引言

變頻調(diào)速作為交流電機調(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、動態(tài)響應(yīng)快、適用范圍廣、運行可靠等技術(shù)性能，已逐步取代直流電機調(diào)速系統(tǒng)。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(shù);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(xiàn)場手動調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)定，后二種方式多用于自動調(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，可以方便的實現(xiàn)變頻器的閉環(huán)自動控制，在大中型的控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)作為控制核心，而以PLC加操作面板的形式，雖能實現(xiàn)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(yōu)點是控制功能全面，通過相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路適合變頻器的通訊口形式(RS484/RS232/CAN等)，就可與變頻器進行通訊，硬件簡單，二者間的連線數(shù)量少連接方便。缺點是需要了解掌握變頻器的通訊協(xié)議才能進行控制編程，軟件設(shè)計復(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，目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能針對一種變頻器進行開發(fā)，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(xiàn)調(diào)速的主要功能，能滿足多數(shù)場合的使用要求，具有普遍性。

最常用的模擬量輸入調(diào)速方法是通過電位器來調(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。采用機械式電位器雖簡單易行，但易磨損，長期使用不夠穩(wěn)定，同時還有一個最大的缺陷是只適合手動調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。筆者采用數(shù)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(diào)速，還能根據(jù)控制要求實現(xiàn)PID閉環(huán)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(shù)字電位器

筆者采用美國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。滑動單元在陣列中的位置由用戶通過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(shù)寄存器和四個8位數(shù)據(jù)寄存器聯(lián)系在一起，這四個數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶直接寫入和讀出，滑動端計數(shù)寄存器的內(nèi)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(jié)的E2PROM存儲器，寫入次數(shù)105次，數(shù)據(jù)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(jù)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(diào)壓控溫的電加熱器，同樣可以采用數(shù)字電位器的方法進行調(diào)控，這樣使用一片X9221就可實現(xiàn)對二個對象的控制，對二者可以分別進行調(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，方便簡捷，一舉兩得。

單片機與數(shù)字電位器接口

X9221支持I2C二線制串行總線規(guī)約，與單片機的接口只需要2根I/O線。單片機作為主機可按照規(guī)約規(guī)定的時序啟動數(shù)據(jù)的傳輸，并為發(fā)送和接收操作提供時鐘，X9221作為從機響應(yīng)主機的操作，從總線上接收數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)送至總線上，從而實現(xiàn)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(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控制變頻器啟停的干接點，由單片機P3.2口經(jīng)驅(qū)動控制繼電器實現(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，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(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，在工作過程中必然會產(chǎn)生許多高次諧波，對單片機系統(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;同時在X9221的輸出端增加濾波電容，減少高頻信號的引入。

軟件設(shè)計

X9221包括二個滑動端計數(shù)寄存器(WCR)，每個E2POT電位器各對應(yīng)一個。WCR可以被認(rèn)為是一個6位并行和串行裝載的帶有輸出譯碼的計數(shù)器，用來選擇沿著電阻陣列的六十四選一的開關(guān)。WCR的內(nèi)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(shù)據(jù)寄存器之一的內(nèi)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(shù)據(jù)寄存器0(R0)的內(nèi)容。

送給X9221所有的命令都由開始條件為引導(dǎo)，這個條件就是當(dāng)SCL為高時，SDA由高至低的跳變。X9221連續(xù)監(jiān)視SCL和SDA線上的開始條件，在遇到這個條件前將不響應(yīng)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(tài)來定義。在本設(shè)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(yīng)答響應(yīng)，以表示數(shù)據(jù)接收成功。接著單片機可以送出一個字節(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?yōu)橐粋€終止條件來結(jié)束。終止條件一旦發(fā)出，則X9221開始內(nèi)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(nèi)訪問，則沒有應(yīng)答返回，此時可以采用輪詢的方式等待應(yīng)答信息。詳細(xì)的時序及指令說明請參閱器件手冊。

結(jié)語

采用數(shù)字電位器控制變頻器調(diào)速，可適用于各種規(guī)格型號的變頻器，硬件組成簡單，不需要價格較高外圍電路復(fù)雜的D/A芯片，在單片機的控制下可進行閉環(huán)回路的自動跟蹤調(diào)節(jié)，性價比高，易于實現(xiàn)。筆者所設(shè)計的電路實際應(yīng)用于微型噴霧干燥實驗機的電腦控制器中，已小批量生產(chǎn)。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(yī)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(jù)物料的特性選擇不同的干燥風(fēng)量和加熱溫度，該功能的實現(xiàn)就是通過51 單片機控制一片數(shù)字電位器X9221，分別調(diào)節(jié)風(fēng)機變頻器和加熱器可控硅調(diào)壓模塊控制風(fēng)機轉(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，實現(xiàn)了風(fēng)量和加熱溫度的自動調(diào)節(jié)，取得了滿意的結(jié)果。因此，使用單片機系統(tǒng)控制變頻器調(diào)速時，采用數(shù)字電位器作為輸出調(diào)節(jié)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。