采用EV3000變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器在工業(yè)中具有提高工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要作用。EV3000變頻器是艾默生公司生產(chǎn)的高品質(zhì)、多功能、低噪音的矢量控制通用變頻器。通過(guò)對(duì)電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以高控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)與變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)與其他調(diào)速方式相比，最主要的特點(diǎn)是具有高效率的驅(qū)動(dòng)性能，良好的控制特性，節(jié)能效果明顯、調(diào)速性能好、調(diào)速比寬、快速響應(yīng)性優(yōu)良、應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前交流調(diào)速方案中最先進(jìn)的系統(tǒng)之一。

本文從計(jì)算機(jī)對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的角度，以目前應(yīng)用較多的艾默生變頻器為控制對(duì)象，介紹變頻器的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì)、以及通訊原理和通訊命令。該系統(tǒng)已在實(shí)際項(xiàng)目中經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，上位機(jī)作為主控單元，為了使計(jì)算機(jī)與變頻器之間能夠通信，應(yīng)在兩者之間安裝一個(gè)轉(zhuǎn)換接口，這樣計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232／RS485轉(zhuǎn)換接口連接到EV3000變頻器，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)控制變頻電機(jī)，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。編碼器把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信息反饋至變頻器，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)送通信命令控制變頻器，變頻器響應(yīng)命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)使轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作，編碼器把反饋信息回傳給變頻器，完成控制流程。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，該系統(tǒng)中上位PC機(jī)選擇研華工控機(jī)，采用EV3000變頻器作為監(jiān)控系統(tǒng)核心控制器件，使用變頻器可加強(qiáng)系統(tǒng)的保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、斷路及短路等保護(hù)功能；實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍寬，特性曲線好，控制精度高，節(jié)能效果好；變頻電機(jī)采用嘉興巨能電機(jī)廠生產(chǎn)的YVP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍寬、振動(dòng)小、噪聲低、能與各種SPWM變頻裝置相配套。構(gòu)成交流變頻無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)通信方式

為了實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與變頻器之間的通訊，首先要了解它們之間的通信協(xié)議。計(jì)算機(jī)與變頻器之間采用十六進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)與變頻器之間自動(dòng)使用ASCII碼傳輸。PC機(jī)后臺(tái)為主機(jī)，變頻器為從機(jī)。采用主機(jī)“輪詢”，從機(jī)“應(yīng)答”的通信方式。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)為：幀頭、用戶數(shù)據(jù)、幀尾。幀頭：包括起始字節(jié)、從機(jī)地址；幀尾：校驗(yàn)數(shù)據(jù)(異或校驗(yàn))；用戶數(shù)據(jù)：包括參數(shù)數(shù)據(jù)和過(guò)程數(shù)據(jù)；參數(shù)數(shù)據(jù)：包括功能碼操作命令，響應(yīng)、功能碼號(hào)、功能碼設(shè)定／實(shí)際值，在短幀中沒有參數(shù)數(shù)據(jù)；過(guò)程數(shù)據(jù)：包括主機(jī)控制命令／從機(jī)狀態(tài)響應(yīng)、主機(jī)運(yùn)行主設(shè)定／從機(jī)運(yùn)行實(shí)際值。

EV3000可以通過(guò)長(zhǎng)短幀進(jìn)行通信。短幀用于獨(dú)立傳送自動(dòng)控制系統(tǒng)所需的控制字和狀態(tài)字；長(zhǎng)幀既包括控制字和狀態(tài)字又含有涉及操作控制、觀測(cè)、維護(hù)以及診斷等的內(nèi)容(所具有的內(nèi)容受變頻器自身功能的限制)。本文以長(zhǎng)幀為例進(jìn)行說(shuō)明。從計(jì)算機(jī)(控制器)到變頻器的通信發(fā)送幀格式如圖2所示。從變頻器到計(jì)算機(jī)(控制器)的通信接收幀格式如圖3所示。

EV3000的參數(shù)定標(biāo)說(shuō)明如下：

1)頻率的定標(biāo)為1：100。欲使變頻器以50 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)，則主設(shè)定應(yīng)為1388H(5 000)。

2)時(shí)間的定標(biāo)為1：10。欲使變頻器加速時(shí)間為30 s，則功能碼設(shè)定應(yīng)為012CH(300)。

3)電流的定標(biāo)為1：10。若變頻器反饋電流為012CH，則該變頻器當(dāng)前電流為30 A。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于Windows平臺(tái)的可視化集成開發(fā)工具Delohi軟件，利用Delphi的第三方提供的Spcomm控件，可簡(jiǎn)單便捷地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的串行通信。Spcomm主要屬性方法包括：1)CommName：設(shè)置串口；2)BaudRate：設(shè)置波特率；3)Paritv：奇偶校驗(yàn)位；4)ByteSize：設(shè)定的字節(jié)長(zhǎng)度；5)StopBits：停止位；6)Startcomm方法，用于打開串口；7)StopComm方法用于關(guān)閉串口；8)WriteCommData方法用于將一個(gè)字符串發(fā)送到寫進(jìn)程。監(jiān)控界面如圖4所示。

監(jiān)控程序界面主要用于用戶和變頻調(diào)速系統(tǒng)之間交互。通過(guò)此界面，用戶一方面可以方便地控制電機(jī)動(dòng)作，另一方面，也可實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻調(diào)速器的一些比較重要的參數(shù)，如電流、頻率、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速等，觀察其運(yùn)行狀況是否正常。在計(jì)算機(jī)通信前必須對(duì)串口進(jìn)行初始化，而且參數(shù)要與變頻器參數(shù)相同，否則不能通信。變頻器通信程序流程如圖5所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件設(shè)定相應(yīng)頻率使轉(zhuǎn)臺(tái)在匹配的加速度下運(yùn)行。表1中列出變頻器頻率f，轉(zhuǎn)臺(tái)法向加速度G，轉(zhuǎn)臺(tái)角速度ω，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速N之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6是變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)按表1中3種頻率變換動(dòng)作，逐級(jí)遞升使轉(zhuǎn)臺(tái)法向加速度在40，60，80 g下轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，上位機(jī)監(jiān)控軟件能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確的控制變頻電機(jī)動(dòng)作，完成操作流程。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明基于艾默生EV3000變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的正常驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，簡(jiǎn)化了控制邏輯系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單方便。通過(guò)上位機(jī)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大提高了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。