基于單片機(jī)恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(本科畢業(yè)論文)

1、目 錄中文摘要1中文摘要21 緒論31.1 課題研究的目的與意義31.2 國內(nèi)外發(fā)展的狀況31.3 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍51.4 恒壓供水的實(shí)現(xiàn)52 變頻調(diào)速系統(tǒng)能耗分析72.1 供水系統(tǒng)分析72.2 變頻調(diào)速恒壓供水工況與能耗機(jī)理分析83 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備選型113.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)113.2 變頻調(diào)速113.3 單片機(jī)163.4 控制算法174 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)204.1 系統(tǒng)工作過程說明204.2 變頻器部分硬件設(shè)計(jì)214.3 單片機(jī)部分硬件設(shè)計(jì)235 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)295.1 主程序流程295.2 繼電器動(dòng)作控制流程305.3 PID控制流程31結(jié)論33致謝34參考文獻(xiàn)35附錄136附錄237

2、單片機(jī)恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要：建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。根據(jù)居民用水時(shí)間集中，用水量變化較大的特點(diǎn)，因此居民原供水系統(tǒng)存在了耗能高，可靠性低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問題。提出利用壓力反饋，PID控制，配以變頻器、單片機(jī)、壓力傳感器等，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而使管網(wǎng)中的壓力始終保持在合適的范圍。從而解決因樓層太高而導(dǎo)致壓力不足及小流量時(shí)能耗大的問題。另外水泵耗電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。結(jié)合使用可編程控制器，可實(shí)現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動(dòng)，具有短路

3、保護(hù)、過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，電機(jī)的使用壽命大大延長。關(guān)鍵字：恒壓變頻供水，單片機(jī)，差壓供水，自動(dòng)控制 1 緒 論1.1 課題研究的目的與意義隨著高層建筑層數(shù)的不斷加高，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題。該設(shè)計(jì)針對上述問題，要求研制變頻調(diào)速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機(jī)為核心，以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)(PID)，使供水系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定于設(shè)定的壓力值。傳統(tǒng)的蓄水加壓辦法有：高位水箱、氣壓給水以及無水箱供水等三種方式。高位水箱給水的方式，靠水的勢能向用戶提供一定壓力的生活用水和生產(chǎn)用水。這種辦法顯然比較落后，一是投資大，二是不

4、利與維護(hù)和抗震。將增加房屋強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是將產(chǎn)生二次污染。1982年以后開始出現(xiàn)氣壓供水設(shè)備，雖比前者有所改進(jìn)，但仍有很多不足之處，如占地面積大，水罐和泵房投資高，電機(jī)頻繁啟動(dòng)，耗電量大且供水壓力不穩(wěn)。1究竟采用何種供水方式效果更好呢？根據(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電機(jī)軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)速的平方成正比。由此可見，采用交流變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)即可做到用水量和供水量的統(tǒng)一，又極大地降低了電耗。近幾年隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，上述想法已成為現(xiàn)實(shí)。1.2 國內(nèi)外發(fā)展的狀況變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早

5、期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動(dòng)多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，

6、國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水用的變頻器。它將PID調(diào)節(jié)器和P LC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。2目前國

7、內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2k-30w)，無需外接PLC和PID可完成。最多四臺水泵的循壞切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只

8、適用于小容量，控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性( EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究遷是不夠的。采用變頻調(diào)速恒壓供水，利用反饋控制來進(jìn)行恒壓供水設(shè)計(jì)時(shí)還存在的問題有：由于供水系統(tǒng)的供水管道長、拐彎多, 難于確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型; 且該系統(tǒng)具有非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變等特點(diǎn)。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)：（1）節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%40%，能實(shí)現(xiàn)綠色省電。（2）占地面積小，投資少，效率高。（3）配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。（4）運(yùn)行

9、合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。（5）由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。（6）通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無人職守，節(jié)約了人力物力。21.3 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多

10、的方式。 (2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機(jī)功率在135kw320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器1.4 恒壓供水的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)為壓力反饋的單閉環(huán)控制。利用浩捷PTJ207壓力傳感器測量水管壓力，其輸出為數(shù)

11、字量。STC89C52單片機(jī)獲得測量值后通過算法計(jì)算出頻率值。作為變頻器（ABB ACS510）的給定，通過變頻器輸出調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)水壓，從而達(dá)到恒壓控制的目的。控制算法的設(shè)計(jì)：由于供水系統(tǒng)難于確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型且具有非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變等特點(diǎn)。3而在本科所學(xué)的方法中都要求控制對象明確才能計(jì)算控制器參數(shù)。用湊試法確定PID參數(shù)不需要知道系統(tǒng)模型。因此擬用單片機(jī)來完成人工參數(shù)試湊的過程來整定參數(shù)。目前交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)業(yè)已廣泛應(yīng)用的技能技術(shù)，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)

12、安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題4。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上的應(yīng)用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。2 變調(diào)速系統(tǒng)能耗分析2.1 供水系統(tǒng)分析水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源頻率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的

13、改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。如圖2.1所示，n為水泵特性曲線，A管路特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的服務(wù)壓力，H1為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大Qmax時(shí)，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行，水泵的特性n0和用水管特性曲線A0匯交于b點(diǎn)，此時(shí)，水泵輸出口壓力為H，末端服務(wù)壓力剛好為H0。當(dāng)用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。圖2.1 節(jié)能分析曲線圖(1)水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門來控制；此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵的工況點(diǎn)由b點(diǎn)上滑到c點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由b點(diǎn)滑到d點(diǎn)，這

14、樣c點(diǎn)和d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。(2)水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由Qmax下降時(shí)，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點(diǎn)是在H上平移。在水量到達(dá)Q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性趨向?yàn)閚x。而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點(diǎn)e即為此時(shí)的工況點(diǎn)，這樣，在水量減少到Q1時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)不利點(diǎn)水壓升高到H0H1，則H1即為水泵的能量浪費(fèi)。(3)水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由Qmax下降到Q1時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線n1，其工況點(diǎn)為d點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)

15、式中沿著A0滑動(dòng)，管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1.根據(jù)水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3式中，Q、H、P、n分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點(diǎn)允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點(diǎn)的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性

16、等因素發(fā)生變化，最不利點(diǎn)的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠5。采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動(dòng)，降低了起動(dòng)電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。目前水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n為：n=120(1-s)/p （2.1）式中s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率（s=0.02），p為電機(jī)極對數(shù)，f為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后，p和s為定值，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時(shí)是根據(jù)這一公式來實(shí)現(xiàn)無

17、級調(diào)速的。由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力P、流量Q和功率N的關(guān)系為：N=PQ由功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。2.2 變頻調(diào)速恒壓供水工況與能耗機(jī)理分析管路水力損失分為揚(yáng)程損失和局部損失兩種hs=hy+hj （2.2）沿程損失 hy= LQ2 （2.3）式中y-管路沿程摩擦損失系數(shù)；j-局部損失系數(shù)；L-管路長度（m）；A-過水截面的面積。hs=LQ2+1gAQ2=SQ2 （2.4）式中S被稱為管路阻力系數(shù)。當(dāng)水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應(yīng)的y，j，L，A等參數(shù)都能去頂，S也就確定了。由式（2.4）可知管路水力損失與流量的平方成正比。當(dāng)上下水位確定后，管

18、路所需要的水損失就等于上下水位差（即實(shí)際揚(yáng)程H）加上管路損失Hx=Hsj+Hs （2.5）由式（2.5）可以得到如圖所示的Hs-Q管路性能曲線圖2.2 水泵工作點(diǎn)的確定水泵運(yùn)行工況點(diǎn)A是水泵性能曲線n1和管道性能曲線R1的交點(diǎn)。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時(shí)關(guān)小閥門，管路性能曲線有R1變?yōu)镽2.運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從A點(diǎn)移到D點(diǎn)，揚(yáng)程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時(shí)，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從A點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到H1，流量從Q

19、0減少到Q1.在圖2-5中水泵運(yùn)行在B點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運(yùn)行在C點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比，從圖2.3上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯5。圖2.3 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖求出運(yùn)行在B點(diǎn)的泵的軸功率 PB=kQBHB運(yùn)行在C點(diǎn)泵的軸功率 PC=kQCHC兩者之差： pj=j2gA2Q2也就是說，采用閥門控制流量時(shí)有V的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗閥門的關(guān)小而增加。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

20、相比，節(jié)能效果顯著?？疾焖玫男是€，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。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)。在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在50%100%范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備選型3.1 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、測量與轉(zhuǎn)換、顯示及用戶設(shè)定等

21、幾個(gè)主要部分組成。如圖3.1所示。圖3.1 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，通過對出水口壓力采樣反饋與壓力給定值做比較，計(jì)算出e（k）。通過控制算法輸出給定給變頻器來驅(qū)動(dòng)泵來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到恒壓控制的目的。系統(tǒng)控制原理如圖3.2所示。圖3.2 系統(tǒng)控制原理圖3.2 變頻調(diào)速3.2.1 變頻器簡介直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)先后誕生于19世紀(jì)，距今已有100多年的歷史，并已成為動(dòng)力機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)裝置。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長一段時(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)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

22、用的是直流電動(dòng)機(jī)。但是，由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn)：（1）需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命較短；（2）由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動(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)。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的交流拖動(dòng)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，尤其是對于在工業(yè)中大量使

23、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。對電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍和精度要求不高，通常采用在價(jià)格方面比較經(jīng)濟(jì)的通用型變頻器。由于變頻器可以看作是一個(gè)頻率可調(diào)的交流電源，對于現(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，而無需對電動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)本身進(jìn)行大的設(shè)備改造。在采用了變頻器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)的。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

24、較寬，并可以達(dá)到提高運(yùn)行效率的目的。一般來說，通用型變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1:10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1:1000。此外，當(dāng)采用矢量控制方式的變頻器對異步電動(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。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動(dòng)機(jī)的組合在控制性能方面可以達(dá)到和超過高精度直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能。3.2.2 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)定子電壓和電源角頻率恒定時(shí)，可以改寫成如下形式：當(dāng)s很小時(shí)，忽略分母中含s各項(xiàng)，則，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性是一段直線，見圖3.1。當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略分母中的，則，s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)，是對稱于原

25、點(diǎn)的一段雙曲線。當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖3.3所示。6圖3.3 恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性3.2.3 變頻器的控制方式目前變頻器對電動(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。前四種已獲得成功應(yīng)用，并有商品化產(chǎn)品，本章只討論前2種控制方式。1) V/f恒定控制簡介。V/f控制是在改變電動(dòng)機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)電源的電壓,使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷海╒oltage）與頻率 (Frequency)的比，

26、稱為V/f恒定控制。此種控制方式比較簡單，多用于節(jié)能型變頻器，如風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)及生產(chǎn)流水線的工作臺傳動(dòng)等。另外，空調(diào)等家用電器也多采用此控制方式的變頻器?？刂圃砣缦拢寒惒诫妱?dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由電源頻率和電動(dòng)機(jī)極數(shù)決定，在改變頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨著改變。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。轉(zhuǎn)差的大小和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載大小有關(guān)。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)定子的感應(yīng)電動(dòng)勢：E14.44Kw1m f 1 N1 (3

27、-1)式中 Kwl電動(dòng)機(jī)繞組系數(shù)； f1 電源頻率； N1 電動(dòng)機(jī)繞組匝數(shù)； m每極磁通。電動(dòng)機(jī)端電壓和感應(yīng)電動(dòng)勢的關(guān)系式為： UlE1+(r1+jx1)I1， (3-2)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)勢近似相等。由式(2-1)可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源頻率變化時(shí)，若電動(dòng)機(jī)電壓不隨著變化，那么電動(dòng)機(jī)的磁通將會(huì)出現(xiàn)飽和或欠勵(lì)磁。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E不變，那么，電動(dòng)機(jī)的磁通m將增大。由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)電動(dòng)機(jī)的磁通常處于接近飽和值，磁通的進(jìn)一步增大將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)飽和。磁通出現(xiàn)飽和后

28、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。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁時(shí)，將會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，在改變電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)應(yīng)對電動(dòng)機(jī)的電壓或電動(dòng)勢進(jìn)行控制，以維持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定。7在變頻控制時(shí)，保持E / f恒定，可以維持磁通恒定。2） 矢量控制簡介。矢量控制是一種高性能異步電動(dòng)機(jī)控制方式，它基于電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，分別控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流，具有直流電動(dòng)機(jī)相類似的控制性能。直流電動(dòng)機(jī)具有兩套繞組，勵(lì)磁繞組和電樞繞組。兩套繞組在機(jī)械上是獨(dú)立的，在空間上互差90°；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電。在勵(lì)磁電流恒定時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和

29、電樞電流成正比，控制直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因而直流電動(dòng)機(jī)具有良好的控制性能。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。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程式，它具有和直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)能得到和直流電動(dòng)機(jī)相類似的控制性能，這就是矢量控制7。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。但是，矢量控制技術(shù)需要對電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行正確估算，如何提高參數(shù)的準(zhǔn)確性是一直研究的課題。如果能對電動(dòng)機(jī)參數(shù)(主要是轉(zhuǎn)子電阻R2)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識，則可隨時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)。另外一種思路是設(shè)計(jì)

30、新的控制方法，降低性能參數(shù)的敏感性。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。3.2.4 變頻器的選擇通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個(gè)方面。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。根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器(也稱無跳閘變頻器)和矢量控制高性 能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。對于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩(TLn2)，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通常可選

31、擇普通功能型的變頻器。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。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出 電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。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。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流 是選擇變頻器的基本原則。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)

32、，且輥道傳動(dòng)大多數(shù)是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保持在無故障 狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。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，一般為:Pnv1.1Pn (3-3)式中： Pnv變頻器額定功率，kW；Pn電動(dòng)機(jī)額定功率，kW3.3 單片機(jī)3.3.1 單片機(jī)簡介單片機(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。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī).它是一

33、種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場控制，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。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e(cuò)獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。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。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)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。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并

34、且進(jìn)入主流市場。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。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。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。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的

35、。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國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70年代成功投放市場的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別。只因?yàn)閱纹瑱C(jī)通過編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。3.3.2單片機(jī)的選擇1.單片機(jī)的基本參數(shù)例如速度，程序存儲(chǔ)器容量，I/O引腳數(shù)量2.單片機(jī)的增強(qiáng)功能，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。3. Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。4.封裝IP（雙列直插），PLCC（P

36、LCC有對應(yīng)插座）還是貼片。DIP封裝在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可能方便一點(diǎn)。5.工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機(jī)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級。6.功耗，比如設(shè)計(jì)并口加密狗，信號線取電只能提供幾個(gè)mA,。7.工作電壓范圍。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1.8-3.6V電壓范圍內(nèi)工作。103.4 控制算法該系統(tǒng)采用PID控制方法，將PID算法編入單片機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。其算法程序流程如圖3.4所示：圖3.4 PID算法流程3.4.1 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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單

37、、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(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)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 其控制規(guī)律為： ut=KPet+1TI0tetdt+TDdetdt (3-4)1. 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸

38、出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 2. 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(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)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以

39、使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3. 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 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)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。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。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至

40、為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，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。3.4.2 數(shù)字PID控制算法實(shí)現(xiàn)1. 數(shù)字PID位置型控制算法：把式(3-4)變換為差分方程，為此可作如下近似0tetdti=0kTeidetdtek-ek-1T式中：T為采樣周期，k為采樣序號?？傻脭?shù)字PID位置型控制算式為： uk=KPek+TTIi=0kei+TDek-ek-1T (3-5) 式(3-5) 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。112. 數(shù)字PID增量型算法由式(3-5)可看出，位置型控制算式不

41、夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴（i），不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，對此可將式(3-5)進(jìn)行如下改進(jìn)： uk=uk-uk-1 =Kpek-e(k-1)+KIek+KDek-2ek-1+ek-2 (3-6)其中 KP=1 稱為比例增益； KI=KPTTI 稱為積分系數(shù)； KD=KPTDT 稱為微分系數(shù)。為編程方便，可將式（3-6）改寫成如下形式 uk=q0ek+q1ek-1+q2ek-2 (3-7) 其中 q0=KP1+TTI+TDTq1=KP1+2TDTq2=KPTDT 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)。主要包括：A/D轉(zhuǎn)換采樣及PID控

42、制，用戶按鍵輸入及顯示屏顯示，單片機(jī)與變頻器通信。2）變頻器部分的硬件電路設(shè)計(jì)。主要包括：主電路和控制電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。 圖4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖圖4.2 實(shí)際供水系統(tǒng)示意圖實(shí)際供水系統(tǒng)如圖4.2電機(jī)M1工作工頻直接接入電網(wǎng)，M2作變頻調(diào)速電機(jī)。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。除了氣壓供水罐外，其它設(shè)備是必需的。4.1 系統(tǒng)工作過程說明1）兩個(gè)泵的供水方式結(jié)合圖4.3，這個(gè)恒壓供水系統(tǒng)由兩個(gè)泵，其中一臺泵(M1)工作在工頻，在系統(tǒng)處于低用水量時(shí)，由它供水。這時(shí)變頻器不工作，電機(jī)M2不工作。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)

43、的調(diào)節(jié)水壓。當(dāng)用水量回到低用水量帶時(shí)，變頻器又停止工作，只由泵M1供水。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。依靠水壓在容許范圍，必要時(shí)配合氣壓罐來增大系統(tǒng)阻尼。這樣變頻器就不需要在低頻率下長期運(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。圖4.3 泵啟停與用水量關(guān)系圖2）系統(tǒng)的啟動(dòng)與運(yùn)行系統(tǒng)啟動(dòng)將首先將電機(jī)M1投入運(yùn)行。這時(shí)如圖4.4，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的起動(dòng)過程，變頻器相當(dāng)于軟啟動(dòng)器的作用。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。這

44、時(shí)電機(jī)M1直接接入電網(wǎng)，電機(jī)M2直接接到變頻器。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。變頻器停止工作取決于是否在低用水量區(qū)，但用戶需要的用水量難以測量。故通過單片機(jī)對變頻器的頻率輸出（u(k)）與壓力偏差e(k)，來判斷用戶用水量。顯然在u(k), e(k)都小于設(shè)定值的情況下，用戶需要的用水量必然在低用水量區(qū)，這時(shí)讓單片機(jī)控制變頻器停止工作。4.2 變頻器部分硬件設(shè)計(jì)4.2.1主電路圖4.4 變頻器部分電路接線圖如圖4.4。電機(jī)M1的作用是在供水系統(tǒng)用水量最小的情況時(shí)，維持管道水壓。在這種情況下M2可以停機(jī)休息。當(dāng)負(fù)載增加，水壓減少到一值時(shí)再將M2投入運(yùn)行。M2采用變頻器V/F恒壓

45、頻比控制，根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)的調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.2.2控制電路圖4.5 控制電路梯形圖如圖4.5，圖中A部分為當(dāng)失控時(shí)，通過變頻器設(shè)置且斷開QF2、閉合QF3，QF4設(shè)置為手動(dòng)控制。此時(shí)為一開環(huán)控制的方式。可以通過按鍵控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過電位器來控制變頻器的輸出頻率，來控制系統(tǒng)水壓。B部分為自動(dòng)運(yùn)行情況下的控制圖。其中KM11，KM22為單片機(jī)控制的接觸器的觸點(diǎn)。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。當(dāng)時(shí)間繼電器延時(shí)到， M1啟動(dòng)到工頻，M1與變頻器斷開直接接到電網(wǎng)運(yùn)行。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

46、不同，通過V/F控制改變M2轉(zhuǎn)速。4.3 單片機(jī)部分硬件設(shè)計(jì)4.3.1 主要部分電路圖4.6 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4.6圖中包括了以單片機(jī)為核心的五個(gè)部分。其總體硬件圖見附錄1。1） 系統(tǒng)供電電路圖4.7 電源模塊如圖4.7，系統(tǒng)供電將220V的市電轉(zhuǎn)換成5V直流電。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?。電容C1、C2起濾波作用。LM7805為穩(wěn)壓模塊。將電壓穩(wěn)定在5V。2） 單片機(jī)的晶振電路圖4.8 晶振電路如圖4.8，該電路為單片機(jī)提供穩(wěn)定的12MHz的外部時(shí)鐘頻率。其中以一塊12MHz的晶震為核心。3） 單片機(jī)繼電器電路圖4.9 單片機(jī)控制的繼電器電路

47、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。通過它來控制圖4.5中的KM11和KM22的打開或吸合，進(jìn)而控制主繼電器KM1和KM2來控制電機(jī)的接入或斷開。4） 單片機(jī)的外部通信電路圖4.10 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。在變頻器端，再通過一個(gè)RS232轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換卡，將信號轉(zhuǎn)換成變頻器能識別的信號來完成通信過程。5） A/D轉(zhuǎn)換采樣電路圖4.11 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（420mA信號），加以電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成05V的電壓信號。通過ADC0809的模擬量輸入口（IN-0

48、IN-7）進(jìn)行AD采樣。模擬信號通道地址A、B、C由74LS373（三態(tài)輸出鎖存器）的Q0、Q1、Q2提供。時(shí)鐘通過單片機(jī)ALE用74LS74（D觸發(fā)器）進(jìn)行二分頻得到。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)。4.3.2 其它部分電路1）顯示電路圖4.12 顯示模塊顯示部分采用循環(huán)掃描的方式，P0口傳輸顯示的內(nèi)容，P2.0至P2.3的作用是選擇對應(yīng)的LED工作。2）看門狗電路圖4.13 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。時(shí)間到后由RESET輸出一個(gè)高電平信號?？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)

49、定：WD1=0，WD0=0 ，預(yù)置時(shí)間為1.4sWD1=0，WD0=1 ，預(yù)置時(shí)間為0.6sWD1=0，WD0=0 ，預(yù)置時(shí)間為0.2sWD1=0，WD0=0 ，禁止看門狗工作看門狗的定時(shí)時(shí)間長短可由具體應(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。編程時(shí)在適當(dāng)?shù)奈恢眉右粭l喂狗指令即可。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。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 主程序流程圖5.1 主程序流程圖單片機(jī)上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢，初始化包括標(biāo)志位和變量的初始化、中斷初始化、設(shè)置各接口芯片初始化、各種程序模塊的初始化等；然后，程序進(jìn)入主循環(huán)；最后進(jìn)入

50、PID計(jì)算及各種控制信號的輸出部分。5.2 繼電器動(dòng)作控制流程圖5.2 繼電器控制程序流程圖判斷M1是否啟動(dòng)，M1未啟動(dòng)則系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)。這時(shí)KM11閉合控制，變頻器起到軟啟動(dòng)器的作用，帶動(dòng)電機(jī)到工頻后變頻器停止輸出，繼電器自動(dòng)將電機(jī)切換到電網(wǎng)。經(jīng)過延時(shí)之后通過e（k），判斷是否需要電機(jī)M2投入運(yùn)行若需要就KM22繼電器輸出，同時(shí)標(biāo)志位KM22_0置位，使M2電機(jī)接到變頻器。5.3 PID控制流程圖5.3 PID算法流程圖該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)采用PID控制算法。在工業(yè)中，由于對象的精確數(shù)學(xué)型難以確定，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，人們常常采用PID控制算法。這里采用的PID增量式算法。這里讀取標(biāo)志位KM2

51、2，KM220來判斷電機(jī)M2是否是從停機(jī)狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)，作用是保證控制的各種初狀態(tài)為0。因?yàn)榍耙粻顟B(tài)若為停止，則前一個(gè)輸出和e（k）都應(yīng)為零，而單片機(jī)記錄的u(k-1),e(k),e(k-1),e(k-2)是停機(jī)前一個(gè)狀態(tài)的參數(shù)，應(yīng)該要?dú)w零處理。其具體程序參見附錄2。結(jié) 論本文在分析和比較用于供水行業(yè)的控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國供水的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套一臺水泵工作于工頻，另一臺調(diào)速的控制系統(tǒng)。隨著高層建筑層數(shù)的不斷加高，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題。該設(shè)計(jì)針對上述問題，要求研制變頻調(diào)速恒壓供水控制器，該控制器是基于單片機(jī)為核心，以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動(dòng)調(diào)節(jié)

52、水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)(PID)，使供水系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定于設(shè)定的壓力值。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f，方案中采用/控制。來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的，分析水泵工況點(diǎn)激流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較土，可以看出利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)。流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力節(jié)流相比，在很大程度上減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。水泵轉(zhuǎn)速的工礦調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍以內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。致 謝畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在合肥工業(yè)大學(xué)的四

53、年的學(xué)習(xí)生活既將結(jié)束。回首既往，自己一生最寶貴的時(shí)光能于這樣的校園之中，能在眾多學(xué)富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實(shí)是榮幸之極。在這四年的時(shí)間里，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。恒壓供水是變頻調(diào)速應(yīng)用的比較成熟領(lǐng)域，老師的諄諄誘導(dǎo)、同學(xué)的出謀劃策及支持鼓勵(lì)，是我堅(jiān)持完成論文的動(dòng)力源泉。在此，我特別要感謝我的導(dǎo)師林勇老師。從論文的選題、文獻(xiàn)的采集、框架的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的布局到最終的論文定稿，從內(nèi)容到格式，從標(biāo)題到標(biāo)點(diǎn)，他都費(fèi)盡心血。沒有林勇老師的辛勤栽培、孜孜教誨，就沒有我論文的順利完成?；仡欉@段時(shí)間的學(xué)習(xí)和生活，許多的老師和

54、同學(xué)給予我各個(gè)方面的幫助和支持，讓我堅(jiān)持到了最后，在此感謝所有幫助和支持我的人。 甘 恒 二一年六月十日參考文獻(xiàn)1 杜消府小氣壓罐與變頻調(diào)速結(jié)合的節(jié)能供水系統(tǒng)J ，中國給水排水，2005年07期：77.2 韓安榮通用變頻器及其應(yīng)用M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3 宋舒, 王秋才高層建筑恒壓供水控制系統(tǒng)J，現(xiàn)代電子技術(shù)，1999年08期：23.4 孔全建筑二次供水方式及優(yōu)缺點(diǎn)探析J，科技資訊，2001年03期：76.5 李斌; 羅富強(qiáng); 陳煒;管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓)供水系統(tǒng)水泵能耗對比研究，給水排水, 2010年 03期  ：1566 顧繩谷電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)M，20077 陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M. 北京:機(jī)械工