单片机在变频调速系统中的应用

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Plantt|  楼主 | 2018-1-4 17:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
单片机在变频调速系统中的应用

介绍了一种基于单片机M68HC908J12的变频调速自动控制系统,阐述了该系统的组成及工件原理,给出了软件的主程序框图。
     关键词:变频调速,M68HC908J12,自动控制系统

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。
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  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。
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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。
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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。
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  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。


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dirtwillfly| | 2018-1-4 21:00 | 显示全部楼层
这个mcu已经停产了吧

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