(zhù)，優(yōu)于47．3％。在變頻器日益推廣的今天，該系統對城市供水、供氣及相關(guān)企業(yè)應用具有很高的推廣借鑒價(jià)值。