原创 单片机在变频调速系统中的应用

　　1 引 言

　　随着大功率开关器件制造技术和计算机技术的迅猛发展，变频调速以其自身功能完善、性能可靠、节能显著等优点，已广泛应用于工农业生产和生活等领域。目前，高性能变频调速系统的研究和开发已引起各国专家的高度重视。

　　城市供气系统的负载现在主要是风机，而风机类负载适于变频调速，并且节能显著，因此，变频调速在城市供气系统中推广非常快。但对较复杂的系统，变频调速设计很难取得最佳的效果。本文正是针对这一问题，结合本地气站的变频调速技术改造而进行的研究。该系统以M68HC908J12单片机为核心，实现了变频器与多风机的有机配合，抗干扰能力强，节能效率高，供气质量好，并降低了成本。实验证明具有很高的推广价值。

　　2　M68HC908J12单片机

　　M68HC908J12单片机是美国Motorola公司于2001年推出的一类M68HC908系列高性能8位单片机，它具有速度快、功能强、价格低等特点。硬件结构与M6805、M146805级M68HC05兼容，而且带有10位A／D和LCD驱动模块，其主要特点有：

　　最大的总线频率为8MHz（4．5V～5．5V），4MHz（2．7V～3．3V）和1MHz（2．4V～2．7V）内部总线频率；12K字节FLASH闪速存储器，具有在线编程和加密功能；片内512K字节RAM；多功能定时器接口TIM1和TIM2；具有红外功能的串行通信接口SCI；CPU正常工作监视模块COP；电源电压监视模块LVI；实时时钟RTC；串行外围部件扩展接口SPI；6路10位A／D；8个键盘输入中断。

　　3　自动控制系统的原理

　　城市供气系统中以恒压供气为原则，由于煤气随时间不同流量变化很大，若不能及时调整会造成煤气压力不稳定，影响使用质量。传统手动调节母管出口阀开度的方式会引起压力不稳定，甚至喘振，不能保证供气质量，而且存在能量的大量浪费。因此，只有设计出合理的、技术含量高的变频调速系统才能很好地解决这一问题。但由于一般气站风机较多，若一台变频器配一台风机，成本太高，而且风机也不一定工作在高效工作区，不利于节能，考虑到整个供气系统对每台风机并无特殊要求，只要保证出口压力稳定在给定值上即可。因此，该系统在设计过程中，只用一台风机变频调速，其它风机全速运行在高效工作区或处于停机状态，这样，当煤气母管出口压力高于或低于给定值时，该自动控制系统先通过变频器调节，再通过启停风机调节。这一过程以M68HC908J12单片机为核心协调完成。其控制原理如图1所示。

　　该自动控制系统的调节过程为，单片机M68HC908J12接收母管出口压力信号P，并进行PID优化补偿，同时接收变频器的频率信号f。当P＜Po，f＜fm（Po为系统压力给定值，fm为变频器调压的上限相应频率信号）时，单片机M68HC908J12发出控制信号调节变频器的频率，增加风机转速，增大压力P。当P＜Po，f≥fm时，单片机M68HC908J12再按序启动风机并打开相应泵阀，同时按设定程序变频调节，保持系统压力稳定。当P＞Po，f＞fn（fn为变频器调压的下限相应频率信号）时，单片机M68HC908J12发出控制信号调节变频器的频率，减小风机转速，降低压力。当P＞Po，f≤fn时，单片机M68HC908J12再按序关停风机并关闭相应泵阀，同时按设定程序变频调节，保持系统压力稳定。当P＝Po时，系统保持原状态不变。

　　在调速过程中，由于单片机M68HC908J12接收的压力信号P和变频器频率信号f精度较好，可达到0．1％，因此整个系统调节性能非常高，可有效消除喘振。另外，风机的启停顺序已由单片机M68HC908J12程序设定，而且在启停风机时，并非同时打开或关闭泵阀，而是有一定延时或超前时间，以保证系统稳定，防止喘振。fm和fn是风机工作在高效区时上下限所对应的变频器的频率，而非变频器最大最小频率，视具体的风机而定。给定压力Po可根据生产需要来定，而且Po应选定在保证供气质量的最低值上，以利于节能。另外，在整个系统的设计中，变频器所配风机的功率也应适合整个系统的调速过程，其功率应能与其它风机相配合以实现变压调节过程的稳定连续。

　　4　自动控制系统的主要组成

　　该自动控制系统主要组成如图2所示，它以单片机M68HC908J12为核心，通过软件编程独立完成压力的优化补偿和其它所有的控制任务，它接收压力信号和频率信号，协调全面的控制功能。单片机M68HC908J12的抗干扰能力强，而且具有红外接口，是系统性能的重要保证。变频器属于单片机执行机构的一部分，同一时刻只控制一台风机，它由压力信号经单片机M68HC908J12优化补偿后，通过变频调速达到调节出口压力Po的目的。电气逻辑开关是单片机M68HC908J12的执行机构，它由继电器和驱动电路组成，在单片机M68HC908J12的控制下，电气逻辑开关完成对风机及阀门开关的启停和调节。母管压力检测由陶瓷压阻压力传感器和Σ△A／D转换器构成的高精度数字变送器电路进行，完成压力的测量和传送，并能满足系统精度要求。风机是调压的直接机构，其中，风机0由变频器控制，风机1、风机2和风机3由逻辑开关控制。另外，电路保留了手动开关，还有电源和工作状态监测电路。

　　5　出口压力的优化调节

　　煤气供应系统的原则是煤气流量与出口压力匹配，从而保持系统压力平衡稳定，否则会引起喘振。本系统用户所需压力精度相对较低，但系统是依据出口压力的变化来进行调节的，因此，系统要求较高的压力精度。为有效克服喘振，系统主要采用了变速PID的优化补偿，其原理如图3所示，PID的调节主要由软件在单片机M68HC908J12内部完成，压力信号经PID的优化补偿后，再驱动风机调压。在调压过程中，出口压力的调节采用分段处理。为了避免引起喘振，各段都根据实际经验，确定调整和优化的参数，以尽可能达到最优控制。

　　6　软件设计

　　该系统的控制功能基本上由软件完成，通过语言编辑，实现压力、速度、加速度、存储效应优化及I／O控制。另外，该软件也设置了过压过流等保护、报警监控程序。程序编写时遵循顺序控制原则，软件的主程序流程如图4所示。

　　其中PID优化程序包括分段程序、频率调节的相应加速度程序、补偿调节程序、压力和速度等的相关程序。PID优化程序和频率调节程序相应分两个子程序。单片机M68HC908J12还通过与变频器RS235或RS485通讯口的连接，利用软件编程克服变频器的存储效应，加快系统的反应速度，提高系统的性能。另外，在硬件满足要求的前提下，通过编程和参数设定，可调整系统的精度和性能。

　　7　结束语

　　本文提出的变频调速自动控制系统，经实际运行，证明完全达到了设计要求，实现了无人值守和运行状态监控报警。用一台变频器控制三台风机，大大降低了成本，而且节能效果显著，优于47．3％。在变频器日益推广的今天，该系统对城市供水、供气及相关企业应用具有很高的推广借鉴价值。