引言

變頻調(diào)速作為交流電機(jī)調(diào)速的主要手段已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的十分廣泛，其具有的調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適用范圍廣、運(yùn)行可靠等技術(shù)性能，已逐步取代直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。變頻器的控制方式主要有三種：1.通過(guò)變頻器面板操作，即通過(guò)操作面板改變頻率的輸出和其他運(yùn)行參數(shù);2.在變頻器模擬量輸入端輸入0～10V或4～20mA信號(hào),通過(guò)改變輸入模擬量的大小控制變頻器的輸出頻率;3.通過(guò)變頻器的通訊口(多為RS485)進(jìn)行控制。第一種方式一般用于現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)定，后二種方式多用于自動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程控制。工控領(lǐng)域中常用的PLC、DCS等控制系統(tǒng)都具有適用于變頻器接口條件的控制模塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)變頻器的閉環(huán)自動(dòng)控制，在大中型的控制系統(tǒng)中使用較為普遍。而對(duì)于一些小型實(shí)驗(yàn)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(pán)輸入、顯示屏、數(shù)據(jù)采集和其它過(guò)程控制等工作，這種控制要求更適合采用單片機(jī)系統(tǒng)作為控制核心，而以PLC加操作面板的形式，雖能實(shí)現(xiàn)功能但成本過(guò)高，不宜采用。

使用單片機(jī)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(yōu)點(diǎn)是控制功能全面，通過(guò)相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)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(jìn)行通訊，硬件簡(jiǎn)單，二者間的連線數(shù)量少連接方便。缺點(diǎn)是需要了解掌握變頻器的通訊協(xié)議才能進(jìn)行控制編程，軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜。由于不同品牌的變頻器通訊接口和通訊協(xié)議各不相同，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能針對(duì)一種變頻器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，縮小了變頻器品種的選擇范圍，適用性受到限制。而對(duì)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(shí)現(xiàn)調(diào)速的主要功能，能滿足多數(shù)場(chǎng)合的使用要求，具有普遍性。

最常用的模擬量輸入調(diào)速方法是通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié)頻率，即改變模擬量輸入的電壓值，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。采用機(jī)械式電位器雖簡(jiǎn)單易行，但易磨損，長(zhǎng)期使用不夠穩(wěn)定，同時(shí)還有一個(gè)最大的缺陷是只適合手動(dòng)調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。筆者采用數(shù)字電位器替代機(jī)械式電位器，在單片機(jī)的控制下，不但能進(jìn)行簡(jiǎn)單的手動(dòng)變頻調(diào)速，還能根據(jù)控制要求實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)自動(dòng)控制，不失為一種功能全面的單片機(jī)控制變頻器的好方法。

數(shù)字電位器

筆者采用美國(guó)Xicor公司的X9221雙E2POT非易失性數(shù)控電位器，電阻陣列端電壓±5V，分為64個(gè)抽頭。X9211包含二個(gè)電阻陣列，每個(gè)陣列包含有63個(gè)電阻單元。在每個(gè)單元之間和二個(gè)端點(diǎn)都有可以被訪問(wèn)的抽頭點(diǎn)。滑動(dòng)單元在陣列中的位置由用戶通過(guò)二線制串行總線接口控制。每個(gè)電阻陣列與一個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器和四個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器聯(lián)系在一起，這四個(gè)數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶直接寫(xiě)入和讀出，滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器的內(nèi)容控制滑動(dòng)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(xiě)入單元為8字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，寫(xiě)入次數(shù)105次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間100年，亦即電位器抽頭位置具有掉電保持功能，不會(huì)因?yàn)槭щ姸淖儭9211共有3種電阻陣列值：2KΩ、10KΩ、50KΩ，可根據(jù)實(shí)際需要選擇;分辨率為每個(gè)電位器64個(gè)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?yàn)榭刂茖?duì)象除變頻器外，還有一組由可控硅調(diào)壓控溫的電加熱器，同樣可以采用數(shù)字電位器的方法進(jìn)行調(diào)控，這樣使用一片X9221就可實(shí)現(xiàn)對(duì)二個(gè)對(duì)象的控制，對(duì)二者可以分別進(jìn)行調(diào)節(jié)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(jiǎn)捷，一舉兩得。

單片機(jī)與數(shù)字電位器接口

X9221支持I2C二線制串行總線規(guī)約，與單片機(jī)的接口只需要2根I/O線。單片機(jī)作為主機(jī)可按照規(guī)約規(guī)定的時(shí)序啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸，并為發(fā)送和接收操作提供時(shí)鐘，X9221作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)的操作，從總線上接收數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)送至總線上，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)X9221的讀寫(xiě)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(diào)節(jié)端子和電熱器調(diào)節(jié)端子，在變頻器接口端子中還有一個(gè)控制變頻器啟停的干接點(diǎn)，由單片機(jī)P3.2口經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制繼電器實(shí)現(xiàn)。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(duì)于Vss是±5V，如果按一般習(xí)慣將變頻器控制接口的負(fù)極 0V與Vss連接作為公共端時(shí)，那么電位器的VH端電壓相對(duì)Vss將會(huì)是10V，超出了允許范圍，會(huì)造成器件損壞。因此二者連接時(shí)應(yīng)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(huì)在±5V的正常工作范圍內(nèi)。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(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生許多高次諧波，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾較大，因此二者間的連接應(yīng)使用屏蔽電纜，并將屏蔽層一端可靠接地;同時(shí)在X9221的輸出端增加濾波電容，減少高頻信號(hào)的引入。

軟件設(shè)計(jì)

X9221包括二個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器(WCR)，每個(gè)E2POT電位器各對(duì)應(yīng)一個(gè)。WCR可以被認(rèn)為是一個(gè)6位并行和串行裝載的帶有輸出譯碼的計(jì)數(shù)器，用來(lái)選擇沿著電阻陣列的六十四選一的開(kāi)關(guān)。WCR的內(nèi)容可以有4種方法來(lái)改變：1.可以由主機(jī)通過(guò)Write WCR指令來(lái)直接寫(xiě)入(串行加載);2.可以通過(guò)XFR Data Register指令把四個(gè)輔助數(shù)據(jù)寄存器之一的內(nèi)容直接寫(xiě)入(并行裝載);3.可以通過(guò)Increment/Decrement指令一步一步地修改;4.可以在上電時(shí)裝入它的數(shù)據(jù)寄存器0(R0)的內(nèi)容。

送給X9221所有的命令都由開(kāi)始條件為引導(dǎo)，這個(gè)條件就是當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由高至低的跳變。X9221連續(xù)監(jiān)視SCL和SDA線上的開(kāi)始條件，在遇到這個(gè)條件前將不響應(yīng)任何命令。接著單片機(jī)必須輸出要訪問(wèn)的X9221的8位地址。其中高4位為器件類型辨識(shí)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(tài)來(lái)定義。在本設(shè)計(jì)中A0-A3全部接地，故地址為50H。 X9221在比較地址成功后會(huì)作出一個(gè)應(yīng)答響應(yīng)，以表示數(shù)據(jù)接收成功。接著單片機(jī)可以送出一個(gè)字節(jié)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(gè)電位器中的一個(gè)，最低2位(R1 R0)選擇4個(gè)寄存器中的一個(gè)。最后以SCL為高時(shí)SDA由低到高的跳變?yōu)橐粋€(gè)終止條件來(lái)結(jié)束。終止條件一旦發(fā)出，則X9221開(kāi)始內(nèi)部的寫(xiě)周期，典型的寫(xiě)周期時(shí)間為10ms，如果單片機(jī)在X9221寫(xiě)操作周期內(nèi)訪問(wèn)，則沒(méi)有應(yīng)答返回，此時(shí)可以采用輪詢的方式等待應(yīng)答信息。詳細(xì)的時(shí)序及指令說(shuō)明請(qǐng)參閱器件手冊(cè)。

結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)字電位器控制變頻器調(diào)速，可適用于各種規(guī)格型號(hào)的變頻器，硬件組成簡(jiǎn)單，不需要價(jià)格較高外圍電路復(fù)雜的D/A芯片，在單片機(jī)的控制下可進(jìn)行閉環(huán)回路的自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，性價(jià)比高，易于實(shí)現(xiàn)。筆者所設(shè)計(jì)的電路實(shí)際應(yīng)用于微型噴霧干燥實(shí)驗(yàn)機(jī)的電腦控制器中，已小批量生產(chǎn)。噴霧干燥實(shí)驗(yàn)機(jī)是將液體溶液干燥加工成為固體粉末，多用于醫(yī)藥、食品、化工和實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行樣品的制備和實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中要求能夠根據(jù)物料的特性選擇不同的干燥風(fēng)量和加熱溫度，該功能的實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)51 單片機(jī)控制一片數(shù)字電位器X9221，分別調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器和加熱器可控硅調(diào)壓模塊控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加熱功率，采用模糊控制結(jié)合PID調(diào)節(jié)的控制方法，根據(jù)用戶設(shè)定的溫度和風(fēng)量值，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)量和加熱溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，取得了滿意的結(jié)果。因此，使用單片機(jī)系統(tǒng)控制變頻器調(diào)速時(shí)，采用數(shù)字電位器作為輸出調(diào)節(jié)接口，是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用、適用范圍廣、具有較高性價(jià)比的好方法。