單片機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

介紹了一種基于單片機(jī)M68HC908J12的變頻調(diào)速自動(dòng)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(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，M68HC908J12，自動(dòng)控制系統(tǒng)

1 引 言
　　隨著大功率開關(guān)器件制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速以其自身功能完善、性能可靠、節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活等領(lǐng)域。目前，高性能變頻調(diào)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(fù)載現(xiàn)在主要是風(fēng)機(jī)，而風(fēng)機(jī)類負(fù)載適于變頻調(diào)速，并且節(jié)能顯著，因此，變頻調(diào)速在城市供氣系統(tǒng)中推廣非?？臁５珜^復(fù)雜的系統(tǒng)，變頻調(diào)速設(shè)計(jì)很難取得最佳的效果。本文正是針對這一問題，結(jié)合本地氣站的變頻調(diào)速技術(shù)改造而進(jìn)行的研究。該系統(tǒng)以M68HC908J12單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了變頻器與多風(fēng)機(jī)的有機(jī)配合，抗干擾能力強(qiáng)，節(jié)能效率高，供氣質(zhì)量好，并降低了成本。實(shí)驗(yàn)證明具有很高的推廣價(jià)值。
2　M68HC908J12單片機(jī)
　　M68HC908J12單片機(jī)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(jī)，它具有速度快、功能強(qiáng)、價(jià)格低等特點(diǎn)。硬件結(jié)構(gòu)與M6805、M146805級M68HC05兼容，而且?guī)в?0位A／D和LCD驅(qū)動(dòng)模塊，其主要特點(diǎn)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(nèi)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(nèi)512K字節(jié)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(jiān)視模塊COP；電源電壓監(jiān)視模塊LVI；實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；串行外圍部件擴(kuò)展接口SPI；6路10位A／D；8個(gè)鍵盤輸入中斷。
3　自動(dòng)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(shí)間不同流量變化很大，若不能及時(shí)調(diào)整會(huì)造成煤氣壓力不穩(wěn)定，影響使用質(zhì)量。傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)母管出口閥開度的方式會(huì)引起壓力不穩(wěn)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(fèi)。因此，只有設(shè)計(jì)出合理的、技術(shù)含量高的變頻調(diào)速系統(tǒng)才能很好地解決這一問題。但由于一般氣站風(fēng)機(jī)較多，若一臺變頻器配一臺風(fēng)機(jī)，成本太高，而且風(fēng)機(jī)也不一定工作在高效工作區(qū)，不利于節(jié)能，考慮到整個(gè)供氣系統(tǒng)對每臺風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)過程中，只用一臺風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，其它風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行在高效工作區(qū)或處于停機(jī)狀態(tài)，這樣，當(dāng)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(tǒng)先通過變頻器調(diào)節(jié)，再通過啟停風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)。這一過程以M68HC908J12單片機(jī)為核心協(xié)調(diào)完成。其控制原理如圖1所示。

　　該自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程為，單片機(jī)M68HC908J12接收母管出口壓力信號P，并進(jìn)行PID優(yōu)化補(bǔ)償，同時(shí)接收變頻器的頻率信號f。當(dāng)P＜Po，f＜fm（Po為系統(tǒng)壓力給定值，fm為變頻器調(diào)壓的上限相應(yīng)頻率信號）時(shí)，單片機(jī)M68HC908J12發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)變頻器的頻率，增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大壓力P。當(dāng)P＜Po，f≥fm時(shí)，單片機(jī)M68HC908J12再按序啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并打開相應(yīng)泵閥，同時(shí)按設(shè)定程序變頻調(diào)節(jié)，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當(dāng)P＞Po，f＞fn（fn為變頻器調(diào)壓的下限相應(yīng)頻率信號）時(shí)，單片機(jī)M68HC908J12發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)變頻器的頻率，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低壓力。當(dāng)P＞Po，f≤fn時(shí)，單片機(jī)M68HC908J12再按序關(guān)停風(fēng)機(jī)并關(guān)閉相應(yīng)泵閥，同時(shí)按設(shè)定程序變頻調(diào)節(jié)，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當(dāng)P＝Po時(shí)，系統(tǒng)保持原狀態(tài)不變。
??? 在調(diào)速過程中，由于單片機(jī)M68HC908J12接收的壓力信號P和變頻器頻率信號f精度較好，可達(dá)到0．1％，因此整個(gè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能非常高，可有效消除喘振。另外，風(fēng)機(jī)的啟停順序已由單片機(jī)M68HC908J12程序設(shè)定，而且在啟停風(fēng)機(jī)時(shí)，并非同時(shí)打開或關(guān)閉泵閥，而是有一定延時(shí)或超前時(shí)間，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，防止喘振。fm和fn是風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)時(shí)上下限所對應(yīng)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(jī)而定。給定壓力Po可根據(jù)生產(chǎn)需要來定，而且Po應(yīng)選定在保證供氣質(zhì)量的最低值上，以利于節(jié)能。另外，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，變頻器所配風(fēng)機(jī)的功率也應(yīng)適合整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)速過程，其功率應(yīng)能與其它風(fēng)機(jī)
相配合以實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定連續(xù)。

4　自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成
　　該自動(dòng)控制系統(tǒng)主要組成如圖2所示，它以單片機(jī)M68HC908J12為核心，通過軟件編程獨(dú)立完成壓力的優(yōu)化補(bǔ)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(diào)全面的控制功能。單片機(jī)M68HC908J12的抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一部分，同一時(shí)刻只控制一臺風(fēng)機(jī)，它由壓力信號經(jīng)單片機(jī)M68HC908J12優(yōu)化補(bǔ)償后，通過變頻調(diào)速達(dá)到調(diào)節(jié)出口壓力Po的目的。電氣邏輯開關(guān)是單片機(jī)M68HC908J12的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由繼電器和驅(qū)動(dòng)電路組成，在單片機(jī)M68HC908J12的控制下，電氣邏輯開關(guān)完成對風(fēng)機(jī)及閥門開關(guān)的啟停和調(diào)節(jié)。母管壓力檢測由陶瓷壓阻壓力傳感器和Σ△A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的高精度數(shù)字變送器電路進(jìn)行，完成壓力的測量和傳送，并能滿足系統(tǒng)精度要求。風(fēng)機(jī)是調(diào)壓的直接機(jī)構(gòu)，其中，風(fēng)機(jī)0由變頻器控制，風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2和風(fēng)機(jī)3由邏輯開關(guān)控制。另外，電路保留了手動(dòng)開關(guān)，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(diào)節(jié)
　　煤氣供應(yīng)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(huì)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(jìn)行調(diào)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(bǔ)償，其原理如圖3所示，PID的調(diào)節(jié)主要由軟件在單片機(jī)M68HC908J12內(nèi)部完成，壓力信號經(jīng)PID的優(yōu)化補(bǔ)償后，再驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)調(diào)壓。在調(diào)壓過程中，出口壓力的調(diào)節(jié)采用分段處理。為了避免引起喘振，各段都根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定調(diào)整和優(yōu)化的參數(shù)，以盡可能達(dá)到最優(yōu)控制。

6　軟件設(shè)計(jì)
　　該系統(tǒng)的控制功能基本上由軟件完成，通過語言編輯，實(shí)現(xiàn)壓力、速度、加速度、存儲效應(yīng)優(yōu)化及I／O控制。另外，該軟件也設(shè)置了過壓過流等保護(hù)、報(bào)警監(jiān)控程序。程序編寫時(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(diào)節(jié)的相應(yīng)加速度程序、補(bǔ)償調(diào)節(jié)程序、壓力和速度等的相關(guān)程序。PID優(yōu)化程序和頻率調(diào)節(jié)程序相應(yīng)分兩個(gè)子程序。單片機(jī)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(yīng)，加快系統(tǒng)的反應(yīng)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(shè)定，可調(diào)整系統(tǒng)的精度和性能。
7　結(jié)束語
　　本文提出的變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，證明完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了無人值守和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控報(bào)警。用一臺變頻器控制三臺風(fēng)機(jī)，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(guān)企業(yè)應(yīng)用具有很高的推廣借鑒價(jià)值。

1　王　健，等．應(yīng)用M68HC908J12設(shè)計(jì)單相復(fù)費(fèi)率電能表．電子工程師，2002（7）
2　胡崇岳．現(xiàn)代變頻技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998
3　李朝青．單片機(jī)原理及接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
4　K J奧斯特隆姆，等．自適應(yīng)控制．李清泉，等譯．北京：北京科學(xué)出版社，1992
5　謝仁宏等．?dāng)?shù)字壓力變送器的設(shè)計(jì)．電子工程師，2002（7）