1、目 录中文摘要 .1中文摘要 .21 绪论 .31.1 课题研究的目的与意义 31.2 国内外发展的状况 31.3 变频供水系统应用范围 51.4 恒压供水的实现 52 变频调速系统能耗分析 .72.1 供水系统分析 72.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析 83 系统结构与设备选型 .113.1 系统总体设计 113.2 变频调速 113.3 单片机 163.4 控制算法 174 系统硬件设计 .204.1 系统工作过程说明 204.2 变频器部分硬件设计 214.3 单片机部分硬件设计 235 系统软件设计 .295.1 主程序流程 295.2 继电器动作控制流程 305.3 PID
2、控制流程 31结论 .33致谢 .34参考文献 .35附录 1 36附录 2 371单片机恒压供水系统的设计摘 要：建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据居民用水时间集中，用水量变化较大的特点，因此居民原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用压力反馈，PID 控制，配以变频器、单片机、压力传感器等，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，从而使管网中的压力始终保持在合适的范围。从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电
3、量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，电机的使用寿命大大延长。关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动控制2The Design base on MCU for pressure water supply systemAbstract：Building the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resources is an arduous ta
4、sk. According to the users water used time and the water consumption changing characteristic, so the resident original water supply system has many problems. E.g. the existence cost to be high, the reliability is low, the water resources waste, and the pipe network system need consummation. Through
5、the way of using pressure feedback, PID control, together with the converter, microcontroller, pressure sensors, etc, according to the network management pressure, control water pump rotational speed through the inverter. So that the pressure in the pipe network is always maintained at a appropriate
6、 scope. Through this way, we solve the problem that the high floor case inadequate pressure and energy consumption high when the flow is low.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery rotational speed is proportional three cubed the relations, therefore the water
7、pump velocity modulation gets an obvious energy conservation effect. The average power consumption saves 40% than usual water supply method. Combination of relays, it can achieve the main pump frequency adjust, the deputy pump soft start, with the function of short circuit protection and over curren
8、t protection. It is stable and reliable further more greatly extend the life of the motor.Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, SCM, differential pressure water supply, automatic control31 绪 论1.1 课题研究的目的与意义随着高层建筑层数的不断加高，高层居民经常出现用水难问题。该设计针对上述问题，要求研制变频调速恒压供水控制器，该控制器是基于单片机为核心，
9、以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动稳定于设定的压力值。传统的蓄水加压办法有：高位水箱、气压给水以及无水箱供水等三种方式。高位水箱给水的方式，靠水的势能向用户提供一定压力的生活用水和生产用水。这种办法显然比较落后，一是投资大，二是不利与维护和抗震。将增加房屋强度设计要求，增加成本。而且采用高位水箱最重要的是将产生二次污染。1982 年以后开始出现气压供水设备，虽比前者有所改进，但仍有很多不足之处，如占地面积大，水罐和泵房投资高，电机频繁启动，耗电量大且供水压力不稳。1究竟采用何种供水方式效果更好呢？根据流体力
10、学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电机轴上消耗的功率与转速的平方成正比。由此可见，采用交流变频调速恒压供水系统即可做到用水量和供水量的统一，又极大地降低了电耗。近几年随着交流变频调速技术的发展和微型计算机的推广应用，上述想法已成为现实。1.2 国内外发展的状况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅
11、的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即 1968 年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发4现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像 ABB 集团推出了 HVAC 变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水用的变频器。它将 PID 调节器和 P LC 可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电
12、控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如 BA 系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。2目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开
13、放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(2.2k-30w) ，无需外接 PLC 和 PID 可完成。最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性( EMC) 的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究迁是
14、不够的。采用变频调速恒压供水，利用反馈控制来进行恒压供水设计时还存在的问题有：由于供水系统的供水管道长、拐弯多, 难于确定系统的数学模型; 且该系统具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。变频恒压供水系统主要特点：（1）节能，可以实现节电 20%40%，能实现绿色省电。（2）占地面积小，投资少，效率高。（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。（4）运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。5（5）由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病。（6）通过通信
15、控制，可以实现无人职守，节约了人力物力。21.3 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw 以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在 135kw320kw 之间，电网电压通常为 220V 或 380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目
16、前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器1.4 恒压供水的实现系统结构的设计：系统为压力反馈的单闭环控制。利用浩捷PTJ207压力传感器测量水管压力，其输出为数字量。STC89C52单片机获得测量值后通过算法计算出频率值。作为变频器（ABB ACS510）的给定，通过变频器输出调节泵的转速，来调节水压，从而达到恒压控制的目的。控制算法的设计：由于供水系统难于确定系统的数学模型
17、且具有非线性、高阶次、大滞后、参数易变等特点。3而在本科所学的方法中都要求控制对象明确才能计算控制器参数。用凑试法确定PID参数不需要知道系统模型。因此拟用单片机来完成人工参数试凑的过程来整定参数。6目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，
18、并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题4。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。72 变调速系统能耗分析2.1 供水系统分析水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速可以相应的改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网压力恒定，达到节能效果。如图 2.1 所示，n 为水泵特性曲线，A 管路特性曲线， H0 为管网末端的服务压力，H1 为泵出口压力。当用水量达到最大
19、Qmax 时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性 n0 和用水管特性曲线 A0 汇交于 b 点，此时，水泵输出口压力为 H，末端服务压力刚好为 H0。当用水量从 Qmax 减少到 Q1 的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。图 2.1 节能分析曲线图(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由 b 点上滑到 c 点，而管路所需的扬程将由 b 点滑到 d 点，这样 c 点和 d 点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由 Qmax 下降时，控制系统降低水泵转
20、速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在 H 上平移。在水量到达 Q1 时，相应的水泵特性趋向为 nx。而管路的特性曲线将向上平移到 A1，两线交点 e 即为此时的工况点，这样，在水量减8少到 Q1 时，将导致管网不利点水压升高到 H0H1，则 H1 即为水泵的能量浪费。(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由 Qmax下降到 Q1 时，水泵降低转速，水泵的特性曲线 n1，其工况点为 d 点，正好落在管网特性曲线 A0 上，这样可以使水泵的工作点式中沿着 A0 滑动，管网的服务压力H0 恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案
21、与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了 h1.根据水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)*2P1/P2=(n1/n2)*3式中，Q、H、P、n 分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的可靠5。采用变频恒压供水系统除可节能
22、外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速 n 为：n=120(1-s)/p （2.1）式中 s 为电机的转差率（s=0.02），p 为电机极对数，f 为定子供电频率。当水泵电机选定后，p 和 s 为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力 P、流量 Q 和功率 N 的关系为： N
23、=PQ由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。2.2 变频调速恒压供水工况与能耗机理分析9管路水力损失分为扬程损失和局部损失两种hs=hy+hj （2.2）沿程损失 hy= LQ2 （2.3）式中 y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L- 管路长度（m ）；A- 过水截面的面积。（2.4 ）=2+12=2式中 S 被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的 y，j ，L ，A 等参数都能去顶，S 也就确定了。由式（ 2.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水损失就等于上下水位差（即实际扬程 H）加上
24、管路损失Hx=Hsj+Hs （2.5）由式（2.5）可以得到如图所示的 Hs-Q 管路性能曲线图 2.2 水泵工作点的确定水泵运行工况点 A 是水泵性能曲线 n1 和管道性能曲线 R1 的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有 R1 变为 R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 D 点，扬程从 H0 上升到 H1，流量从 Q0 减少到 Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线 R1 保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从 n0 降到 n1，水泵性能曲线从 n0 平移到 n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 C 点，扬程从 H0
25、下降到 H1，流量从 Q0 减少到Q1.在图 2-5 中水泵运行在 B 点时消耗的轴功率与 H1BQ1O 的面积成正比，运行在C 点时消耗的轴功率与 H2CQ1O 的面积成正比，从图 2.3 上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显5。10图 2.3 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图求出运行在 B 点的泵的轴功率 =运行在 C 点泵的轴功率 =两者之差：=222也就是说，采用阀门控制流量时有 V 的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀
26、门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。考察水泵的效率曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器效率降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体降低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在 40Hz 以上，也就是说转速下降在 20%以内。在此范围内，电动机的负载率在 50%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。113 系统结构与设备选型3.1 系统总体设计该系统以 AT8052 单片机为核心，由单片
27、机、变频器、测量与转换、显示及用户设定等几个主要部分组成。如图 3.1 所示。图 3.1 系统总体设计框图该系统采用压力反馈的单闭环控制，通过对出水口压力采样反馈与压力给定值做比较，计算出 e（k）。通过控制算法输出给定给变频器来驱动泵来调节转速，从而达到恒压控制的目的。系统控制原理如图 3.2 所示。图 3.2 系统控制原理图3.2 变频调速3.2.1 变频器简介直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时12期内，占整个电力拖动系统80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机
28、和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；（3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：（1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养；（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点。在许
29、多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的传统控制，所以节能效果非常明显。对电动机的调速范围和精度要求不高，通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制频
30、器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1:10 以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1:1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转短。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。3.2.2 电动机的机械特性当定子电压 和电源角频率 恒定时，可以改写成如下形式：sU11322121 )()(3lrlsrsrspe LRUnT当 s 很小时，忽略分母中含 s 各项，则
31、，转矩近似与 s 成正比，UnTrspe13机械特性 是一段直线，见图 3.1。当 s 接近于 1 时，可忽略分母中的 ，则)(sfTe rR，s 接近于 1 时转矩近似与 s 成反比，这时，LRUnlrlssspe 1)(322121 是对称于原点的一段双曲线。当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从)(fTe直线段逐渐过渡到双曲线段，如图 3.3 所示。6smnn0sTe10TeTemaxTemax图 3.3 恒压恒频时异步电机的机械特性3.2.3 变频器的控制方式目前变频器对电动机的控制方式大体可分为：V/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变
32、结构控制、智能控制等。前四种已获得成功应用，并有商品化产品，本章只讨论前2种控制方式。1) V/f恒定控制简介。V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压,使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压（Voltage）与频率 (Frequency)的比，称为V/f 恒定控制。此种控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。另外，空调等家用电器也多采用此控制方式的变频器。控制原理如下：异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，在改变频率时，电动机14的同步转速随着改变。当电动机带负载运
33、行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在转差。转差的大小和电动机的负载大小有关。保持V/f 恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。电动机定子的感应电动势：E14.44K w1m f 1 N1 (3-1)式中 Kwl电动机绕组系数；f1 电源频率；N1 电动机绕组匝数；m每极磁通。电动机端电压和感应电动势的关系式为：UlE 1+(r1+jx1)I1， (3-2)在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。由式(2-
34、1)可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势E不变，那么，电动机的磁通m将增大。由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。磁通出现饱和后将会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。7在变频控制时，保持E / f恒定，可以维持磁通恒定。2） 矢量控制简介。矢量控制是一种
35、高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。直流电动机具有两套绕组，励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差90；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭15环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机
36、应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制7。矢量控制技术经过20多年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。如果能对电动机参数(主要是转子电阻R2)进行实时辨识，则可随时修改系统参数。另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。近年发展起来的直接转矩控制采用滞环比较控制电压矢量，使得磁通、转矩跟踪给定值，系统具有良好的静、动态性能，在电气机车、交流伺服系统中展现良好的应用前景8。3.2.4 变频器的选择通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可
37、靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。根据控制功能可将通用变频器分为三种类型:普通功能型 u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f控制变频器(也称无跳闸变频器)和矢量控制高性 能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩(TLn2)，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。9大多数变频器容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出 电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过
38、变频器额定电流 是选择变频器的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机额定电流要大于普通鼠 笼异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多数是多电动机传动。应保持在无故障 状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率16大一个等级，一般为:Pnv1.1Pn (3-3)式中： Pnv变频器额定功率，kW；Pn电动机额定功率
39、，kW3.3 单片机3.3.1 单片机简介单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机.它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别10 。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领
40、域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电
41、脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机通过编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。173.3.2 单片机的选择1.单片机的基本参数例如速度，程序存储器容量，I/O引
42、脚数量2.单片机的增强功能，例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，扩展 RAM，CAN 接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。3. Flash和OTP（一次性可编程）相比较，最好是 Flash。4.封装 IP（双列直插），PLCC （PLCC有对应插座）还是贴片。DIP封装在做实验时可能方便一点。5.工作温度范围，工业级还是商业机。如果设计户外产品，必须选用工业级。6.功耗，比如设计并口加密狗，信号线取电只能提供几个mA,。7.工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电，至少应该能在1.8-3.6V电压范围内工作。103.4 控制算法该系统采用PID控制方法
43、，将PID算法编入单片机自动运行。其算法程序流程如图3.4所示：图 3.4 PID 算法流程3.4.1 PID 控制介绍在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控18制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用P
44、ID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 其控制规律为：(3-4)()=()+10()+()1. 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2. 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消
45、除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3. 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误
46、差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.4.2 数字 PID 控制算法实现1. 数字PID位置型控制算法：19把式(3-4)变换为差分方程，为此可作如下近似 0()=0()()()(1)式中：T 为采样周期，k 为采样序号。可得数字 PID 位置型控制算式为：(
47、3-5) ()=()+=0()+()(1) 式(3-5) 的控制算法提供了执行机构的位置u（k），如阀的开度，所以被称为数字PID 位置型控制算式。112. 数字PID增量型算法由式(3-5)可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e（i），不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，对此可将式(3-5)进行如下改进：()=()(1)(3-6)=()(1)+()+()2(1)+(2)其中 称为比例增益；=1称为积分系数；=称为微分系数。=为编程方便，可将式（3-6）改写成如下形式(3-7) u()=0()+1(1)+2(2)其中 0=KP(1+TTI+TDT)1=(1+2)2=20
48、4 系统硬件设计系统的硬件设计分为两部分：1）以单片机为核心的硬件部分设计。主要包括：A/D 转换采样及PID 控制，用户按键输入及显示屏显示，单片机与变频器通信。2）变频器部分的硬件电路设计。主要包括：主电路和控制电路。系统硬件结构如图4.1所示。图 4.1 系统硬件结构示意图图 4.2 实际供水系统示意图实际供水系统如图4.2电机M1工作工频直接接入电网， M2作变频调速电机。其中气压供水罐根据情况选配，不一定必须配置，其作用是增加系统阻尼。除了气压供水罐外，其它设备是必需的。4.1 系统工作过程说明211）两个泵的供水方式结合图 4.3，这个恒压供水系统由两个泵，其中一台泵(M1)工作在工频，在系统处于低用水量时，由它供水。这时变频器不工作，电机 M2 不工作。当用水量上升，水压下降超过设定，这时变频器工作，动态的调节水压。当用水量回到低用水量带时，变频器又
