變頻器及在串口上網(wǎng)中的應用

1、引言
　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，各種設備的傳動部件主要為電動機，且電動機的傳動在許多場合要求能夠調(diào)速。電動機的調(diào)速運行方式很多，以電動機類型分大致可分為直流調(diào)速與交流調(diào)速兩種，而交流調(diào)速變頻調(diào)速為運行效果與節(jié)能效果最佳。隨著電子器件技術和計算機技術的發(fā)展，變頻器的應用已逐漸從手動控制方式逐漸向計算機控制發(fā)展。本文在介紹變頻器技術的基礎上，介紹了基于串口上網(wǎng)技術的變頻器控制系統(tǒng)。
2、變頻調(diào)速的工作方式
　　變頻技術大致可分為直－交變頻與交－交變頻2種。我們通常所見的變頻器大多采用的為直－交變頻技術。在交流電動機的調(diào)速系統(tǒng)中，常常要求電動機不管在高速時運行還是在低速時運行，都要維持電動機的磁通密度為一恒定值。因此當逆變器的輸出頻率變化時，要求逆變器的輸出電壓也要隨之變化。這就是V/f控制方式。當轉(zhuǎn)差率Ｓ變化不大時電動機的轉(zhuǎn)速ｎ基本上正比于定子供電頻率ｆ。故改變ｆ就可得到極大的調(diào)速范圍，很好的調(diào)節(jié)平滑性以及足夠硬度的機械特性。
3、變頻器技術發(fā)展趨勢
　　交流傳動與控制技術是目前發(fā)展最為迅速的技術之一，這是和電力電子器件制造技術、變流技術控制技術以及微型計算機和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關。
3.1 器件發(fā)展
　　變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM（Intelligent Power Module），后面2種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關特性于一體，是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可小于3V,頻率可達到20kHz,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開關速度更快、電壓更高,容量更大（3.3kV、1200A），目前，采用溝道型柵極技術、非穿通技術等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓[VCE（sat）>的第4代IGBT也已問世。
　　第4代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大的提高。（1）ICBT開關器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50－70％的器件發(fā)熱降低了30％。（2）高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善;（3）開關頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實現(xiàn)了電機運行的靜化;（4）驅(qū)動功率減少，體積趨于更小。
而IPM的投入應用比IGBT晚，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動和保護電路．甚至還有的把光耦也集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定電流10－600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨勢。
3.2 變頻器內(nèi)部控制方式發(fā)展趨勢
　　矢量控制。也稱磁場定向控制。它以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。矢量控制的基本點是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。
　　直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。性能有了進一步提高。
4、應用串口上網(wǎng)實現(xiàn)遠程控制
　　以太網(wǎng)作為IT產(chǎn)業(yè)的主要通訊骨干，已是眾所皆知的事實，并已大量的應用在人類生活息息相關的信息產(chǎn)業(yè)上。面對這股網(wǎng)絡化的潮流，身為所有產(chǎn)業(yè)基礎建設的工業(yè)自動化系統(tǒng)，也廣泛的應用TCP/IP以太網(wǎng)作為系統(tǒng)通訊界面，并積極發(fā)展更符合工業(yè)標準的網(wǎng)絡技術與產(chǎn)品，提高系統(tǒng)自動化的能力，從而達到降低成本、提升競爭力的目標。但是,在系統(tǒng)網(wǎng)絡化的過程里,由于許多傳統(tǒng)的串口設備未具備聯(lián)網(wǎng)能力,在控制指令與設備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡的方案。而串口通訊網(wǎng)絡技術簡單、易用，性價比高，是系統(tǒng)網(wǎng)絡化的理想選擇。現(xiàn)在市場上已出現(xiàn)MOXA的Nport系列串口上網(wǎng)服務器。
　　使用MOXA的標準串口驅(qū)動程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠程的COM端口，不需要更改系統(tǒng)原有使用串行通訊的應用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅(qū)動程序支持，Nport 家族 可以立即讓串口設備具備聯(lián)網(wǎng)的能力。Nport 家族 設備聯(lián)網(wǎng)服務器包含完整的TCP/IP協(xié)議。它可以把串口數(shù)據(jù)包裝成TCP封包，并轉(zhuǎn)換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機的以太網(wǎng)卡上。主機以自己的TCP/IP協(xié)議解封包后，應用程序可以接收到完整的串口數(shù)據(jù)。
通過Nport 家族 TCP端口，以TCP/IP Socket來存取串口數(shù)據(jù)。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統(tǒng)。
　　讓串口設備具備TCP/IP網(wǎng)絡界面，可提高企業(yè)管理與原作效率。由TCP/IP網(wǎng)絡可遠程、機動性管理的特性，大大減低系統(tǒng)故障維護與人力成本，是一個底成本效益的串口設備管理模式。
　　本系統(tǒng)選擇1對1串口服務器（型號DE311）。只需在上位機安裝MOXA COM 驅(qū)動程序, 給MOXA串口服務器設置IP地址，上位機通過局域網(wǎng)與MOXA Nport-Server通訊，再通過MOXA 的RS-485轉(zhuǎn)換口與變頻器相連，并在上位機分配虛擬COM口，上位機利用組態(tài)軟件完成所有系統(tǒng)組態(tài)程序，建立相應的COM硬件設備，進行系統(tǒng)的人機界面設置組態(tài)，系統(tǒng)的遠程監(jiān)控可以通過訪問上位機實現(xiàn)，遠程計算機可以直接訪問MOXA串口服務器的IP地址，直接讀取TCP/IP數(shù)據(jù)包，進行網(wǎng)絡遠程監(jiān)控。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

4.1 在組態(tài)軟件中安裝變頻器驅(qū)動程序
（1） 安裝變頻器驅(qū)動程序并設置相應的通訊參數(shù)，如地址、波特率、奇偶較驗、數(shù)據(jù)位、停止位設定等，注意此設定值需與變頻器內(nèi)部設定值一致，否則通訊不成功。
（2） 設置變量并進行變量連接
在實時數(shù)據(jù)庫（有的組態(tài)軟件叫變量字典）定義變量，根據(jù)需要可定義開關量或模擬量參數(shù),然后連接到變頻器的相應功能項上。
（3） 建立動畫連接，將做好的畫面連接到變頻器的變量上。
　　上述工作完成以后，就可在腳本程序中編寫程序了。如定義的某變量為變頻器的輸出頻率，那么可對此變量賦值，變頻器按賦值的頻率運行了。也可以采用動畫連接的方式，通過變量采集變頻器有關的數(shù)據(jù)，以報表、圖形、動畫的形式反映出來。使監(jiān)控系統(tǒng)更加豐富多彩。
4.2 基于網(wǎng)絡的變頻器監(jiān)控實驗系統(tǒng)的設計
　　傳統(tǒng)的變頻器實驗是采用手動操作變頻器面板的方式，與工業(yè)現(xiàn)場采用計算機控制方式相比，控制方法落后，開發(fā)系統(tǒng)困難且學生實驗時興趣差，影響學習效果。為此我們以組態(tài)軟件為平臺，采用串口上網(wǎng)技術，開發(fā)了1套基于網(wǎng)絡的變頻器控制系統(tǒng)，應用于實踐。此系統(tǒng)由變頻器帶動輥道送物，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，速度調(diào)節(jié)，報警等。控制信號，頻率設定，速度、狀態(tài)顯示均在計算機上完成，操作方便。
（1） 串口上網(wǎng)技術
　　采用串口上網(wǎng)技術，實際上使變頻器具有IP地址，并通過MOXA 串口服務器接入網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡中的計算機可以對其遠程監(jiān)控。
　　本系統(tǒng)共設計了3個控制界面，包括輥道監(jiān)控窗口，變頻器操作窗口，報警窗口。各個窗口可自由切換。其中輥道監(jiān)控窗口采用動畫的方式顯示輥道及貨物的運行情況，包括運行速度、方向、位置顯示等。變頻器操作窗口包括變頻器的各種操作，如頻率設定、正反轉(zhuǎn)控制、加減速設定，及各種參數(shù)的顯示等。報警窗口當變頻器故障時自動彈出，并切斷變頻器輸出，保證系統(tǒng)安全。因篇幅所限，列出變頻器操作窗口畫面圖2及正、反轉(zhuǎn)控制腳本程序。

（2） 正、反轉(zhuǎn)控制程序
IF b0.pv==2 THEN /啟動操作
bb=0
ENDIF
IF b0.pv<>2 THEN /非運行狀態(tài)
bb=bb+b1.pv
ENDIF
IF bb>=150 THEN
bb=1
ENDIF
IF b0.pv==2 THEN /反轉(zhuǎn)
m=0
ELSE m=b1.pv＊40
ENDIF
IF b0.pv==1 THEN /正轉(zhuǎn)狀態(tài)
level=level+b1.pv
ENDIF
IF level>=500 THEN
level=500
ENDIF
IF level>=500&&b0.pv<>3 THEN
b0.pv=2 /正轉(zhuǎn)運行結束，并反轉(zhuǎn)
ENDIF
IF level>=500 THEN
b0.pv=3
ENDIF
IF b0.pv==3 THEN /加速
level=level-10
ENDIF
IF level<=0 THEN /反轉(zhuǎn)運行結束，并正轉(zhuǎn)
b0.pv=1;
ENDIF
　　該程序?qū)崿F(xiàn)在計算機上利用監(jiān)控界面，通過網(wǎng)絡遠程監(jiān)控變頻器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、設定頻率等操作，并在畫面上顯示某些運行參數(shù)和頻率曲線。限于篇幅，僅列出部分原代碼。
該系統(tǒng)在我院投入使用，經(jīng)過2年的運行，取得較好的效果。上述方法同樣適用于其它串口設備的使用。