第１８卷 第４期 电子设计工程 ２０１０年４月 Ｖ０ｌ＿１８ Ｎｏ．４ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｒ．２０１０ 基于ＥＶ３０００的变频调速监控系统设计 柳春青，张艳兵，马铁华 （中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原０３００５Ｉ） 摘要：为了实现对电机的可靠控制，并使其操作简单，易于控制，运行状态易于观察，提高设备自动化程度，设计出一 种基于ＥＶ３０００变频器，灵活实用的变频电机调速监控系统。该系统采用艾默生公司生产的ＥＶ３０００变频器，通过对 电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了对转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调 速运行和转矩控制。同时通过上位机编程软件设计出功能强大的可视化控制界面，实时显示电机运行状态、变频器参 数设置。通过现场试验，结果证明该系统达到了安全稳定简单灵活地控制电机的设计目标。 关键词：调速；监控系统；电机；变频器；通信协议 中图分类号：ＴＰ２７７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１０）０４—０１４２—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＶ３０００ ＬＩＵ Ｃｈｕｎ—ｑｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ—ｂｉｎｇ，ＭＡ Ｔｉｅ—ｈｕａ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔａｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｎｏａｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｍａｋｅ ｉｔ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｅａｓｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅａｓｙ ｔｏ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｒｕｎ ｓｔａｔｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＶ３０００ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｔｈｅ Ｅｍｅｒｓｏｎ ＥＶ３０００ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｌｆｕｘ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｃｕｒｒｅｎｔ，ａｃｈｉｅｖｅｄ ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ，ｉｔ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｒｕｎ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｖｉｓｕａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ，ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｎ—ｓｉｔｅｔｅｓｔ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｂｌｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓａｆｅ，ｓｔａｂｌｅ，ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｇｏａｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｅｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ；ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｍｏｔｏｒ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ 随着计算机技术，电力电子技术和控制技术的飞速发 为了使计算机与变频器之间能够通信，应在两者之间安装一 展，变频器在工业中具有提高Ｔ艺质量和生产效率的重要作 个转换接口．这样计算机通过ＲＳ２３２／ＲＳ４８５转换接口连接到 用。ＥＶ３０００变频器是艾默生公司生产的高品质、多功能、低 ＥＶ３０００变频器，通过变频器驱动控制变频电机，变频电机驱 噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电 动转台旋转。编码器把电机转动 流的解耦控制，实现转矩的快速响应和准确控制，能以高控 信息反馈至变频器．从而实现上 制精度进行宽范围的调速运行。变频调速电动机与变频器构 位机发送通信命令控制变频器， 成的调速系统与其他调速方式相比．最主要的特点是具有高 变频器响应命令驱动电机使转台 效率的驱动性能，良好的控制特性。节能效果明显、调速性能 动作，编码器把反馈信息回传给 好、调速比宽、快速响应性优良、应用范围广、性价比高等优 变频器．完成控制流程。监控系统 点［”，是目前交流调速方案中最先进的系统之一。 的硬件结构如图１所示。 本文从计算机对变频器进行监测和控制的角度．以目前 根据实际工作环境．该系统 应用较多的艾默生变频器为控制对象，介绍变频器的计算机 中上位ＰＣ机选择研华工控机，采 监控系统的硬件构成、软件设计、以及通讯原理和通讯命令。 用ＥＶ３０００变频器作为监控系统 该系统已在实际项目中经现场测试验证。 核心控制器件，使用变频器可加 １监控系统硬件结构 强系统的保护功能．实现过压、过 流、欠压、断路及短路等保护功 图１系统硬件结构框图 监控系统硬件总体结构设计中．上位机作为主控单元， 能；实现了无级调速，调速范围 收稿日期：２００９—０９—２５ 稿件编号：２００９０９０８７ 作者简介：柳春青（１９８４一），男，山东文登人。硕士。研究方向：电子测试技术。 ——１４２－ 足 柳春青．等基于ＥＶ３０００的变频调速监控系统设计 。 字 宽，特性曲线好，控制精度高，节能效果好［２１；变频电机采用嘉 兴巨能电机厂生产的ＹＶＰ系列变频调速三相异步电动机， 该电动机调速范同宽、振动小、噪声低、能与各种ＳＰＷＭ变频 装置相配套．构成交流变频无级调速系统。 ２监控系统通信方式 为了实现ＰＣ机与变频器之间的通讯，首先要了解它们 之间的通信协议。计算机与变频器之间采用十六进制数，数 据在计算机与变频器之间自动使用ＡＳＣＩＩ码传输。ＰＣ机后 台为主机．变频器为从机。采用主机“轮询”，从机“应答”的 通信方式 数据帧结构１３１为：帧头、用户数据、帧尾。帧头：包括起始 字节、从机地址；帧尾：校验数据（异或校验）；用户数据：包括 参数数据和过程数据；参数数据：包括功能码操作命令／响应、 功能码号、功能码设定，｜实际值，在短帧中没有参数数据；过程 数据：包括主机控制命令／从机状态响应、主机运行主设定／从 机运行实际值。 ＥＶ３０００可以通过长短帧进行通信。短帧用于传送 自动控制系统所需的控制字和状态字；长帧既包括控制字和 状态字又含有涉及操作控制、观测、维护以及诊断等的内容 （所具有的内容受变频器自身功能的）。本文以长帧为例 进行说明。从计算机（控制器）到变频器的通信发送帧格式如 图２所示。从变频器到计算机（控制器）的通信接收帧格式如 图３所示 图图！ｌ！ ｌ囡图 ！Ｉ 字菅定义 发送顺序 ｔ卑≮１ 图圉困圈圈圈囡圈圜囡图 掌芳莓 苎ｌ丝丝ｌ鱼 兰Ｉ 兰墼 ｌ丝型垦ｌ塾塑坠 ｌ丝 图３接收帧格式 ＥＶ３０００的参数定标说明如下： １）频率的定标为１：１００。欲使变频器以５０ Ｈｚ运转，则主 设定应为１３８８Ｈ（５ ０００）。 ２）时间的定标为】：１０。欲使变频器加速时间为３０ ｓ，则 功能码设定应为０１２Ｃｔｔ（３００）。 ３）电流的定标为１：１０。若变频器反馈电流为０１２ＣＨ，则 该变频器当前电流为３Ｏ Ａ。 ３监控系统软件设计 软件设计基于Ｗｉｎｄｏｗｓ平台的可视化集成开发工具 豫 Ｊｆ Ｄｅｌｐｈｉ软件．利用Ｄｅｔｐｈｉ的第三方提供的Ｓｐｃｏｍｍ控件，可简 单便捷地实现应用程序的串行通信［４１。Ｓｐｃｏｍｍ主要属性方法 包括：１）ＣｏｍｍＮａｍｅ：设置串口；２）ＢａｕｄＲａｔｅ：设置波特率；３） Ｐａｒｉｔｙ：奇偶校验位；４）ＢｙｔｅＳｉｚｅ：设定的字节长度；５）ＳｔｏｐＢｉｔｓ： 停止位；６）Ｓｔａｒｔｅｏｍｍ方法，用于打开串口；７）ＳｔｏｐＣｏｍｍ方法 用于关闭串口：８）ＷｒｉｔｅＣｏｍｍＤａｔａ方法用于将一个字符串发 送到写进程。监控界面如图４所示。圈 一圈 上圜 图４监控界丽 监控程序界面主要用于用户和变频调速系统之间交 互［５１。通过此界面，用户一方面可以方便地控制电机动作，另 一方面．也可实时监控变频调速器的一些比较重要的参数， 如电流、频率、电机的转矩及转速等，观察其运行状况是否正 常。在计算机通信前必须对串Ｅｌ进行初始化，而且参数要与 变频器参数相同。否则不能通信。变频器通信程序流程 如图 ５所示 图５变频器通信程序流程 在实际应用中，通过计算机控制软件设定相应频率使转 台在匹配的加速度下运行。表１中列出变频器频率／，转台法 向加速度Ｇ，转台角速度 ，转台转速Ⅳ之间的对应关系。 表１＿，。Ｇ。∞，Ｎ的关系 一ｌ４３一 《电子设计工程）２０１０年第４期 图６是变频电机驱动转 参考文献： 台按表１中３种频率变换动 作。逐级递升使转台法向加 速度在４０，６０，８０ ｇ下转动。 通过分析实验数据可知．上 一［１】张志义，孙蓓．机电传动控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００９． 【２】严干责，姜齐荣，谢小荣．中高压变频装置的状态自适应运 翟Ｗ《 ｇ 行监控系统［Ｊ】．清华大学学报：自然科学版，２００３，４３（３）： ３４】一３４４． 位机监控软件能够稳定、准 确的控制变频电机动作．完 成操作流程。 陶６转台加速度变化曲线 ［３］艾默生网络能源有限公司．ＥＶ３０００高性能矢量控制变频 器用户手４￣－［ＤＢ／ＯＬ］．（２００８—０５—１４）．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｍｅｒｓｏｎｎｅｔ— ｗｏｒｋｐｏｗｅｒ．ｃｏｎ．ｅｎ／ｃｎ／ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／１ ２２３４３０７９８８００．ｐｄｆ ４结束语 【４］郑阿奇．Ｄｅｌｐｈｉ实用教程【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００４． 实验证明基于艾默生ＥＶ３０００变频调速监控系统成功实 【５］李宇峰，陈祥光，李燕民．变频调速器监控系统的设计［Ｊ］．微 现了对电机的正常驱动和运行状态监控．简化了控制逻辑系 计算机信息，２００６，２２（６—１）：１５５—１５７． 统，操作简单方便。通过上位机对电机的实时监控，大大提高 ［６］樊晓虹．风机变频监控系统的设计与实现［Ｊ１．煤矿机械， 了电机的运转稳定性．从而实现电机的稳定安全运行。 ２００７．２８（９）：９０～９１． ＊ ＊ ＊ Ｒ ＊ ｝ ： ２５ Ｖ ＯｐｔｉＭＯＳ调压ＭＯＳＦＥＴ和ＤｒＭＯＳ系列 英飞凌科技股份公司宣布，公司将在２０１０年应用电力电子会议和产品展示会上，推出ＯｐｔｉＭＯＳ ２５ Ｖ器件系列，壮大 ＯｐｔｉＭＯＳ功率ＭＯＳＦＥＴ产品阵容。该系列器件经过优化，适合应用于计算机服务器电源的电压调节电路和电信／数据通信的开 关。这种全新的ＭＯＳＦＥＴ还被集成进满足英特尔ＤｒＭＯＳ规范的ＴＤＡ２１２２０ ＤｒＭ０Ｓ。 通过大幅降低三个关键的能效优值（ＦＯＭ），这种全新的器件无论在任何负载条件下，都可使ＭＯＳＦＥＴ功耗降低２０％，同 时达到更高的性能。此外 更高的功率密度还能让典型电源的降压转换器的占板空间缩小４Ｏ％以上 例如，在一个六相稳压器设计中，采用一个５ Ｖ栅极驱动的全新２５ Ｖ ＯｐｔｉＭＯＳ器件，在输出电流为３０ Ａ至１８０ Ａ条件 下，能效可超过９０％，最高可达９３％。这主要归功于该器件具备行业最低的导通电阻、最低的栅极电荷以及最低的输出电容等 特性。英飞凌声称，它是全球第一家能够提供同时具备这样三种特性的器件的功率ＭＯＳＦＥＴ供应商。 据几家市场研究公司的预测，２０１１年服务器保有量将达到６ ０００万台。这些服务器的平均功耗为６００ Ｗ．总耗电量高达 ３６ ０００ ＭＷ。这些服务器的用电量每减少１％．即可节省３６０ ＭＷ的电能，相当于一座水电站的装机容量。此外，更高效的电源 的制冷需求相应降低．从而进一步减少耗电量 电源设计人员可通过采用２５ Ｖ ＯｐｔｉＭＯＳ器件，减少产品的用电量，降低其热负载．甚至缩小其尺寸。这些改进对于数据中 心运营商而言十分有益，因为服务器运行及制冷所发生的电费，是数据中心最大的运营成本项目。最终用户同样非常重视缩小 整个系统的体积 英飞凌全新推出的２５ Ｖ ＯｐｔｉＭＯＳ分立式器件采用三种封装形式：ＳｕｐｅｒＳ０８、ＣａｎＰＡＫ和超小的￥３０８封装。￥３０８封装尺寸 仅为３．３ ｍｍｘ３．３ ｍｍ。若采用￥３０８封装，一个六相转换器的外形尺寸仅为１ １２０ ｍＩＦｌ ．比另外两种封装分别缩小４５％至５５％ 全新推出的ＤｒＭ０Ｓ器件ＴＤＡ２１２２０－一是一个多片封装，集成了两个全新的ＯｐｔｉＭＯＳ晶体管和一个驱动ＩＣ。它的能效比市场 上同类解决方案高２％至４％ 相对于采用低导通电阻沟槽技术和超低栅极电荷横向ＭＯＳＦＥＴ概念的器件，ＯｐｔｉＭＯＳ ２５ Ｖ器件在能效优值方面表现更 为出色。在导通电阻相同的情况下，全新的ＯｐｔｉＭＯＳ ２５ Ｖ器件的栅极电荷。比采用最接近的沟槽工艺制造的器件低３５％，而其 输出电荷比最佳的横向ＭＯＳＦＥＴ器件低一半 ２５ Ｖ ＯｐｔｉＭＯＳ系列和ＴＤＡ２１２２０ ＤｒＭＯＳ器件的样品已开始供货 咨询编号：２０１００４１０１５ ｔ＞●ｔ＞●０ ‘＞●（＞●ｔ＞ ●‘）●０●ｔ＞●（ ・（＞¨Ｃ●ｔ＞●ｔ＞●ｃ，●（）・ｔ＞・，：）●ｔ≯… 。ｃ・ｔ）…一）・（ ・ｔ’０ｔ ● 欢迎订阅２０１ ０年度《 电子设计工程》（月刊） 国内邮发代号：５２—１４２ 国际发行代号：Ｍ２９９６ 订价：６．００元／期７２．００元，年 一１４４—
