电动机变频控制设计

1、电机变频控制系统及程序设计（LG）摘 要变频器传动已成为实现工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械和生产线中有着广泛的应用。其中，重要的技术特征是可以充分地与现代网络技术结合，发挥智能控制的优势，实现分布式网络控制系统，这是工业企业自动化的重要发展方向，并已有一些很好的范例。现在，通用变频器在各行各业中的应用，已成为改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量、改善生产环境、节约能源、推动技术进步的主要技术手段之一，也是国际上更新最快的新技术领域之一。本文以SV004IG5-1变频器，变频专用电动机YVP840-1，普通PC机，瑞赛特8250 RS232/485转换器为主

2、要硬件设备，搭建了基于485总线的电机变频控制系统。本文中上位机和下位机的通信软件采用了NI公司的LabVIEW作为开发平台。利用LabVIEW的串行通信函数节点完成了控制功能模块、数据监测模块、数据判断模块等的编制。本文使用LabVIEW作为变频器远程监控系统的软件开发平台，大大节约了研究工作的工时，提高了效率，同时也让软件具有了一定的可扩展能力。关键词：变频器 串行通信 远程监控LabVIEWABSTRACT inverter serial communication remote monitoring LabVIEW目录摘 要IABSTRACTII第1章绪论111 交流电机变频调速技术的

3、发展概况11.1.1 电力电子器件的发展11.1.2 控制策略的发展21.2 变频器的应用概况31.2.1 我国变频器市场的分布31.2.2 我国推广应用变频器遇到的障碍31.3 本选题的研究背景与意义41.4 本选题的主要工作5第2章变频技术介绍62.1 什么是变频器62.2 变频器的分类62.2.1 交-直-交变频器62.2.2 交-交变频器72.3 变频器的额定值和技术指标82.3.1 变频器的额定值82.3.1.1 输入侧的额定值92.3.1.2 输出侧的额定值92.3.2 变频器的性能指标92.4 使用变频器的目的及效果10第3章 电机变频控制系统总体设计113.1 电机变频控制系统

4、的硬件组成113.1.1 IG5变频器113.1.2 RS232/485转换器15概述：15性能参数：15连接器和信号15连接示意图17故障及排除17变频专用电动机183.2 电机变频控制系统软件的总体设计及设计原则18电机变频控制系统软件的总体设计18系统的软件设计原则20第4章 变频器和PC机的通讯实现21总线基础214.1.1.阻抗不连续21接口214.1.3 RS-485电缆224.1.4 RS-485网络234.1.5 RS-485系统的常见故障及处理办法234.2 LG IG5变频器的通信协议254.2.1 LG通用变频器专用通信协议25设置与运行通信协议29第5章 软件设计305

5、.1 LABVIEW虚拟仪器开发平台概述305.1.1 LABVIEW特点305.1.2 LABVIEW开发流程315.2 Labview串口通讯编程315.2.1 串口编程所用函数节点31串口通信基本程序流程框图325.3变频器远程监控程序33程序功能分析33程序结构33程序编制34第6章 系统的运行及结果分析42结论44致谢辞46第1章绪论人类在19世纪中叶就已经发明了电动机，但真正意义上的电动机自动控制系统是在20世纪30年代出现的，当时的闸流管、引燃管，而后是磁放大器、磁饱和电抗器作为静止变流器，形成了第一代电动机传动控制系统。在二次世界大战中，自动控制理论得到了发展，这有力地促进了电

6、动机传动控制系统理论体系的建立。但是，在很长的一段时间里，在较高的控制性能的传动系统里，直流电动机一直占主导地位，主要原因在于其控制简单、高速平滑、性能良好。然而，直流电动机结构上存在的机械换向器和电刷，它具有一些难以克服的固有缺点，那就是维护困难，寿命短、单机容量和最高电压都受到一定限制等。而交流电动机（主要是异步电动机）。正好与直流电动机相反，它没有电刷，结构简单，维护容易，但是在当时的条件下但是在当时的技术条件下，很难实现高性能的高速控制。在当时，交流电动机虽然在数量上占绝对的多数，但一般采用电源直接供电，直接拖动负载的方式，没有任何控制。20世纪70年代初的席卷全球的石油危机促进了交流

7、调速技术的发展，因为当时人们发现，占电动机用电量一半以上的风机、泵类负载的拖动电动机工作在恒转速状态，是靠阀门和挡板来调节流量或压力的，因而造成了大量的电能浪费。通过改变电动机转速的方法调节风量或流量，一般可节电20%30%,于是在工业化国家，变频器出现了。可以说，交流传动控制的真正的发展和应用是从使用变频高速技术来改造风机、泵类负载而开始的。11 交流电机变频调速技术的发展概况 电力电子器件的发展 交流变频调速技术是建立在电力电子技术基础上的，变频器随着逆变器件的发展而发展;逆变器件朝着耐压高、电流大、调制开关频率高及集成度高等方向发展。20世纪50年代出现硅晶闸管(SCR-Silicon

8、Controlled Rectifier), 60年代出现门极可关断晶闸管(GTO-Gate Turn-Off Thyristor), 70年代出现双极结型晶体管(BJT-BipolarJunction Transistor)和功率场效应晶体管(MOSFET-Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor), 80年代相继出现绝缘栅双极晶体管(IGBT-Insulated Gate BipolarTransistor)和集成门极换流晶闸管(IGCT-Integrated Gate Commutated Thyristor) ；90年代出现智能功

9、率模块 (IPM-Intelligent Power Module)。 GTO是高电压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大。SCR是电流驱动器件，通态压降低，容量没有GTO大，但功耗大，调制频率不高，噪声大，现趋于淘汰中。MOSFET是电压型驱动器件，开关频率高，驱动功率小，安全工作区广，但耐压不高. IGBT是目前发展最快的一种混合型电力电子器件，其特点是栅极为电压驱动，驱动电路简单，所需驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，承受电压高，载流密度大，通态压降小，热稳定好，没有二次击穿，安全工作区大，不需缓冲电路等特点，适用于较高频率的场合。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是在短路状态

10、都可以承受电流冲击，其不足之处是高压IGBT内阻大，导致导通损耗大，应用高中压领域时，通常需多个串联，并且过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受能力较低。但是IGBT集BJT和MOSFET的优点于一体，是目前变频调速系统和通用变频器中使用最广泛的主流功率器件之一. IPM是先进的混合集成功率器件，由高速低功耗的IGBT和优化的门极驱动及保护电路构成，采用了有电流传感器功能的IGBT，能连续监控功率器件电流，从而实现高效的过电流保护。由于IPM集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。目前，IPM己经在工业变频器(中、小功率)中被大量采用，随着制造工艺技术的不断改进，IPM的功率也越

11、来越大，同时体积也越来越小。同时，经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用;IPM也在向小型化、专用化、高性能化、低成本化方面发展。 控制策略的发展 早期变频调速系统是开环恒压频比(V/F等于常数)的控制方式, 其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，就是其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差，因此这种控制方式比较适合应用于风机、水泵调速等对变频器动态性能要求不高的场合。为了提高系统的动静态性能，转差频率控制系统在V/F控制中引入速度闭环，使

12、逆变器输出的实际角频率随着电机转子角速度同步上升或下降。与开环V/F控制相比，其加速、减速曲线更为平滑，且系统容易稳定。但转差频率控制是从异步电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发分析的，因而会影响系统的实际动态性能。 20世纪70年代，西德F.Blasschke 等人提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和与申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，奠定了矢量控制理论的基础。矢量控制理论的基本出发点是，考虑到异步电动机是一个多变量、强藕合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩;但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定

13、子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型可等效为一台直流电动机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的研究。在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其它控制思想的研究。 1985年，德国鲁尔大学Depenbrock首先提出直接转矩控制理论(DTC-DirectTorque Control)。直接转矩控制与矢量控制不同，DTC

14、摒弃了解祸的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系中计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。从转矩的角度看，只关心转矩的大小，磁通本身的小范围误差并不影响转矩的控制性能，因此，这种方法对参数变化不敏感。DTC省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩

15、响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。1.2 变频器的应用概况 我国变频器市场的分布我国变频器应用始于20世纪80年代末，由于变频器的优越性能及节电效果，使用量不断增加，而且，每年以20%的递增量在发展，近年来，年销售产值已达40亿元人民币。然而与国外发达国家相比，我国变频器的应用仅为可使用量的15%20%,与发达国家的70%80%相比差距还很大。随着国民经济的发展，对电气自动化的要求更高，而节能降耗、降低单耗、降低成本也更迫切，因此变频器的市场前景是十分乐观的。在强大的潜在市场的吸引下，国内外变频器制造厂商都蜂拥而上，目前国内约有60家（包括台湾地区经20家）、日本约20家、韩国

16、3家、欧美近30家，共约近120个品牌的变频器在国内市场上经销。我国主要变频器厂商集中在深圳、上海（神源）、北京、佛山（贺盛达）、山东（烟台、青岛、汶上、曲阜、潍坊）、浙江（慈溪、海盐、温岭、温州、柳市）、四川（成都市的佳灵、森兰）、江苏（无锡）、珠海（正立）、东莞等地。国外变频器厂商也在国内投资建厂，例如西门子、ABB、罗宾康、三肯、春日、日立、台安等。 我国推广应用变频器遇到的障碍我国国内各工矿企业应用变频器还处于起步阶段，只有少数效益好的企业愿意采用变频器，一般的企业并不热衷于使用变频器。主要原因有：1)资金困难。我国企业步入转轨阶段，大部分效益不好，只能维持简单再生产，对于新建项目，为

17、节省资金，也不采用变频器；2)性能价格比差。现在质量可靠的变频器均为国外品牌，但价格高，国内产品价格虽然较低，但质量不能让人放心。所以好多企业有以下共识，要么不用，要用就用最好的，这样就提高了变频器的使用门槛，同时延长了投资回收的时间；3)思想观念问题。一是人们的节能意识不强，在中国相同产品的能耗是发达国家的两倍左右，但许多企业都习以为常；二是部分技术人员思想保守，习惯使用传统的控制方式，尽管故障率较高，但能够自行处理；4)基于售后服务考虑。变频器硬件出现故障，用户不能自行维修，而供货商不能及时处理，影响生产。在使用中主要会遇到的问题有：1)软故障较多，如电机起动、停止或运行时，出现跳闸、过流

18、、过压和缺相等故障；2)电源污染问题，变频器运行时出现的高次谐波对其他设备有干扰，若进行有效处理，会增加投资；3)硬件故障问题。随着技术不断进步，变频器质量越来越可靠，但还没有完全成熟，特别是大功率变频器，故障率较高。4)售后服务问题。由于变频器应用不够广泛，售后服务网点人员较少，对用户的响应较慢，特别个别进口产品，保修期过后，维修较难。5)技术人员对变频器、可编程序控制器知识掌握不多，部分简单故障不能自行处理。我国变频器应用跟国外差距表现在：1)观念差别。发达国家企业使用变频器感到习以为常，像日本，用了两年左右时间就全面推开。国内企业的节能意识差，如果有资金，更愿意上新项目，也不愿进行变频改

19、造；2)控制方式差别。国外企业大部分采用“一对一”控制方式，无形中提高了可靠性，而国内大都采用“一控二” 或“一控三”等控制方式，虽然节省投资，但降低了可靠性。1.3 本选题的研究背景与意义电动机自动控制系统广泛应用于机械、钢铁、矿山、冶金、化工、石油、纺织、军工等行业， 这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作为原动机。有效地控制电动机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。由1.2节的介绍可知，我国不仅在变频器的研发上与国外差距很大，而且在变频器的应用上的差距也是不可小视的。这导致了我国的高端变频器市场几乎被国外品牌占据，而且相关的服务亦收费昂贵。1.4 本选题的主要工作本文所

20、设计的电机变频控制系统主要由以下几部分构成：普通计算机，RS232/485转换接口，LG IG5变频器，变频专用电动机。普通计算机作为上位机，变频器作为下位机，上位机通过串行接口向下位机发出各种控制指令，下位机在收到指令后控制变频专用电动机动作或者向上位机传送其相关输出参数的变化，达到远程控制和监视的作用。程序的编制采用美国国家仪器公司开发的LABVIEW图形化程序语言。第2章变频技术介绍2.1 什么是变频器变频器至今并无确切的定义，但按其作用可理解为改变电动机电源频率值及电压值的自动化电气装置（或设备）。变频器由电力电子器件（如IGBT模块）、电子器件（集成电路、开关电源、电阻、电容）、微处

21、理器（CPU）等组成，接在电源输入端（L1，L2，L3）和电动机输入端（U，V，W）之间（见图2-1）。功率范围：0.75500KW（大于此功率值建军议选用高压电动机及高压变频器）。频率范围：0400HZ（指通用变频器），0120HZ（指水泵、风机用的变频器）。电压范围：0380V（或440V、600V，指低压变频器）。图2-1变频器在电路中的位置2.2 变频器的分类 交-直-交变频器交-直-交电压型变频器是通用变频器的主要形式，根据变频器输出频率和电压的控制方式的不同，交-直-交变频器可分为三种：用可控整流器高压、逆变器调频的交-直-交变频器；用二极管整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的交-

22、直-交变频器用二极管整流、PWM逆变器同时调频调压的交-直-交变频器。其结构形式如图2-2所示。图2-2 交-直-交变频器的三种结构形式图图2-2交直交变频器的三种结构形式前两种变频器有两级可控功率级，第一级完成调压任务，第二级完成调频任务，调压、调频分别进行；后一种只有一级可控功率级，调压、调频均由逆变器完成。与前两种相比，后一种有以下优点：工频交流电经二极管整流和中间电容滤波后供PWM逆变器逆变，电网波形畸变小，功率因数高。PWM逆变器是通过改变脉冲宽度来改变电压的，而且变频、变压同时进行，故这种逆变器动态响应特性好。PWM逆变器输出电压脉宽按正弦规律变化，交注电动机电流波形接近正弦波，输

23、出的谐波分量小，电动机脉动转矩小，运行平稳。 交-交变频器交-交变频器可直接将电网频率交流电变成频率可调交流电，无需中间直流环节，从而可改善整个变频装置的变换效率。又由于交-交变频器中晶闸管可利用交流电网实现电源换流，无需换流电路，简化了变频器结构。这种变频器在大容量低速同步电机的无齿轮传动中，大型绕线式异步电动机的超同步调速中，以及航空电源中的变速恒频发电系统上得到了广泛应用。交-交变频器输出的每一相都是由两组晶闸管整流器反并联的可逆线路构成，如图2-3所示。图2-3交-交变频器一相电路及输出波形图中，图（a）电路接入了足够大滤波电感L，输出电流近似方波，称为电流源型；图（b）中两组整流器直

24、接反并联，构成电压源型电路。当正组工作在整流状态时，反组封锁，负载上电压为上正下负；当反组处于整流状态而正组封锁时，为上负下正，使负载上得到交流电压，如图（c）所示。若以一定频率控制正组和反组整流器切换频率的交流电压。由于交-交变频器输出的交流电压是经晶闸管整流后获得，因此其输出频率不能高于电网频率。通常，最高输出频率限制为电网频率的。根据输出波形的不同，交-交变频器可分为导通型的方波电流源变频器和导通型的正弦波电压源型变频器。2.3 变频器的额定值和技术指标 变频器的额定值.1 输入侧的额定值中小容量通用变频器输入侧的额定值主要指电压和相数。在我国，输入电压的额定值（指线电压）有3相380V

25、、3相220V（主要指进口变频器）、单相220V（主要是家用电器中的中小容量变频器）三种，此外，输入侧电源电压的频率一般规定为工频50HZ或60HZ。.2 输出侧的额定值输出电压。由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等。输出电流。指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。输出容量。取决于和的乘积。（2-1）配用电动机容量。对于变频器说明书中规定的配用电动机，其容量说明如下：它是根据下式估算的结果：（2-2）式中：电动机的效率；电动机的功

26、率因数。由于电动机容量的标称值是统一的，而和值不一致，所以配用电动机容量相同的变频器，品牌不同，其输出容量常常不同。说明书中的配用电动机容量，仅对长期连续负载才是最适合的，对于各种变动负载，则不适用。过载能力。变频器的过载能力是指允许其输出电流超过额定电流的能力，大多数变频器都规定为150%、1。 变频器的性能指标变频器的性能就是通常所说的功能，这类指标是可以通过各种测量仪器工具，在较短时间内测量出来的，这类指标是IEC标准和国标所规定的，出厂所需检验的质量指标。用户选择几项关键指标，就可知道变频器的质量高低，而不是单纯看是进口还是国产，是昂贵还是便宜。以下是变频器的几项关键指标。在0.5HZ

27、时能输出多大的起动转矩。比较优良的变频器在0.5HZ时能输出200%高起动转矩（在22KW以下，30KW以上输出180%的起动转矩）。具有这一性能的变频器，可根据负载要求实现短时间平稳加减速，快速响应急变负载，及时检测出再生功率。频率指标变频器频率指标包括频率范围、频率精度和频率分辨率。频率范围以变频器输出的最高频率和最低频率标示，各种变频器的频率范围不尽相同。通常，最低工作频率约为0.11HZ，最高工作频率约为200500HZ。频率稳定精度也称频率精度，是指在频率给定值不变的情况下，当温度、负载变化，电压波动或长时间工作后，变频器的实际输出频率与给定之间的最大误差与最高工作频率之比。对于数字

28、设定式的变频器，频率分辨率决定于微机系统的性能，在整个调频范围（如0.5400HZ）内是一个常数（例如0.01HZ）。对于模拟设定式，频率的分辨率还与频率给定电位器的分辨率有关，一般可以达到最高输出频率的0.05%。速度调节范围控制精度和转矩控制精度现在变频器速度控制精度能达到0.005%，转矩控制精度能达3%。在低转速时的脉动情况低转速脉动情况是检验变频器好坏的一个重要标准。有的高质量变频器在1HZ时的转速脉动只有1.5。此外，变频器的噪声及谐波干扰、发热量等都是重要的性能指标，这是指标与变频器所选用的开关器件及调制频率和控制方式有关。用IGBT和IPM制成的变频器，由于调制频率高，其噪声很

29、小，一般情况下连人的耳朵都听不见，但其高次谐波始终存在。如果采用控制方式较好，也可减少一些谐波量。2.4 使用变频器的目的及效果变频器的应用范围很广，凡是使用三相交流异步电动机电气传动的地方都可装置变频器，对设备来讲，使用变频器的目的无非有三个：对电动机实现节能 使用频率范围为050HZ，具体值与设备类型、工况条件有关。对电动机实现调速 使用频率范围为0400HZ，具体值按工艺要求而定，受电动机允许最大工作频率的制约。对电动机实现软件起动、软制动 频率的上升或下降，可人为设定时间、实现起动、制动平滑无冲击电流或机械冲击。变频器的使用可节省电能，降低生产成本，减少维修工作量，给实现生产自动化带来

30、方便和好处，应用效果十分明显，对产品质量、产量、合格率都有很大提高。第3章 电机变频控制系统总体设计3.1 电机变频控制系统的硬件组成本控制系统采用一拖一的控制方式。系统的拓朴结构如图3-1所示。系统由一台PC机，RS232/485转换模块，及LG的IG5系列变频器组成。系统的整体结构参见于附图1(A3)。图3-1图3-1电机变频控制系统的硬件组成 SV004IG5-1变频器本文所选用的变频器为IG5系列小容量通用变频器SV004IG5-1。其采用IGBT开关元件和U/f空间矢量PWM控制方式。产品特点是结构紧凑，控制灵活，可以满足一般应用要求，尤其适合于提升机械、包装机械、纺织机械等需要大起

31、动转矩及需要有防跳闸功能需要的场所。具有可设置的U/f曲线、多功能输入/输出端子、集电极开路输出。具有转差补偿功能、8级预设速度和3段跳跃频率、点动功能、自动再起动功能、防失速功能、手动/自动转矩补偿功能等。内置RS485、ModBus-RTU、PID控制器和制动单元。控制面板可拆卸，通过控制面板可转移程序。保护功能有过流、过电压、欠电压、变频器过热、电动机过热、CPU错误、控制面板错误等。可选件有外接制动电阻、扩展操作单元、PI控制软件。SV004IG5-1的功能特性如下：功率/电压等级：0.371.5kW,200-230VAC,1相0.374.0kW,200-230VAC,3相0.374.

32、0kW,380-460VAC,3相防护等级：IP00IP20变频器类型：采用IGBT的PWM控制控制方式：V/F空间矢量PWM技术内置：RS-485内置：ModBus-RTU、 内置：PID控制远程控制盘(可读写参数)0.5Hz输出150%转矩防失速功能8步速控制 3段跳跃频率 3个多功能输入 1个多功能输出 模拟输出(010V) PNP and NPN 双方向信号 速度跟踪 1到10kHz载波频率 内置制动单元 手动/自动转矩补偿表3-1SV004IG5-1的性能参数3.1.2 RS232/485转换器.1概述：RS232/485通讯模块采用瑞赛特-8520型。瑞赛特-8520可将RS232

33、串行口的数据发送（TD）和数据接收（RD）信号转换成两线平衡的半双工RS485信号。它是远距离控制设备或点到多点总线通信的最佳选择，该转换器由直流电源供电，不必重新设置硬件或安装软件，完善浪涌保护，可以确保整个RS-485网络的安全。.2性能参数：u 自动内部RS485总线管理，无需外部控制信号u RS485数据线上有瞬态干扰、浪涌保护u 总线上可挂32个设备u 隔离远传1200Mu 传输速率：300BPS115200BPSu 电源要求：1030VDC，有防反接保护u 电源功耗：1.5u 隔离电压：1000Vu 传输距离：最大2公里（视线路而定）u 尺寸：88×78×25u

34、 使用环境：25u 支持工业DIN导轨安装.3连接器和信号图3-2 RS-232端（DB9公端） 图3-3 RS-485端（DB9母端）瑞赛特-8520型转换器采用DB9型的母头连接器与RS-232接口相连，其中7、8引脚1、4、6引脚短接。另一端DB9公头连接器RS-485接口相连。接口定义如下。表3-2 RS-232C引脚定义DB9Female(PIN)RS-232C(DCE)1DCD2TD3RD4DTR5GND6DSR7RTR8CTS表3-3 RS-485引脚定义DB9MALE(PIN)RS-4852485-7485+5GND.4连接示意图图3-3点到点两线半双工通信图3-4点到多点两线

35、半双工通信图3-5HZ-01S之间两线半双工通信.5故障及排除1、 数据通信失败A、 检查RS-232接口连接是否正确B、 检查RS-485接口连接是否正确C、 检查RS-232接口信号电平（TD、DTR、RTS）是否低于±5VD、 检查线路是否过长E、 检查是否按RS-485规则进行布线F、 检查所布线路是否为双绞线2、 数据丢失或错误A、 检查数据通信设备两端数据速率、格式是否一致B、 检查是否按RS-485规则进行布线C、 检查所布线路是否为双绞线D、 终端匹配电阻未连接变频专用电动机电机采用浙江省嘉兴市巨能电机厂的YVP804-1变频专用电动机。YVP系列电动机吸取了国外先进

36、国家产品这技术，应用CAD设计。低速时（频率50HZ）能在1：10范围内作恒转矩调速运行且运行平稳，无转矩脉动现象，并具有较高的起动转矩和较小的起动电流。电动机高速能输出恒功率特性。本系列电动机调速范围宽、振动小、噪声低、能与国内外各种SPWM变频装置（如：日本富士、三菱）相配套，构成交流变频无级调速系统。YVP系列电动机的功率等级与安装尺寸、机座中心高均符合国际IEC标准，其对应关系与Y系列（IP44）三相异步电动机相一致，互换性通用性强。本系统电动机为笼型结构、运行可靠、维修方便，并装有独立的冷却风机、保证电机在不同的转速下、均具有较好的冷却效果。YVP系列变频电机是一种交流、高效、节能型

37、调速电动机，专为匹配变频调速设计制造，是机电一体化的调速节能新产品。与其他调速方式相比，变频调速系统具有应用范围广、节能效果明显、调速性能好、起动转矩大、低频起动电流小、调速比宽、快速响应性优良、噪音低、振动小、运行可靠、维修方便等特点，能够保证电机长时间低速或高速运行，是目前交流调速方案中最先进的系统之一。广泛应用于数控机床的主轴传动、纺织、化工、冶金、塑胶、轻工、造纸等行业的恒转矩、恒功率调速以及风机水泵等场合的节能调速。表-4YVP804-1变频专用电机性能参数Nominal Power标称功率（KW）4 Poles 极Frame Size机座号Rated Torque额定转矩（N.m）

38、Current电流（A）0.558013.51.83.2 电机变频控制系统软件的总体设计及设计原则电机变频控制系统软件的总体设计本文设计的变频器远程监控系统是有人工干预参与的在线实时连续监控的自动化系统。它能够通过485总线向远程主机自动的发送变频器的相关运行参数，从而实现在线、动态、实时的监测与控制。本系统以普通PC机作为主机，SV004IG5-1变频器作为从机，通过串口进行数据传输。它实现了在线控制与监测的功能。主机上的程序以NI公司的LabVIEW作为开发平台，以模块化的方式进行设计。在该平台下，开发出变频器的控制模块，变频器的监测模块及相关数据的判断及显示模块。在发送控制及参数监测命令

39、前，先将各个命令帧按照LG变频器的专用通讯协议进行打包；然后将打包好的命令帧发送到串口传输缓冲，交由串口将命令帧送到目标变频器的目标寄存器；变频器寄存器在接收到到命令帧后作出相应的响应，然后根据响应动作，返回相关数据帧到串口接收缓存；数据接收模块将串口接收缓存中的数据读出，经过数据判断模块判断数据是否为所需要的数据，然后决定该数据显示与否。主VI变频器控制模块变频器数据监测模块数据接收模块数据判断模块数据显示模块VISA图3-6软件组织结构图3.2.2系统的软件设计原则1.低功耗由于LabVIEW是以循环扫描的方式进行工作的，比较浪费CPU的时间，采用事件结构进行程序编制可以从一定程度上降低C

40、PU的功耗。2.可靠性采用RS485总线进行通信，虽然可以满足远距离数据传输的需要，但是由于其易于受到外界噪声的干扰，故其可靠性不高。本文从软件上进行了相应的弥补，在数据采集回来后，进行校验后再予以显示，较大程序上隔离了错误数据，提高了可靠性。3.柔性化使用LabVIEW编写的程序，可以轻松的移植到苹果机及采用LINUX等其它平台上运行。增加了系统的柔性。使用软件使用者可以采用其所拥有的现有的系统平台来运行变频器控制系统程序而不必更换系统平台。4.内存优化在使用设计LabVIEW程序时，将复杂VI分解为数个子VI。子VI的使用会增添额外的前面板和框图的空间，但并不增添额外的代码和数据空间。由于

41、程序运行时只有代码和数据被调入内存，因此使用子VI不会占用额外的内存。使用子VI的好处还在于当子VI运行结束时，LabVIEW可以及时收回子VI的数据空间，从而改善了内存的使用效率。没有必要时不要设置子VI的重入（Reentrant）属性。第4章 变频器和PC机的通讯实现4.1.RS-485总线基础在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422通信标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。RS-485标准采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求如下：（1） 接收器输入电阻12k。

42、（2） 驱动器能输出±7V的共模电压。（3） 输入端的电容50pF。（4） 在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用的双绞线的参数有关）。（5） 接收器的输入灵敏度为200mV，即（V）（V）0.2V。表示信号“0”；（V）（V）0.2V，表示信号“1”。因为RS-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS-485成为工业应用中数据传输的首先标准。基于此，RS-485在自动化领域的应用非常广泛，但是在实际工程中RS-485总线运用仍然存在着很多问题，影响了工程的质量，为工程应用带来了很多的不方便

43、。.阻抗不连续信号在传输过程中如果遇到阻抗突变，信号在这个地方就会引起反射，这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法就是要尽量保持传输线阻抗连续，实际工程中常在电缆线的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻就是为了减少信号反射。从理论上分析，在传输电缆末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就能有效的减少信号反射。但是，在实际工程应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通信波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。信号反射对数据传输的影响，归根到底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器

44、收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。这种情况是无法改变的，只有尽量去避免它。.RS-485接口RS-485采用差分信号负逻辑，26V表示“0”，62V表示“1”。RS-485有两线制和四线制两种接线方式，四线制只能实现点对点通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构，在同一总线上最多可以挂接32个接点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来，这样忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却存在

45、很大的隐患，其原因有：（1）共模干扰问题。RS-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需要检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为712V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定性，甚至损坏接口。当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为，由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差，那么接收器输入端的共模电压就会达到。RS-485标准规定3V，但可能会有很大幅度（十几伏甚至几十伏），并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入超

46、出正常范围，在信号线上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏设备。（2）EMI问题。发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。由于PC机默认的是RS-232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS-485电路：（1）通过RS-232/RS-485转换电路将PC机串口RS-232信号转换RS-485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。在本课题中，选用的即是此种方法。（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS-485类型的扩展卡。4.1.3 RS-

47、485电缆RS-485传输线在一般场合采用普通的双绞线就可以，在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，从RS-485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个参数主要是受信号失真及噪声等影响。理论上，RS-485的最长传输距离能达到1200m，但在实际应用中传输的距离要比1200m短，具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继的方法信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说理论上RS-485的最大传输距离可以达到9600m。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换

48、器，多模光纤的传输距离是500010000m，而采用单模光纤可达50000m的传输距离。 RS-485网络RS-485支持半双工或全双工模式，网络拓朴一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。在使用RS-485接口时，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度参数主要是受信号失真及噪声等条件的影响。当数据信号速率降低到90kb/s以下时，假定最大允许的信号损失为6dB，则电缆长度被限制在1200m。实际上，在使用时是完全可以取得比

49、它大的电缆长度的。当使用不同线径的电缆时。则取得的最大电缆长度是不相同的。在构建网络时，应注意如下几点：（1）有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。（2）应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点会发生信号的反射。产生这种不连续性的情况有：总线的不同区段采用了不同电缆，某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，过长的分支线引出到总线等。总之，应该提供一条单一、连续信号通道作为总线。在RS-485组网过程中别一个需要注意的问题是终端负载电阻的问题，在设备

50、少距离短的情况下不加终端负载电阻，整个网络能很好的工作，但随着距离的增加性能将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配，但这在实际中难以掌握。美国MAXIM公司提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要匹配，即当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。RS-485总线在实际工程中总是出现一些接线问题，因此在接传输线时一定要用同样的双绞线或者同样的电缆，以避免阻抗不连续，产生很大的反射信号，造成不能正常进行的情况发生。 RS-485系统的常见故障及处理办法RS

51、-485是一种低成本、易操作的通信系统，但是其稳定性差且相互牵制性强，通常有一个节点出现故障会导致系统整体或局部的瘫痪，而且又难以判断是哪个节点出现问题。由于RS-485使用一对非平衡差分信号，这意味着网络中的每一个设备都必须通过一个信号回路连接到地，以最小化数据线上的噪声。数据传输介质由一对双绞线组成，在噪声较大的环境中应加上屏蔽层。以下是检查RS-485网络故障和处理的方法：（1） 若出现系统完全瘫痪，大多因为某节点芯片的VA、VB对电源击穿，使用万用表测VA、VB间差模电压为零，而对地的共模电压大于3V，此时可能通过测共模电压大小来排查，共模电压越大说明离故障点越近，反这越远。不同的制造

52、商A、B线采用不同的标签规定，即B线应该是在空闲状态下电压高。因此，A线相当于，B线相当于。可在网络空闲的状态下用电压表检测。如果B线没有比A线电压更高，那么就会存在连接问题。（2） 总线连续几个节点不能正常工作。一般是由于其中一个节点故障导致的。一个节点故障会导致邻近的23个节点（一般为后续）无法通信，因些将其逐一与总线脱离，如果某个节点脱离后总线能恢复正常，说明该节点故障。为了检查哪一个节点停止了工作，需要切断每一个节点的电源并将其从网络中断开。使用欧姆表测量接端A与B或与之间的电阻值。故障节点的读数通常小于200，而非故障节点的读数会比400大得多。(3) 集中供电的RS-485系统在上

53、电时常常出现部分节点不正常，但每次又不完全一样。这是由于对RS-485的收发控制端TC设计不合理，造成子系统上时电节点收发状态混乱从而导致总线堵塞。改进的方法是将各子系统加装电源开关然后分别上电。(4) 系统基本正常但偶尔出现通信失败。一般是由于网络施工不合理导致系统可靠性处于临界状态，最好改变走线或增加中继模块。(5) 因MCU故障导致TC端处于长发状态而将总线拉死。此时应对TC端进行检查。尽管RS-485规定差模电压大于200mV即能正常工作。但实际中测量，一个运行良好的系统其差模电压一般在1.5V左右（因网络分布、速率的差异有可能使差模电压在0.81.5V范围内）。当没有设备进行数据传输

54、，所有设备都处于监听状态的时候，RS-485网络中会出现三态状态。这将导致所有的驱动器进入高阻隔状态，使悬空状态传回所有的RS-485接收端。节点设计中为了克服这一不稳定状态采用的典型方法是：在接收端的A和B线加装下拉和上拉电阻来模拟空闲状态。为了检查这一偏置，应在网络供电和空闲的状态下测量B线到A线的电压。为了确保远离不定状态，要求至少存在300mV的电压。如果没有安装终端电阻，偏置的要求是非常宽松的。一根双绞线加地的RS-485网络可以上行与下行地传送数据。由于没有两个发送端能够在同一时间成功地通信，所以在数据的最后一位传送完毕后的一个时间片内，网络表现为空闲态，但实际上节点还没有使其驱动器进入三态状态。如果另一个设备试图在这一时间段内进行通信，将会发生结果不可预测的冲突。为了检测这种冲突，使用数字示波器来捕捉几个字节的1和0。确定一个节点在传输结束时进入三态所需要的时间。确保RS-485软件没有试图响应比一个字节的时间更短的请求（在76.8kb/s的速率下略大于1ms）。4.2 LG IG5变频器的通信协议LG通用变频器可以与PC、IPC（工控机）之间以RS485/232方式通信，RS232通信接口可以使用RS232/