1、引言
　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各種設(shè)備的傳動(dòng)部件主要為電動(dòng)機(jī)，且電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)在許多場(chǎng)合要求能夠調(diào)速。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行方式很多，以電動(dòng)機(jī)類(lèi)型分大致可分為直流調(diào)速與交流調(diào)速兩種，而交流調(diào)速變頻調(diào)速為運(yùn)行效果與節(jié)能效果最佳。隨著電子器件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變頻器的應(yīng)用已逐漸從手動(dòng)控制方式逐漸向計(jì)算機(jī)控制發(fā)展。本文在介紹變頻器技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了基于串口上網(wǎng)技術(shù)的變頻器控制系統(tǒng)。
2、變頻調(diào)速的工作方式
　　變頻技術(shù)大致可分為直－交變頻與交－交變頻2種。我們通常所見(jiàn)的變頻器大多采用的為直－交變頻技術(shù)。在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，常常要求電動(dòng)機(jī)不管在高速時(shí)運(yùn)行還是在低速時(shí)運(yùn)行，都要維持電動(dòng)機(jī)的磁通密度為一恒定值。因此當(dāng)逆變器的輸出頻率變化時(shí)，要求逆變器的輸出電壓也要隨之變化。這就是V/f控制方式。當(dāng)轉(zhuǎn)差率Ｓ變化不大時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ基本上正比于定子供電頻率ｆ。故改變ｆ就可得到極大的調(diào)速范圍，很好的調(diào)節(jié)平滑性以及足夠硬度的機(jī)械特性。
3、變頻器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
　　交流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。
3.1 器件發(fā)展
　　變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM（Intelligent Power Module），后面2種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開(kāi)關(guān)特性于一體，是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可小于3V,頻率可達(dá)到20kHz,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達(dá)150ns,1992年前后開(kāi)始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開(kāi)關(guān)速度更快、電壓更高,容量更大（3.3kV、1200A），目前，采用溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓[VCE（sat）>的第4代IGBT也已問(wèn)世。
　　第4代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。（1）ICBT開(kāi)關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50－70％的器件發(fā)熱降低了30％。（2）高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善;（3）開(kāi)關(guān)頻率提高，使之超過(guò)人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜化;（4）驅(qū)動(dòng)功率減少，體積趨于更小。
而IPM的投入應(yīng)用比IGBT晚，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路．甚至還有的把光耦也集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定電流10－600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨勢(shì)。
3.2 變頻器內(nèi)部控制方式發(fā)展趨勢(shì)
　　矢量控制。也稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制。它以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)。矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。
　　直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。性能有了進(jìn)一步提高。
4、應(yīng)用串口上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制
　　以太網(wǎng)作為IT產(chǎn)業(yè)的主要通訊骨干，已是眾所皆知的事實(shí)，并已大量的應(yīng)用在人類(lèi)生活息息相關(guān)的信息產(chǎn)業(yè)上。面對(duì)這股網(wǎng)絡(luò)化的潮流，身為所有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，也廣泛的應(yīng)用TCP/IP以太網(wǎng)作為系統(tǒng)通訊界面，并積極發(fā)展更符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)品，提高系統(tǒng)自動(dòng)化的能力，從而達(dá)到降低成本、提升競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。但是,在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的過(guò)程里,由于許多傳統(tǒng)的串口設(shè)備未具備聯(lián)網(wǎng)能力,在控制指令與設(shè)備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的方案。而串口通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)單、易用，性價(jià)比高，是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的理想選擇。現(xiàn)在市場(chǎng)上已出現(xiàn)MOXA的Nport系列串口上網(wǎng)服務(wù)器。
　　使用MOXA的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠(yuǎn)程的COM端口，不需要更改系統(tǒng)原有使用串行通訊的應(yīng)用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅(qū)動(dòng)程序支持，Nport 家族 可以立即讓串口設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)的能力。Nport 家族 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器包含完整的TCP/IP協(xié)議。它可以把串口數(shù)據(jù)包裝成TCP封包，并轉(zhuǎn)換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機(jī)的以太網(wǎng)卡上。主機(jī)以自己的TCP/IP協(xié)議解封包后，應(yīng)用程序可以接收到完整的串口數(shù)據(jù)。
通過(guò)Nport 家族 TCP端口，以TCP/IP Socket來(lái)存取串口數(shù)據(jù)。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統(tǒng)。
　　讓串口設(shè)備具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)界面，可提高企業(yè)管理與原作效率。由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可遠(yuǎn)程、機(jī)動(dòng)性管理的特性，大大減低系統(tǒng)故障維護(hù)與人力成本，是一個(gè)底成本效益的串口設(shè)備管理模式。
　　本系統(tǒng)選擇1對(duì)1串口服務(wù)器（型號(hào)DE311）。只需在上位機(jī)安裝MOXA COM 驅(qū)動(dòng)程序, 給MOXA串口服務(wù)器設(shè)置IP地址，上位機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)與MOXA Nport-Server通訊，再通過(guò)MOXA 的RS-485轉(zhuǎn)換口與變頻器相連，并在上位機(jī)分配虛擬COM口，上位機(jī)利用組態(tài)軟件完成所有系統(tǒng)組態(tài)程序，建立相應(yīng)的COM硬件設(shè)備，進(jìn)行系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)置組態(tài)，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控可以通過(guò)訪問(wèn)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以直接訪問(wèn)MOXA串口服務(wù)器的IP地址，直接讀取TCP/IP數(shù)據(jù)包，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 在組態(tài)軟件中安裝變頻器驅(qū)動(dòng)程序
（1） 安裝變頻器驅(qū)動(dòng)程序并設(shè)置相應(yīng)的通訊參數(shù)，如地址、波特率、奇偶較驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位設(shè)定等，注意此設(shè)定值需與變頻器內(nèi)部設(shè)定值一致，否則通訊不成功。
（2） 設(shè)置變量并進(jìn)行變量連接
在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（有的組態(tài)軟件叫變量字典）定義變量，根據(jù)需要可定義開(kāi)關(guān)量或模擬量參數(shù),然后連接到變頻器的相應(yīng)功能項(xiàng)上。
（3） 建立動(dòng)畫(huà)連接，將做好的畫(huà)面連接到變頻器的變量上。
　　上述工作完成以后，就可在腳本程序中編寫(xiě)程序了。如定義的某變量為變頻器的輸出頻率，那么可對(duì)此變量賦值，變頻器按賦值的頻率運(yùn)行了。也可以采用動(dòng)畫(huà)連接的方式，通過(guò)變量采集變頻器有關(guān)的數(shù)據(jù)，以報(bào)表、圖形、動(dòng)畫(huà)的形式反映出來(lái)。使監(jiān)控系統(tǒng)更加豐富多彩。
4.2 基于網(wǎng)絡(luò)的變頻器監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　傳統(tǒng)的變頻器實(shí)驗(yàn)是采用手動(dòng)操作變頻器面板的方式，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用計(jì)算機(jī)控制方式相比，控制方法落后，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)困難且學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)興趣差，影響學(xué)習(xí)效果。為此我們以組態(tài)軟件為平臺(tái)，采用串口上網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了1套基于網(wǎng)絡(luò)的變頻器控制系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)踐。此系統(tǒng)由變頻器帶動(dòng)輥道送物，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，速度調(diào)節(jié)，報(bào)警等?？刂菩盘?hào)，頻率設(shè)定，速度、狀態(tài)顯示均在計(jì)算機(jī)上完成，操作方便。
（1） 串口上網(wǎng)技術(shù)
　　采用串口上網(wǎng)技術(shù)，實(shí)際上使變頻器具有IP地址，并通過(guò)MOXA 串口服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)可以對(duì)其遠(yuǎn)程監(jiān)控。
　　本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了3個(gè)控制界面，包括輥道監(jiān)控窗口，變頻器操作窗口，報(bào)警窗口。各個(gè)窗口可自由切換。其中輥道監(jiān)控窗口采用動(dòng)畫(huà)的方式顯示輥道及貨物的運(yùn)行情況，包括運(yùn)行速度、方向、位置顯示等。變頻器操作窗口包括變頻器的各種操作，如頻率設(shè)定、正反轉(zhuǎn)控制、加減速設(shè)定，及各種參數(shù)的顯示等。報(bào)警窗口當(dāng)變頻器故障時(shí)自動(dòng)彈出，并切斷變頻器輸出，保證系統(tǒng)安全。因篇幅所限，列出變頻器操作窗口畫(huà)面圖2及正、反轉(zhuǎn)控制腳本程序。

（2） 正、反轉(zhuǎn)控制程序
IF b0.pv==2 THEN /啟動(dòng)操作
bb=0
ENDIF
IF b0.pv<>2 THEN /非運(yùn)行狀態(tài)
bb=bb+b1.pv
ENDIF
IF bb>=150 THEN
bb=1
ENDIF
IF b0.pv==2 THEN /反轉(zhuǎn)
m=0
ELSE m=b1.pv＊40
ENDIF
IF b0.pv==1 THEN /正轉(zhuǎn)狀態(tài)
level=level+b1.pv
ENDIF
IF level>=500 THEN
level=500
ENDIF
IF level>=500&&b0.pv<>3 THEN
b0.pv=2 /正轉(zhuǎn)運(yùn)行結(jié)束，并反轉(zhuǎn)
ENDIF
IF level>=500 THEN
b0.pv=3
ENDIF
IF b0.pv==3 THEN /加速
level=level-10
ENDIF
IF level<=0 THEN /反轉(zhuǎn)運(yùn)行結(jié)束，并正轉(zhuǎn)
b0.pv=1;
ENDIF
　　該程序?qū)崿F(xiàn)在計(jì)算機(jī)上利用監(jiān)控界面，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、設(shè)定頻率等操作，并在畫(huà)面上顯示某些運(yùn)行參數(shù)和頻率曲線。限于篇幅，僅列出部分原代碼。
該系統(tǒng)在我院投入使用，經(jīng)過(guò)2年的運(yùn)行，取得較好的效果。上述方法同樣適用于其它串口設(shè)備的使用。