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。
關鍵詞：變頻調速，M68HC908J12，自動控制系統

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展，變頻調速以其自身功能完善、性能可靠、節能顯著等優點，已廣泛應用于工農業生產和生活等領域。目前，高性能變頻調速系統的研究和開發已引起各國專家的高度重視。
　　城市供氣系統的負載現在主要是風機，而風機類負載適于變頻調速，并且節能顯著，因此，變頻調速在城市供氣系統中推廣非常快。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。該系統以M68HC908J12單片機為核心，實現了變頻器與多風機的有機配合，抗干擾能力強，節能效率高，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，而且帶有10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FLASH閃速存儲器，具有在線編程和加密功能；片內512K字節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正常工作監視模塊COP；電源電壓監視模塊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　自動控制系統的原理
城市供氣系統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定，影響使用質量。傳統手動調節母管出口閥開度的方式會引起壓力不穩定，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，不利于節能，考慮到整個供氣系統對每臺風機并無特殊要求，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或處于停機狀態，這樣，當煤氣母管出口壓力高于或低于給定值時，該自動控制系統先通過變頻器調節，再通過啟停風機調節。這一過程以M68HC908J12單片機為核心協調完成。其控制原理如圖1所示。

　　該自動控制系統的調節過程為，單片機M68HC908J12接收母管出口壓力信號P，并進行PID優化補償，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發出控制信號調節變頻器的頻率，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，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，單片機M68HC908J12發出控制信號調節變頻器的頻率，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，保持系統壓力穩定。當P＝Po時，系統保持原狀態不變。
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％，因此整個系統調節性能非常高，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，以保證系統穩定，防止喘振。fm和fn是風機工作在高效區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可根據生產需要來定，而且Po應選定在保證供氣質量的最低值上，以利于節能。另外，在整個系統的設計中，變頻器所配風機的功率也應適合整個系統的調速過程，其功率應能與其它風機
相配合以實現變壓調節過程的穩定連續。

4　自動控制系統的主要組成
　　該自動控制系統主要組成如圖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，同一時刻只控制一臺風機，它由壓力信號經單片機M68HC908J12優化補償后，通過變頻調速達到調節出口壓力Po的目的。電氣邏輯開關是單片機M68HC908J12的執行機構，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。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行，完成壓力的測量和傳送，并能滿足系統精度要求。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監測電路。
5　出口壓力的優化調節
　　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，否則會引起喘振。本系統用戶所需壓力精度相對較低，但系統是依據出口壓力的變化來進行調節的，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PID的優化補償后，再驅動風機調壓。在調壓過程中，出口壓力的調節采用分段處理。為了避免引起喘振，各段都根據實際經驗，確定調整和優化的參數，以盡可能達到最優控制。

6　軟件設計
　　該系統的控制功能基本上由軟件完成，通過語言編輯，實現壓力、速度、加速度、存儲效應優化及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程序。PID優化程序和頻率調節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，加快系統的反應速度，提高系統的性能。另外，在硬件滿足要求的前提下，通過編程和參數設定，可調整系統的精度和性能。
7　結束語
　　本文提出的變頻調速自動控制系統，經實際運行，證明完全達到了設計要求，實現了無人值守和運行狀態監控報警。用一臺變頻器控制三臺風機，大大降低了成本，而且節能效果顯著，優于47．3％。在變頻器日益推廣的今天，該系統對城市供水、供氣及相關企業應用具有很高的推廣借鑒價值。