變頻器及在串口上網中的應用

1、引言
　　現代工業生產過程中，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速。電動機的調速運行方式很多，以電動機類型分大致可分為直流調速與交流調速兩種，而交流調速變頻調速為運行效果與節能效果最佳。隨著電子器件技術和計算機技術的發展，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展。本文在介紹變頻器技術的基礎上，介紹了基于串口上網技術的變頻器控制系統。
2、變頻調速的工作方式
　　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。在交流電動機的調速系統中，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。當轉差率Ｓ變化不大時電動機的轉速ｎ基本上正比于定子供電頻率ｆ。故改變ｆ就可得到極大的調速范圍，很好的調節平滑性以及足夠硬度的機械特性。
3、變頻器技術發展趨勢
　　交流傳動與控制技術是目前發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模集成電路的飛速發展密切相關。
3.1 器件發展
　　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開關器件發熱減少，將曾占主回路發熱50－70％的器件發熱降低了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，即實現了電機運行的靜化;（4）驅動功率減少，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，通用變頻器均有采用IPM的趨勢。
3.2 變頻器內部控制方式發展趨勢
　　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，但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質。矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經過坐標變換實現正交或解耦控制。但是，由于轉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。
　　直接轉矩控制。直接轉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矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。性能有了進一步提高。
4、應用串口上網實現遠程控制
　　以太網作為IT產業的主要通訊骨干，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業上。面對這股網絡化的潮流，身為所有產業基礎建設的工業自動化系統，也廣泛的應用TCP/IP以太網作為系統通訊界面，并積極發展更符合工業標準的網絡技術與產品，提高系統自動化的能力，從而達到降低成本、提升競爭力的目標。但是,在系統網絡化的過程里,由于許多傳統的串口設備未具備聯網能力,在控制指令與設備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉TCP/IP網絡的方案。而串口通訊網絡技術簡單、易用，性價比高，是系統網絡化的理想選擇。現在市場上已出現MOXA的Nport系列串口上網服務器。
　　使用MOXA的標準串口驅動程序，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的驅動程序支持，Nport 家族 可以立即讓串口設備具備聯網的能力。Nport 家族 設備聯網服務器包含完整的TCP/IP協議。它可以把串口數據包裝成TCP封包，并轉換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機的以太網卡上。主機以自己的TCP/IP協議解封包后，應用程序可以接收到完整的串口數據。
通過Nport 家族 TCP端口，以TCP/IP Socket來存取串口數據。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統。
　　讓串口設備具備TCP/IP網絡界面，可提高企業管理與原作效率。由TCP/IP網絡可遠程、機動性管理的特性，大大減低系統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。
　　本系統選擇1對1串口服務器（型號DE311）。只需在上位機安裝MOXA COM 驅動程序, 給MOXA串口服務器設置IP地址，上位機通過局域網與MOXA Nport-Server通訊，再通過MOXA 的RS-485轉換口與變頻器相連，并在上位機分配虛擬COM口，上位機利用組態軟件完成所有系統組態程序，建立相應的COM硬件設備，進行系統的人機界面設置組態，系統的遠程監控可以通過訪問上位機實現，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數據包，進行網絡遠程監控。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

4.1 在組態軟件中安裝變頻器驅動程序
（1） 安裝變頻器驅動程序并設置相應的通訊參數，如地址、波特率、奇偶較驗、數據位、停止位設定等，注意此設定值需與變頻器內部設定值一致，否則通訊不成功。
（2） 設置變量并進行變量連接
在實時數據庫（有的組態軟件叫變量字典）定義變量，根據需要可定義開關量或模擬量參數,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據，以報表、圖形、動畫的形式反映出來。使監控系統更加豐富多彩。
4.2 基于網絡的變頻器監控實驗系統的設計
　　傳統的變頻器實驗是采用手動操作變頻器面板的方式，與工業現場采用計算機控制方式相比，控制方法落后，開發系統困難且學生實驗時興趣差，影響學習效果。為此我們以組態軟件為平臺，采用串口上網技術，開發了1套基于網絡的變頻器控制系統，應用于實踐。此系統由變頻器帶動輥道送物，可實現正反轉，速度調節，報警等。控制信號，頻率設定，速度、狀態顯示均在計算機上完成，操作方便。
（1） 串口上網技術
　　采用串口上網技術，實際上使變頻器具有IP地址，并通過MOXA 串口服務器接入網絡，使網絡中的計算機可以對其遠程監控。
　　本系統共設計了3個控制界面，包括輥道監控窗口，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、正反轉控制、加減速設定，及各種參數的顯示等。報警窗口當變頻器故障時自動彈出，并切斷變頻器輸出，保證系統安全。因篇幅所限，列出變頻器操作窗口畫面圖2及正、反轉控制腳本程序。

（2） 正、反轉控制程序
IF b0.pv==2 THEN /啟動操作
bb=0
ENDIF
IF b0.pv<>2 THEN /非運行狀態
bb=bb+b1.pv
ENDIF
IF bb>=150 THEN
bb=1
ENDIF
IF b0.pv==2 THEN /反轉
m=0
ELSE m=b1.pv＊40
ENDIF
IF b0.pv==1 THEN /正轉狀態
level=level+b1.pv
ENDIF
IF level>=500 THEN
level=500
ENDIF
IF level>=500&&b0.pv<>3 THEN
b0.pv=2 /正轉運行結束，并反轉
ENDIF
IF level>=500 THEN
b0.pv=3
ENDIF
IF b0.pv==3 THEN /加速
level=level-10
ENDIF
IF level<=0 THEN /反轉運行結束，并正轉
b0.pv=1;
ENDIF
　　該程序實現在計算機上利用監控界面，通過網絡遠程監控變頻器的正轉、反轉、加速、設定頻率等操作，并在畫面上顯示某些運行參數和頻率曲線。限于篇幅，僅列出部分原代碼。
該系統在我院投入使用，經過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。