基于dsPIC控制的离心机变频调速系统的设计

李小琴

（宁波职业技术学院 电子信息工程系，浙江 宁波 315800）

离心机是将样品进行分离的仪器，广泛应用于生物医学、石油化工、农业、食品卫生等领域，它利用不同物质在离心力场中沉淀速度的差异，实现样品的分析分离。转速调节系统是离心机的核心部分，交流变频调速由于电机免维护和调速范围更宽已逐步取代直流调速。由于市场上缺乏离心机专用的交流变频调速控制器，离心机厂家通常采用通用“变频器+定制人机界面+门锁控制”的方案，存在线路复杂、安装调试麻烦、成本高的缺点[1]。针对该问题开发了基于dsPIC控制的离心机专用交流变频调速系统，拥有调速性能好、线路简单可靠、安装调试方便，性价比高的优点。

1 系统的功能

本系统以dsPIC30F3010为主要核心部件，通过软件编程控制IPM模块FSBB20CH60驱动离心机的交流感应电机进行变频调速，概括起来具有如下功能[2]：

1）采用空间矢量变频调制技术，调速范围为（100～21 000）rpm；

2）具有转差自动补偿功能，转速误差小；

3）具有定时功能，定时范围（1～99）分钟；

4）双窗口LED数码显示时间和转速；

5）基于门开关检测的门锁控制功能；

6）具有欠压、过压、过流等多种保护功能。

2 仪表的硬件结构

本仪表主要由Philips P87C54单片机和外围电路及其相应的软件编程构成，如图1所示。

图1 硬件结构框图Fig.1 Hardware block diagram

本仪表基本上可分为以下6个模块：A/D模块、显示模块、键盘输入、串口通信模块、输出控制模块、电源模块。

文中主要介绍A/D模块、通信模块（MAX232）及键盘输入。

3 关键芯片及技术

3.1 A/D模块

本设计采用了CRYSTAL公司生产的20bitA/D专用芯片CS5513。它是一种低成本、易于使用的Δ－∑A/D转换器，其内部包括一个4阶Δ－∑调制器和一个滤波器。CS5513片上自带振荡器。无需外加时钟源。CS5513的基本参数和特点如下[3]：

1）Δ－∑A/D 转换器；

2）线性误差:±0.0015%FS；

3）无噪声分辨率17位；

4）差分模拟输入（双极性）；

5）参考电压范围为 250 mV～5 V；

6）输出字速率为 16～326；

7）带有片上振荡器；

8）可配置成5 V单电源和多种双电源；

9）采用8脚SOIC塑料封装，可节省设计空间。

原先模拟的高精度仪表数据采集部分使用的是通用的16位双积分式模/数转换器7135，其采集速度慢、外围电路多、线路复杂。现在采用CS5513后，PCB板面积只有原来的五分之一。同时由于是串行接口，因而与单片机的接口非常简单，其采集速度可达到100 Hz以上，采集精度也进一步提高。

本设计的A/D模块的硬件电路图如图2所示。J1接PT100传感器，其与R1的分压和R2与R3的分压差分输入到CS5513 的 Ain+和 Ain-。而 CS（CS5513 的片选）、SDO（串行数据输出）和SCLK（串行时钟输入）接单片机端口。

图2 A/D模块的硬件电路Fig.2 Hardware circuit of the A/D module

A/D转换的步骤如图3所示，先将CS置0这样就可以对CS5513操作了，此时单片机可以根据SDO当前的电平高低来判断CS5513的工作状态，并读取数据，从图3可以看出CS5513的转换结果读取过程十分简单。

图3 A/D转换流程图Fig.3 Flow chart of A/D converter

3.2 RS-232串口通信

单片机与计算机之间的双向RS-232通信的目的是把仪表的温度测量值、设定值及其他参数传到上位机（计算机），上位机通过软件接收数据，并进行更进一步的处理[4]。

单片机通过MAX232转换模块与PC机相连[5]，单片机晶振采用11.0592 MHz，使用T2定时器产生波特率，波特率为9 600 bit/s。数据传送格式为1个起始位0、8个数据位（二进制，最小有效位先发送）、2个停止位1（无校验）。

3.3 键盘设置

仪表的面板上有4个按键SET、<、∧、∨。键盘设置用来设定各种参数，操作起来简单明了。不像模拟表通过电位器来设定温度，操作麻烦。本仪表通过键盘接口的编程把各模块联系起来统一工作。

4 软件设计

由于本仪表采用单片机控制，所以必须需要强大的软件系统支持。本仪表的软件系统由一个主程序和多个子程序组成，图4主程序流程图。

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of main program

仪表的软件系统总的来说由4大部分组成：

1）系统的初始化

包括P87C54芯片本身的初始化，串口、键盘接口、显示模块的初始化。

2）键盘扫描及键盘功能程序

通过该程序可以修改仪表所有参数，可以达到用户所需的要求。

3）数据采集、显示部分

4）PID计算程序及输出控制程序[6]

PID 1秒钟计算一次，每次计算出合理的控制量，以便达到精确控制温度。

5 结束语

随着用户对高精度温度仪表的精度、外观、操作等要求的提高，用本方法设计的高精度温度仪表基本能满足用户的要求，现已经形成产品并大量应用于工业现场。

[1]张琳，严国琦.基于PLC控制的1250离心机变频调速系统的设计[J].电气自动化，2005，27（3）:173-176.ZHANG Lin，YAN Guo-qi.Design of variable frequeney speed-adjusting system of unloading cen-trifuger based on PLCcontrol[J].Electrical Automation，2005，27（3）:173-176.

[2]王飞，刘铁湘.dsPIC30F在交流感应电机磁场定向控制中的应用[J].工业控制计算机，2009，22（7）:93-94.WANG Fei，LIU Tie-xiang.Study of AC induction motor field-oriented digital control[J].Industrial Control Computer，2009，22（7）:93-94.

[3]王洪亮，易宇权，曹苏明，等.串行20位ADCCS5513及其应用[J].微电子技术，2003，31（3）:58-61.WANG Hong-liang，YI Yu-quan，CAO Su-ming ，et al.Serial 20 bit ADC CS 5513 and its application[J].Microelectronic Technology，2003，（3）:58-61.

[4]潘方.RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012，35（13）:69-71.PAN Fang.Application of RS232 serial port in communication between PCand MCU[J].Modern Electronics Technique，2012，35（13）:69-71.

[5]吴兴中，欧青立.一种PC与单片机多机RS232串口通信设计[J].国外电子测量技术，2009，28（1）:74-76.WU Xing-zhong，OU Qing-li.Design of a RS232 serial port communication for singlechips with PC[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2009，28（1）:74-76.

[6]蒋平.一种PID模糊控制器[J].自动化博览，2011（1）:68-70.JIANGPing.A PIDfuzzy controller[J].Automation Panorama，2011（1）:68-70.