引言

變頻調速作為交流電機調速的主要手段已經在工業領域中應用的十分廣泛，其具有的調速范圍寬、穩速精度高、動態響應快、適用范圍廣、運行可靠等技術性能，已逐步取代直流電機調速系統。變頻器的控制方式主要有三種：1.通過變頻器面板操作，即通過操作面板改變頻率的輸出和其他運行參數;2.在變頻器模擬量輸入端輸入0～10V或4～20mA信號,通過改變輸入模擬量的大小控制變頻器的輸出頻率;3.通過變頻器的通訊口(多為RS485)進行控制。第一種方式一般用于現場手動調節和參數設定，后二種方式多用于自動調節和遠程控制。工控領域中常用的PLC、DCS等控制系統都具有適用于變頻器接口條件的控制模塊，可以方便的實現變頻器的閉環自動控制，在大中型的控制系統中使用較為普遍。而對于一些小型實驗裝置和嵌入式控制裝置，處理器在控制變頻器之外，一般還需要處理鍵盤輸入、顯示屏、數據采集和其它過程控制等工作，這種控制要求更適合采用單片機系統作為控制核心，而以PLC加操作面板的形式，雖能實現功能但成本過高，不宜采用。

使用單片機控制變頻器可以選擇后二種方式，采用通訊口方式控制，其優點是控制功能全面，通過相應的電平轉換電路適合變頻器的通訊口形式(RS484/RS232/CAN等)，就可與變頻器進行通訊，硬件簡單，二者間的連線數量少連接方便。缺點是需要了解掌握變頻器的通訊協議才能進行控制編程，軟件設計復雜。由于不同品牌的變頻器通訊接口和通訊協議各不相同，目前尚沒有統一的標準，只能針對一種變頻器進行開發，縮小了變頻器品種的選擇范圍，適用性受到限制。而對于模擬量輸入控制方式，則幾乎在所有的變頻器中都能支持，雖然在功能上比較單一，但可實現調速的主要功能，能滿足多數場合的使用要求，具有普遍性。

最常用的模擬量輸入調速方法是通過電位器來調節頻率，即改變模擬量輸入的電壓值，達到調節轉速的目的。采用機械式電位器雖簡單易行，但易磨損，長期使用不夠穩定，同時還有一個最大的缺陷是只適合手動調節，不能實現自動調節。筆者采用數字電位器替代機械式電位器，在單片機的控制下，不但能進行簡單的手動變頻調速，還能根據控制要求實現PID閉環自動控制，不失為一種功能全面的單片機控制變頻器的好方法。

數字電位器

筆者采用美國Xicor公司的X9221雙E2POT非易失性數控電位器，電阻陣列端電壓±5V，分為64個抽頭。X9211包含二個電阻陣列，每個陣列包含有63個電阻單元。在每個單元之間和二個端點都有可以被訪問的抽頭點?；瑒訂卧陉嚵兄械奈恢糜捎脩敉ㄟ^二線制串行總線接口控制。每個電阻陣列與一個滑動端計數寄存器和四個8位數據寄存器聯系在一起，這四個數據寄存器可以由用戶直接寫入和讀出，滑動端計數寄存器的內容控制滑動端在電阻陣列中的位置。功能框圖如圖1 所示。

圖1 功能框圖

X9211的寫入單元為8字節的E2PROM存儲器，寫入次數105次，數據保存時間100年，亦即電位器抽頭位置具有掉電保持功能，不會因為失電而改變。X9211共有3種電阻陣列值：2KΩ、10KΩ、50KΩ，可根據實際需要選擇;分辨率為每個電位器64個抽頭;采用20引腳DIP和SOIC封裝。本文所以選擇使用雙組電位器X9221，是因為控制對象除變頻器外，還有一組由可控硅調壓控溫的電加熱器，同樣可以采用數字電位器的方法進行調控，這樣使用一片X9221就可實現對二個對象的控制，對二者可以分別進行調節和控制，互不影響，因此非常適合雙路輸出的控制要求，方便簡捷，一舉兩得。

單片機與數字電位器接口

X9221支持I2C二線制串行總線規約，與單片機的接口只需要2根I/O線。單片機作為主機可按照規約規定的時序啟動數據的傳輸，并為發送和接收操作提供時鐘，X9221作為從機響應主機的操作，從總線上接收數據或將數據送至總線上，從而實現單片機對X9221的讀寫操作，硬件接口電路如圖2所示。

圖2中X9221的二組電阻陣列分別連接變頻器調節端子和電熱器調節端子，在變頻器接口端子中還有一個控制變頻器啟停的干接點，由單片機P3.2口經驅動控制繼電器實現。與變頻器模擬控制接口連接需要注意的是，一般變頻器的輸入接口的提供的電壓是0-10V，X9221電阻陣列的端電壓相對于Vss是±5V，如果按一般習慣將變頻器控制接口的負極 0V與Vss連接作為公共端時，那么電位器的VH端電壓相對Vss將會是10V，超出了允許范圍，會造成器件損壞。因此二者連接時應將變頻器控制接口的正極10V與X9211的正電源Vcc電源連接作為公共端，即共正極連接，這樣就可以保證電位器的VH和VL的 端電壓會在±5V的正常工作范圍內。由于變頻器采用的是整流—PWM逆變輸出的工作原理，在工作過程中必然會產生許多高次諧波，對單片機系統的干擾較大，因此二者間的連接應使用屏蔽電纜，并將屏蔽層一端可靠接地;同時在X9221的輸出端增加濾波電容，減少高頻信號的引入。

軟件設計

X9221包括二個滑動端計數寄存器(WCR)，每個E2POT電位器各對應一個。WCR可以被認為是一個6位并行和串行裝載的帶有輸出譯碼的計數器，用來選擇沿著電阻陣列的六十四選一的開關。WCR的內容可以有4種方法來改變：1.可以由主機通過Write WCR指令來直接寫入(串行加載);2.可以通過XFR Data Register指令把四個輔助數據寄存器之一的內容直接寫入(并行裝載);3.可以通過Increment/Decrement指令一步一步地修改;4.可以在上電時裝入它的數據寄存器0(R0)的內容。

送給X9221所有的命令都由開始條件為引導，這個條件就是當SCL為高時，SDA由高至低的跳變。X9221連續監視SCL和SDA線上的開始條件，在遇到這個條件前將不響應任何命令。接著單片機必須輸出要訪問的X9221的8位地址。其中高4位為器件類型辨識符，固定為0101，低4位是該器件地址，由X9221的A0-A3輸入端的狀態來定義。在本設計中A0-A3全部接地，故地址為50H。 X9221在比較地址成功后會作出一個應答響應，以表示數據接收成功。接著單片機可以送出一個字節包括指令和寄存器指針的信息，格式如下：

其中高4位決定操作指令，P0位選擇二個電位器中的一個，最低2位(R1 R0)選擇4個寄存器中的一個。最后以SCL為高時SDA由低到高的跳變為一個終止條件來結束。終止條件一旦發出，則X9221開始內部的寫周期，典型的寫周期時間為10ms，如果單片機在X9221寫操作周期內訪問，則沒有應答返回，此時可以采用輪詢的方式等待應答信息。詳細的時序及指令說明請參閱器件手冊。

結語

采用數字電位器控制變頻器調速，可適用于各種規格型號的變頻器，硬件組成簡單，不需要價格較高外圍電路復雜的D/A芯片，在單片機的控制下可進行閉環回路的自動跟蹤調節，性價比高，易于實現。筆者所設計的電路實際應用于微型噴霧干燥實驗機的電腦控制器中，已小批量生產。噴霧干燥實驗機是將液體溶液干燥加工成為固體粉末，多用于醫藥、食品、化工和實驗室等進行樣品的制備和實驗。在實驗中要求能夠根據物料的特性選擇不同的干燥風量和加熱溫度，該功能的實現就是通過51 單片機控制一片數字電位器X9221，分別調節風機變頻器和加熱器可控硅調壓模塊控制風機轉速和加熱功率，采用模糊控制結合PID調節的控制方法，根據用戶設定的溫度和風量值，實現了風量和加熱溫度的自動調節，取得了滿意的結果。因此，使用單片機系統控制變頻器調速時，采用數字電位器作為輸出調節接口，是一個簡單實用、適用范圍廣、具有較高性價比的好方法。