基于RS485的单片机和变频器通信控制多电机研究

２０１３年１１月　机床与液压　ＮＯＶ．２０１３　第４１卷第２２期　ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｖｏ１．４１　Ｎｏ．２２　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．２２．０４９　基于ＲＳ４８５的单片机和变频器通信控制多电机研究　胡建国，罗勇武　（顺德职业技术学院机电工程系，广东佛山５２８３３３）　摘要：在控制器与驱动器之间采用通信控制方式是机电装备控制技术的发展趋势。为了开发基于ＲＳ４８５通信技术的多　台异步电机变频调速控制系统，以ＳＴＣ８９Ｃ５１系列单片机为控制器，以松下ＶＦＯＣ变频器为驱动器，设计了控制系统的硬件　结构，分析了通讯协议ＭＥＷＴＯＣＯＬ．ＣＯＭ并设置了变频器的相关通讯参数，开发了单片机通信控制程序，并应用于多台风　机的同步控制中。实践证明：该控制技术具有接线简单，控制准确、扩展方便以及成本低廉的特点。　关键词：单片机；变频器；ＲＳ４８５；通信控制　中图分类号：ＴＭ３４３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１３）２２—１３９—３　Ｍｕｌｔｉ．ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｙ　ＳＣＭ　ａｎｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＲＳ４８５　ＨＵ　Ｊｉａｎｇｕｏ．ＬＵＯ　Ｙｏｎｇｗｕ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｕｎｄｅ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｆｏｓｈａｎ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５２８３３３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ｒｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｅ—　ｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｖａｒｉａｂｌｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉ—ｍｏｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＲＳ４８５，ａ　ＳＴＣ８９Ｃ５１　ＳＣＭ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　Ｐａｎａｓｏｎｉｃ　ＶＦＯＣ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄ—　ｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ　ＭＥＷＴＯＣＯＬ—ＣＯＭ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ．Ｔｈｅ　ＳＣＭ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ　ｆａｎｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｅ　ｗｉｉｒｎｇ，ｈｉｇｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｃ—　ｃｕｒａｃｙ，ｇｏｏｄ　ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＣＭ；Ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＲＳ４８５；Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　当前，在机电装备控制系统中，控制器与驱动器　松下ＶＦＯＣ变频器上有一个采用ＲＳ４８５通信协议　之间采用通信控制方式是发展趋势　。如在多台异　的接线端口，用于与上位机进行通讯连接，实现对变　步电机的变频调速控制过程中，若采用基于ＰＬＣ的　频器的启动运行控制、频率设定、状态监控以及参数　模拟量控制方式，则存在ＰＬＣ与变频器之间连线相　设置等。通过ＲＳ４８５通信连接，最多可实现３１台变　对复杂、模拟信号易受干扰、变频器扩展不方便、传　频器的同步控制，传送速率有４．８、９．６、１９．２　ｋｂ／ｓ　３　输距离受限制和ＰＬＣ及其Ｄ／Ａ模块价格昂贵等问　种，最大传输距离可达５００　ｉｎ　。　题　。而ＲＳ４８５通信控制方式具有连接简单、抗干　图１所示为基于ＲＳ４８５总线的单片机控制多台变　扰能力强、扩展方便以及传输距离较远的特点　。　。　频器的系统硬件接线示意图。　以多台轴流风机的变频调速控制为任务，以　ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机为控制器，以松下ＶＦＯＣ型变频器　为驱动器，采用ＲＳ４８５串行接口，实现对多台电机　的同步调速控制。　１　硬件结构　ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机串行接口是一个可编程的全双　工串行总线通信接口，该接口通过管脚ＲＸＤ（Ｐ３．０，　串行数据接收端）和管脚ＴＸＤ（Ｐ３．１，串行数据发　送端）与外界通信，该接口可工作在异步通信方式，　图１硬件连接示意图　与串行传送信息的外部设备连接。　图中，Ｄ＋为通信线路正端子，Ｄ一为通信线路　收稿日期：２０１２—１１一ｌ３　基金项目：２００９年度广东省普通高校工程技术研究（开发）中心立项建设项目（ＧＣＺＸ—Ｂ０９０６）　作者简介：胡建国（１９７９一），男，博士研究生，主要从事机电一体化技术方面研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｕｏｈｏｏ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ。　・１４０・　机床与液压　第４ｌ卷　正端子，Ｅ为终端站端子，各变频器只需依次将Ｄ＋　端与Ｄ＋端相连，将Ｄ一端与Ｄ一端相连，然后在终　端站将Ｄ一端与Ｅ端短路，硬件连接非常简单。此　外，ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机通过“运行”、“正转”、“反　转”、“停止”、“设定”、“频率加”、“频率减”和　“保存”７个按键输入指令信号，通过４个八位数码　管和７个ＬＥＤ灯监视运行频率和运行状态信号，通　过ＭＡＸ４８５芯片发送和接收通信数据。　２通信协议与通信参数　２．１通信协议　松下ＶＦＯＣ变频器与上位机之间的通信是遵循松　下电工的专用通信协议ＭＥｗＴＯＣＯＬ来设计与实现　的。通信由主站（上位机）发动，把命令帧发向从　站（变频器），从站以响应帧作答。一个命令或响应　信号只能对一个参数进行操作，指令和应答信号都必　须在一次信息发送中完成。当上位机收到变频器对一　个指令的应答信号后，若再次发出指令信号，变频器　认为是一项新的指令。　该协议中关于计算机的通信协议部分（ＭＥＷＴＯ－　ＣＯＬ．ＣＯＭ）规定的命令帧和响应帧格式如表１　所　示，格式中代码采用十六进制表示，其中，％为标志　字节，ＡＤ为地址码，＃为站号，￥为正确传送标　志，！为错误传送标志，ＢＣＣ为校验码，ＣＲ为结束　码，Ｈ表示高字节，Ｌ表示低字节。　表１　ＭＥＷＴＯＣＯＬ—ＣＯＭ命令帧格式　％　ＡＤ　ＡＤ　指令文本ＢＣＣ　ＢＣＣ　，、。　（Ｈ）　（Ｌ）　＃　代码　代码　（Ｈ）　（Ｌ）　Ｋ　表２　ＭＥＷＴＯＣＯＬ—ＣＯＭ响应帧格式（通信正常）　％　￥篙　蒿：ＬＣＣ　ＣＲ　表３　ＭＥＷＴＯＣＯＬ－ＣＯＭ响应帧格式（通信错误）　ＡＤ　ＡＤ　％　ｆ　错误错误ＢＣＣ　ＢＣＣ　ＣＲ　（Ｈ）　（Ｌ）　代码　代码　（Ｈ）　（Ｌ）　…　遵循命令帧的格式，利用松下ＭＥＷＴＯＣＯＬ－ＣＯＭ　指令和ＶＦＯＣ变频器的通信用继电器和寄存器地址，　可以写出控制变频器运行、正／反转和停止，写入给　定频率，读取输出频率以及其他变频器运行状态的命　令帧。　如当上位机向站号为１号的变频器发送运行指令　时，其命令帧格式为：　％０ｌ＃ＷＣＳ　Ｒ２５００　１　ＣＲ　其中：ＷＣＳ是向位型继电器写入信息的指令代码；　Ｒ２５００是ＶＦＯＣ变频器运行指令继电器地址，１表示　ＯＮ，０表示ＯＦＦ；；ｌ：　表示忽略检验码。　又如当上位机向站号为２号的变频器发送写入频　率（假设为３０　Ｈｚ）指令时，其命令帧格式为：　％０２＃ＷＤＤ　００２３８００２３８　Ｂ８０Ｂ　ＣＲ　其中：ＷＤＤ是向数据寄存器写入信息的指令代码；　ＤＴ２３８是ＶＦＯＣ变频器频率设定寄存器地址，其频率　值的单位是０．Ｏ１　Ｈｚ，即３　０００表示３Ｏ　Ｈｚ，转换为十　六进制并且高低位倒装后即为Ｂ８０Ｂ。　２．２通信参数　为了使通信成功，需要对松下ＶＦＯＣ变频器相关　参数进行设置，主要通信关联参数的设置如表４所　示。　表４　ＶＦＯＣ变频器主要通信关联参数　３通信控制程序　３．１　通信控制程序框图　图２所示为ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机对松下ＶＦＯＣ变频　器实现通信控制的流程图。单片机上电后需要对串行　口控制寄存器ＳＣＯＮ、定时器控制寄存器ＴＣＯＮ等控　制寄存器赋值初始化；初始化完成后进入无穷循环不　断扫描键盘，根据按键信息，激活ＭＡＸ４８５芯片进入　信息发送状态并发送相应指令信息，延时后再激活　ＭＡＸ４８５芯片进入信息接收状态并接收响应信息；单　片机对接收信息数据进行处理后，通过输出电路驱动　数码管和ＬＥＤ灯，显示变频器的运行频率和运行状　态。　上电初始化　控制寄存器赋值　：ｉ￣．Ｘ．Ｗｈｉｌｅ（１）循环　发送指令数据卜磊西　＿叫变频器接收数据　Ｙ　处理接收数据Ｉ　二　数码管显示ｌ　ＬＥＤ灯显示ｌ　＝二二］—一　图２通信控制流程图　第２２期　胡建国等：基于ＲＳ４８５的单片机和变频器通信控制多电机研究　ＴＩ＝０；／／将发送中断标志位ＴＩ置为０　・１４１・　３．２程序实例　通信程序采用在主函数中调用子程序的程序结　ｓｅｎｄ＝０；／／激活ＭＡＸ４８５芯片为接收状态　｝　｝　构，其主函数程序如下所示：　ｖｏｉｄ　ｍａｉｎ（）　｛　ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ（）；／／初始化子程序　ｗｈｉｌｅ（１）　其中，ｔａｂ（）为表示指令信息的字符串变量，　例如上位机向站号为１号的变频器发送运行指令的命　令帧％０１＃ＷＣＳＲ２５００１：ｌ＝　ＣＲ可用如下ＡＳＣＩＩ码形式　｛　ｋｅｙ—ｓｃａｎ（）；／／键盘扫描子程序　ｄａｔｅ—ｐｒｏｃｅｓｓ（）；／／数据处理子程序　ｌｅｄ—ｄｉｓｐｌａｙ（）；／／ＬＥＤ灯显示子程序　ｄｉｇｉｔａｌ—ｔｕｂｅ（ｑｉａｎ，ｂａｉ，ｓｈｉ，ｇｅ）；／／数码管显示子　程序　｝　｝　单片机向变频器发送指令是通过在键盘扫描子程　序中调用数据发送子程序实现的，具体程序如下所　示：　ｖｏｉｄ　ｋｅｙ—ｓｃａｎ（）　｛　ｉｆ（！ｋｅｒ６＆ｋ６＆！ｓｅｔｋ７）／／按键６是否按下　｛　ｓｅｔｋ６＝１；／／按键６按下标志　ｓｅｎｄ—ｄａｔｅ（ｔａｂ，１７）；／／发送电机运行指令　｝　｝　其中，ｓｅｎｄ—ｄａｔｅ（）为激活ＭＡＸ４８５芯片进入　信息发送和接收状态的数据发送子程序，如下所示：　ｖｏｉｄ　ｓｅｎｄ—ｄａｔｅ（ｕｃｈａｒ　ｎｎｎ（），ｕｃｈａｒ　ｎｎ）　｛　ｕｃｈａｒ　ｉ；／／定义局部无符号整型变量　ｓｅｎｄｉｎｇ＝１；／／正在发送中标志　ｓｅｎｄ：１；／／激活ＭＡＸ４８５芯片发送　ｆｏｒ（ｉ＿０；ｉ＜ｎｎ；ｉ＋＋）／／发送过程　｛　ｓｅｎｄ＝１；／／激活ＭＡＸ４８５芯片为发送状态　ＴＩ＝０；／／将发送中断标志位ＴＩ置为０　ＳＢＵＦ＝ｎｎｎ［ｉ］；／／发送对应ｉ位数据　＿ｎｏｐ（）；／／用于占用时间的空指令　ｗｈｉｌｅ（！ＴＩ）；／／等待发送中断标志位ＴＩ置为１　的字符串变量表示：　ｕｃｈａｒ　ｃｏｄｅ　ｔａｂ［］＝｛　０ｘ２５，０ｘ３０，０ｘ３１，０ｘ２３，０）【５７，０ｘ４３，　０ｘ５３，０ｘ５２，０ｘ３２，０ｘ３５，０ｘ３０，０ｘ３０，　０ｘ３１，０ｘ２ａ，０ｘ２ａ，０ｘＯｄ，０ｘ０ａ　｝／／电机运行指令　该程序已被成功用于分散布置的多台轴流风机的　远程变频调速控制系统中。　４结论　通信控制方式正成为机电装备控制技术的发展趋　势。以成本较低的ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机代替ＰＬＣ为控制　器，采用ＲＳ４８５串口通信技术，实现了多台异步电　机的通信控制与变频调速，并应用于多台风机的调速　控制中。实践证明：该技术具有接线简单、控制准　确、扩展方便以及成本低廉的特点。　参考文献：　【１】王彦，左为恒，李昌春．基于变频器和ＰＬＣ的四辊轴交　流传动控制系统设计［Ｊ］．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