【正文】 比恒速泵控制節(jié)能效果明顯 [5]。 相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需 揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體降低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)。 10 3 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 與設(shè)備選型 系統(tǒng) 總 體設(shè)計(jì) 該 系統(tǒng)以 AT8052 單片機(jī)為核心，由單片機(jī) 、 變頻器 、測(cè)量與轉(zhuǎn)換、 顯示及用戶設(shè)定 等 幾個(gè)主 要 部分組成。 圖 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 框圖 該系統(tǒng) 采 用 壓力反饋的單閉環(huán)控制 ，通過對(duì)出水口壓力采樣反饋與壓力給定值做比較，計(jì)算出 e（ k）。 系統(tǒng)控制 原理 如圖 所示。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，占整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng) 80％左右的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)中采用的是交流電動(dòng)機(jī)（包括異步電動(dòng)機(jī) 11 和同步電動(dòng)機(jī)），而在需 要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動(dòng)系統(tǒng)中則基本上采用的是直流電動(dòng)機(jī)。 而與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)則具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作可靠，易于維護(hù)保養(yǎng)； （ 2）不存在換向火花，可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； （ 3）容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動(dòng)機(jī)。 在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，尤其是對(duì)于在工業(yè)中大量使用的風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載來說，通過變頻器進(jìn)行調(diào)速控制可以代替利用擋板和閥門進(jìn)行的風(fēng)量、流量和揚(yáng)程的 傳統(tǒng) 控制，所以節(jié)能效果非常明顯。由于變頻器可以看作是一個(gè)頻率可調(diào)的交流電源，對(duì)于現(xiàn)有的進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的異步電動(dòng)機(jī)來說，只需在電網(wǎng)電源和現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)之間接入變頻器和相應(yīng)設(shè)備，就可以利用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào) 速控制，而無需對(duì)電動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)本身進(jìn)行大的設(shè)備改造。因此，在進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，可以通過控制頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)工作在轉(zhuǎn)差較小的范圍，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍較寬，并可以達(dá)到提高運(yùn)行效率的目的。此外，當(dāng)采用矢量控制方式的變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，還可以直接控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)短。 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 當(dāng)定子電壓 sU 和電源角頻率 1? 恒定時(shí)，可以改寫成如下形式： 239。39。 1213?? ，轉(zhuǎn)矩近似與 s 成正比，機(jī)械特性 )(sfTe? 是一段直線，見圖 。rR ，則sLLRs RUnT lrlss rspe 1])([3 239。121???????????? ??? ， s接近于 1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與 s成反比，這時(shí)， )(sfTe ?是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。 [6] s mnn 0sT e100 T eT em axT em ax 圖 恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性 變頻器的控制方式 目前變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制方式大體可分為： V/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率 控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、智能控制等。 1) V/f恒定控制 簡(jiǎn)介 。因?yàn)槭强刂齐妷海?Voltage）與頻率 (Frequency)的比，稱為 V/f恒定控制。另外，空調(diào)等家用電器也多采 用此控制方式的變頻器。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即存在轉(zhuǎn)差。 保持 V/f恒定控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速最基本的控制方式，它在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。 電動(dòng)機(jī)端電壓和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系式為 ： Ul＝ E1+(r1+jx1)I1， (32) 在電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動(dòng)機(jī)的端電壓和電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似相等。例如當(dāng)電動(dòng)機(jī)的頻率降低時(shí)，若繼續(xù)保持電動(dòng)機(jī)的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E不變，那么，電動(dòng)機(jī)的磁通 Ф m將增大。磁通出現(xiàn)飽和后將會(huì)造成電動(dòng)機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗。因此，在改變電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓或電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行控制，以維持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定。 2） 矢量控制簡(jiǎn)介 。 直流電動(dòng)機(jī)具有兩套繞組，勵(lì)磁繞組和電樞繞組。 ；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電。當(dāng)進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，可以很方便地構(gòu)成速度、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。 矢量控制技術(shù)經(jīng)過 20多年的發(fā)展，在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。如果能對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù) (主要是轉(zhuǎn)子電阻 R2)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)，則可隨時(shí)修改系統(tǒng)參 14 數(shù)。近年發(fā)展起來的直接轉(zhuǎn)矩控制采用滯環(huán)比較控制電壓矢量，使得磁通、 轉(zhuǎn)矩跟蹤給定值，系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，在電氣機(jī)車、交流伺服系統(tǒng)中展現(xiàn)良好的應(yīng)用前景 [8]。其總的原則是首先保證可靠地實(shí)現(xiàn)工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。 [9] 大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述 :額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)額定電流要大于普通鼠 籠異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動(dòng)機(jī)不僅 額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多數(shù)是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。 變頻器供給電動(dòng)機(jī)的是脈動(dòng)電流，電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動(dòng)機(jī)電流或功率大一個(gè)等級(jí)，一般為 : Pnv≥ (33) 式中 ： Pnv— 變頻器額定功率， kW； Pn— 電動(dòng)機(jī)額定功率， kW 單片機(jī) 單片機(jī) 簡(jiǎn)介 單片機(jī)又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī) .它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式 15 就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用 PC）的主要區(qū)別 [10]。其中最成功的是 INTEL的 8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。基于這一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還 在廣泛使用。 90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。而傳統(tǒng)的 8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80年代提高了數(shù)百倍。當(dāng) 代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。 單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó) 50年代開發(fā)的 74系列，或者 60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大 PCB板 ， 但是如果要是用美 國(guó) 70年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別 。 單片機(jī)的選擇 ，程序存儲(chǔ)器容量， I/O引腳數(shù)量 ，例如看門狗，雙指針，雙串口， RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）， EEPROM，擴(kuò)展 RAM， CAN接口， I2C接口， SPI接口， USB接口。 IP（雙列直插）， PLCC（ PLCC有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。 ，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。 ，比如設(shè)計(jì)并口加密狗，信號(hào)線取電只能提供幾個(gè) mA,。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器， 2節(jié)干電池供電，至少應(yīng)該能在 電壓范圍內(nèi)工作。其 算法 程序流程如圖 所示： 圖 PID 算法流程 PID 控制介紹 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD控制。 其控制規(guī)律為： (34) 1. 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 可得數(shù)字 PID位置型控制算式為： (35) 式 (35) 的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 u（ k），如閥的開度，所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算式。 為編程方便，可將式（ 36）改寫成如下形式 (37) 其中 19 4 系統(tǒng) 硬 件 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 硬件 設(shè)計(jì)分 為兩部分 ： 1）以單片機(jī)為核心的 硬件 部分設(shè)計(jì) 。 2）變頻器部分 的硬件 電路設(shè)計(jì)。 系統(tǒng) 硬件 結(jié)構(gòu) 如 圖 。其中氣壓供水罐根據(jù)情況選配，不一定必須配置，其作用是增加系統(tǒng)阻尼。 系統(tǒng)工作 過程說明 20 1） 兩個(gè)泵 的 供水 方式 結(jié)合圖 ，這個(gè)恒壓供水系統(tǒng)由兩個(gè)泵，其中一臺(tái)泵 (M1)工作在工頻 ， 在系統(tǒng)處于 低 用水量時(shí)， 由它供水。當(dāng)用水量上升，水壓下降超過設(shè)定 ，這時(shí)變頻器工作 ，動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)水壓。 在低用水量區(qū)水壓在容許范圍了波動(dòng)，只有當(dāng)水壓低于一定程度，變頻器才工作 。這樣變頻器就不需要在低頻率下長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)本系統(tǒng)采用 V/F 控制不能在過低頻率下運(yùn)行的問題也得到解 決。這時(shí) 如圖 ，繼電器 KM1 吸合， KM2 與KM3 斷開，直到電機(jī) M1 啟動(dòng)結(jié)束。電機(jī) M1 起動(dòng)結(jié)束后，變頻器停止輸出同時(shí) KM1 斷開， KM3 吸合，再經(jīng)過一個(gè)軟件延時(shí)后 KM2 吸合。 當(dāng)壓力偏差超過設(shè)定時(shí)變頻器工作輸出電機(jī) M2 運(yùn)行。故通過 單片機(jī)對(duì)變頻器的頻率輸 出（ u(k)）與壓力偏差 e(k)，來判斷用戶用水量。 21 變頻器部分 硬件設(shè)計(jì) 主電路 圖 變頻器部分電路接線圖 如圖 。在這種情況下 M2可以停機(jī)休息。 M2采用變頻器 V/F恒壓頻比控制，根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)的調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。 此時(shí)為一開環(huán)控制的方式。 B部分為自動(dòng)運(yùn)行情況下的控制圖。自動(dòng)運(yùn)行過程如下：首先單片機(jī)發(fā)出指令讓 KM11閉合，這時(shí) KM1工作，電機(jī) M1與變頻器接通，變頻器起軟啟動(dòng)器的作用。 之后單片機(jī)根據(jù)需要控制 KM22使之投入運(yùn) 行，根據(jù)負(fù)載的不同，通過 V/F控制改變 M2轉(zhuǎn)速。 其總體硬件圖見附錄 1。系統(tǒng)首先通過變壓器將 220V的交流電降壓為 9V交流，再通過整流橋變?yōu)橹绷鳌?LM7805為穩(wěn)壓模塊。 2） 單片機(jī)的 晶振 電路 圖 晶振電路 如圖 ，該電路 為單片機(jī) 提供穩(wěn)定的 12MHz的外部時(shí)鐘頻率。 24 3） 單片機(jī)繼電器電路 圖 單片機(jī)控制的繼電器電路 系統(tǒng) 有兩套 這樣的繼電器電路與單片機(jī)相連，該繼電器的作用相當(dāng)于輔助繼電器。 4） 單片機(jī)的外部通信電路 圖 通信模塊 單片機(jī)與變頻器的通信，單片機(jī)通過 MAX232芯片進(jìn)行串行通信。 5） A/D轉(zhuǎn)換采樣電路 25 圖 A/D轉(zhuǎn)換模塊 A/D轉(zhuǎn)換電路以 ADC0809為核心，將采集的壓力傳感器的信號(hào)（ 4~20mA信號(hào)），加以電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成 0~5V的電壓信號(hào)。模擬信號(hào)通道地址 A、 B、 C由 74LS373（三態(tài)輸出鎖存器）的 Q0、 Q Q2提供。 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后 EOC為高電頻，作為中斷，單片機(jī)調(diào)用中斷程序，讀采樣數(shù)據(jù)。 2）看門狗電路 圖 看門狗電路 X25045芯片包含一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間 ?？撮T狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間通過 X25045的狀態(tài)寄存器相應(yīng)的位來設(shè)定： WD1=0， WD0=0 ，預(yù)置時(shí)間為 WD1=0， WD0=1 ，預(yù)置時(shí)間為 27 WD1=0， WD0=0 ，預(yù)置時(shí)間為 WD1=0， WD0=0 ，禁止看門狗工作 看門狗的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循環(huán)周期的時(shí)間略長(zhǎng)。當(dāng)系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等方法無法捕捉回程序時(shí)，則看門狗定時(shí)到，迫使系統(tǒng)復(fù)位。 繼電器動(dòng)作控制流程 29 N Y 開 始 讀 取 標(biāo) 志 位 ， 判 斷 M 1是 否 停 止 狀 態(tài) ？ 從 I / O 口 輸 出 控 制 信 號(hào) ，使 繼 電 器 K M 1 1 閉 合 K M 1 1 標(biāo) 志 位 置 位 ； 并