数字通讯控制下通用变频器的调速应用

童 杰

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

目前，通用变频器不仅在工业生产领域中得到了广泛的应用，甚至在民用生活领域中也应用广泛。通用变频器与异步电动机的有效结合，能够控制生产机械的调速传动，将该优势应用在不同的生产机械设备上，便能达到各种目的，且收到相应的效益。各类电气传动装置中的控制器已经由模拟控制转向全数字控制，因变频器供电调速非常快速，数字控制下的采样频率高，需经过复杂的操作控制、逻辑判断以及数学运算才能得以实现，故采用全数控方式能够大幅度地增强信息处理能力，这一点是采用模拟控制方式所无法实现的。而在数字控制下采用各种复杂控制的调速系统具有可靠性、可操作性、可维修性等一系列特性。

本文以英威腾公司CHF100A 矢量通用型变频器作为调速设备，控制系统的原理简图如图1所示。采用Microchip 公司PIC18F 系列单片机作为上位机控制，通过RS－485 通讯方式与该变频器进行全数字通讯，从而实现对工业用离心机的调速、力矩控制等多种控制。

1 控制过程

异步电动机有基频以下和以上两种调速方式。对于工业用离心机来说，转动惯量比较大，转速相对较低，一般情况下最高转速大概在4 000 ～5 000 r/min。根据此种特性，我们将通用变频器设置成V/F控制方式进行调速。该方式的基本特点是能够同时控制变频器的输出电压和频率，使电压和频率的比值保持一定，从而得到所需的转矩特性。

采用PIC18F 系列单片机作为上位机，通过远程通讯协议与变频器之间形成了高效率、高可靠性、高抗干扰的控制与反馈。该系列变频器提供了RS－485 通信接口，利用上位机来实现集中控制，如:设定变频器的运行频率及控制命令，或相关功能码参数的修改，监控变频器工作状态、提供故障信息等，便能适应大惯量控制系统的某些特定的应用要求。

2 通信控制

图1 控制系统的原理简图

我们采用目前在广泛应用的RS－485 串行总线标准，并且采用了差分接收和平衡发送的方式，使之能够抑制共模干扰，在传输距离、通信速率、多机连接等方面性能优异。另外该变频器采用标准Modbus 通讯协议，利用异步传输的帧内容及使用格式进行主从通讯协议方式。主要包括了主机发布帧、从机应答帧的格式。主机发布帧主要包含从机地址、执行命令、数据以及错误校验码等参数，而从机响应帧主要包含动作确认、返回数据以及错误校验码等参数。一旦发生传输错误，导致数据无法确认，则从机将反馈一个故障帧给主机，那么通过软件处理，重新组织新的主机发布帧再次传送，如果连续五次传送失败，则给出故障代码显示在数码管上。图2 为RTU 数据帧传输格式框图，显示了数据在串行异步通信过程中，以报文的形式逐帧发送的参数编码方式。它主要为8 位二进制编码系统，且每个8 位的帧域中，包含两个十六进制字符，传送数据依次为从机地址、操作命令码、数据和CRC 校验字。

图2 RTU 数据帧传输格式框图

例如，将给定上升斜率(地址为000BH)即上升时间520.0 s(1450H)写入(功能码为06H)到从机地址为01 H 的变频器中，则该帧的结构描述如表1所示。

表1 RTU 主机命令信息

图3 为通讯程序处理结构框图，主要是传送变频器的上升斜率、下降斜率、运行方式以及工作转速给定等参数。

图3 通讯程序处理结构框图

3 实 例

图4 是低速大容量冷冻工业用离心机，主要参数:最高转速4 200 r/min，最大离心加速度5 018 g(额定转速时)，最大容量6 L，毛重300 kg，加速与减速斜率分为10 档，从160 ～520 s 每档间隔40 s。

图4 工业用离心机

原来该机器采用由0 ～5 V 模拟电压输入信号，在满载运行条件下模拟控制信号经常受到干扰，导致转速精度很差，一般只能达到15% ～20%，上升及下降斜率误差在30%左右，而且由于电机在使用过程中电磁环境恶劣，在正常运转过程中时常出现失速、超速甚至停转现象，影响了用户的正常生产试验。

针对上述存在的问题，我们采用全数字控制方式进行改进提升，对转动方向、转速设定、上升速率和下降速率等参数通过数字通讯方式进行了给定，以保证电机在工作中保持稳定的转速、以及准确的上升时间和下降时间，从而使得离心机达到最佳的分离效果，实现安全、有效的运行。

在采用数字通讯控制后，实验证明在机器最高速满载运行时，通信速率、准确率均大为提高，转速精度提高到5%左右，上升及下降斜率误差控制在10%以内，且抗干扰能力大大增强，在使用过程中未出现过失速、超速及其他异常情况，因此得到了客户的肯定和好评。

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