赵丹，鱼展，刘少刚，舒海生，张驰航

哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

三菱变频器与工控机的网络通讯控制研究

赵丹，鱼展，刘少刚，舒海生，张驰航

哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

针对变频器控制面板操作复杂，专业化要求较高且无法实现实时控制的问题，建立了基于RS485串行通信接口的三菱变频器网络控制系统。采用三菱变频器专用通信协议实现工控机对变频器的启动、状态监测以及对变频器内部参数的读写。以速度控制为例，给出了基于RS485进行串行通讯控制的解决方案。实验结果表明，该方案可以实现电机在工作过程中的平滑无极调速，调速精度小于 ±0．2%。

三菱变频器；RS485；网络控制；转速控制；转矩控制

随着变频调速技术的发展，变频器在自动化生产以及工业试验平台中取得了广泛的应用［1-3］。变频器的控制面板，人工操作比较复杂，专业化要求高，并且在计算、数据处理和数据保存等诸多方面存在弱点［4-5］。另外，对一些需要频繁启停的试验平台，采用操作面板对变频器进行参数设置或启停操作非常不便，因此，为了简化变频器操作过程、降低人员的专业化程度以及实现对试验平台的全自动化操作，研究工控机与变频器之间的通讯控制具有相当重要的意义。

目前，国内外大多数变频器公司推出的变频器都带有RS485串行通讯接口，为用户通过工控机控制变频器提供了条件［6-10］。三菱FR-A740系列变频器由其经济、可靠的现场级网络，已经在工业控制领域得到了广泛的应用。因此，本文主要研究基于RS485串行通信接口的三菱变频器网络控制系统，采用三菱变频器专用通信协议实现工控机对变频器的启动、状态监测、控制模式变更以及对变频器内部参数的读写。

1 控制系统结构

控制系统结构简图如图1所示。

图1 控制系统结构

系统结构分为两层，分别为监测控制层和执行层。工控机作为监测控制层，具备对系统的监测和控制功能。其一方面对变频器进行控制，另一方面将现场信息（如：转速转矩传感器的测量信号和变频器的电压、电流、输出频率以及报警等）传达给工控机。而变频器作为执行层，将工控机下达的指令执行，进而实现对电机的速度控制和转矩控制。

2 硬件设计

根据系统要求选用三菱FR-A740高性能矢量变频器，其在闭环时可进行高精度的转矩、速度、位置控制并有强大的网络通讯功能。硬件设备如图2所示。

图2 试验设备硬件连接图

本系统所用的三菱FR-A740变频器的通讯接口就是RS485的形式，它采用的是全双工RS485（共有4根数据线，接收和发送分开进行），与工控机上的RS485接口相连，提高串口通信的传输距离和速度，保证信号传输的准确性。其结构原理图如图3所示。

图3 工控机控制的变频调速原理接线图

3 软件设计

3．1 控制及监测界面设计

根据事先设定的工控机与变频器通讯软件设计流程，系统的运行控制及状态监测的LabVIEW界面如图4所示。其主要包括串口设置、控制模式、参数写入、运行状态监测和运行参数监测。其中串口设置的波特率为19 200 bit／s，数据位为8位，采用偶校验，停止位为1位；控制模式中网络模式是用来切换变频器从PU模式或外部模式到网络模式，监测曲线用来监测电机的各个参数的运行曲线，当网络模式切换完成后则可以实现实时的控制电机的正向、反向速度或者转矩、自由停车和故障复位；参数写入是将转速、转矩的指令代码写入变频器，使其按照设定速度启动；运行状态监测主要是监测电机的运行和速度转矩的显示值；运行参数监测主要是监测电机运行时的电流、电压、频率以及电机就绪、运行、停机、故障和报警的状态显示。

图4 试验台的运行控制及状态监测界面

3．2 通讯协议

本实验主要采用三菱变频器协议，进行上位机与变频器的通讯，通讯形式以ASCII码（16进制）进行，其通讯步骤如图5所示。

图5 三菱变频器专用协议与计算机通讯步骤

步骤A为计算机向变频器发送要求数据；步骤B为通讯等待，根据数据位的长短决定；步骤C针对发送给计算机的数据要求，从变频器返回数据；步骤D为等待变频器处理时间；步骤E是变频器反馈数据C，是输送从计算机发送的反馈信息。

三菱变频器的自身协议规范了RS485数据通讯的格式规范，数据从计算机向变频器的所有数据都是以ASCII码的形式发送，其发送通讯要求数据如表1所示。表1内数据的通讯格式均为16进制，数据在计算机和变频器之间自动的使用ASCII码进行传输。

表1 变频器向计算机发送通讯要求数据格式

现在以计算机和变频器的通讯常用格式为例，来说明变频器和计算机之间的通讯，其格式如表2所示。表2中的求和校验＝变频器站号＋指令代码＋等待时间＋数据。计算出求和校验的结果，取低字节的内容，转换为2位的16进制ASCII码，其中等待时间为H30，CR／LF为H0D。

表2 变频器向计算机发送通讯要求数据格式

3．3 变频器通信参数设置

工控机与变频器通讯，工控机一侧不仅要设置相应的通讯参数，如通讯地址、波特率、数据位、停止位，变频器一侧也有一些参数需要设置，具体的设置参数如表3所示。

表3 变频器通信参数的设置

4 变频器与工控机通讯控制实例与验证

三菱变频器与工控机的通讯控制包括参数的写入和读取。参数写入包括运行频率、运行指令、参数、变频器复位等。读出参数类型包括监视参数和运行参数。下面以对变频器写入运行频率和转矩参数，直接实时改变电机的转速及转矩为例，来说明该通讯协的具体应用。根据现场控制精度需要，变频器选用矢量控制模式［11-12］，并与带有PLG的电机进行配合使用。

4．1 速度控制

速度控制是根据变频器的改变电机的频率来改变电机的速度，通过运行指令和频率指令来控制电机的启停。PLG此刻主要和变频器构成一个速度闭环，使交流电机的控制精度得到很大提高。

4．1．1 速度控制的写入

频率与电机的速度为线性关系，电机的写入速度为ni，电机的额定速度为nn，实际的写入变频器中的频率为fw，带入式（1）即可得到向变频器内部写入的时的频率值，频率的单位为0．01 Hz。

例如，设定电机的额定速度为 750 r／min（50．00 Hz时电机所对应的频率），当设定电机的转速为375 r／min，可以得到写入的频率。通过式（1）可得实际写入的频率为25．00 Hz。

频率写入指令为HED，频率值H09C4，求和代码为H30＋H30＋H45＋H44＋H30＋H30＋H39＋H43＋H34＝H1F9，取低位HF9转换为16进制的ASCII，写入后变频器返回值为06 30 30 0D，表示接收正常。但是变频器只接收频率指令，无法启动电机，还需要发送电机的启动方式。运行指令的写入为HF9，正向速度控制指令写入值为H0002。综上，频率指令的写入格式如表4所示，启动指令的写入格式如表5所示。当2条指令写入后，电机将按照设定的速度正常启动。

表4 速度控制频率指令写入

表5 速度控制启动指令写入

4．1．2 速度的读取

速度的读取也是通过读取频率来实现的，其频率是变频器通过监测当前的输出电流电压，根据自身的模拟算法推算出矢量控制时变频器的输出频率。其中nr为电机的当前速度，frc为读取变频器的实际输出频率的十进制数，其转换公式如式（2）所示。

例如，当通过速度读取指令得到的返回值为30 39 43 34，即频率值为H09C4，转换为10进制数是2500，则实际运行频率为25．00 Hz，因此，带入式（2）可得电机当前的运行速度为375 r／min。变频器的读取指令如表6所示，变频器的返回指令如表7所示。

表6 频率读取指令

表7 变频器的返回指令

4．2 转矩控制

转矩控制是为了保证产生的电机转矩与设定的转矩指令值相匹配，当电机的输出转矩大于负载转矩时，电机将会加速。因此，为了防止出现过速度，应该设定速度上限值，以避免电机的速度过度上升。

4．2．1 转矩控制的写入

由图6分析知，转矩的控制大小是根据电机额定转矩的大小来调节的，变频器可以输出的最大转矩为额定转矩的－400%～400%，在参数Pr805的参数写入过程中，是以 1 000%为转矩的写入零点，大于1 000%即为驱动转矩，小于1 000%即为制动转矩。而转矩模式的写入是根据运行指令标志位里面的MC端子置ON来控制的。输入转矩值为Ti，电机的额定转矩为Tn，因此可得变频器写入的驱动转矩为TD，其转换如式（3）：

制动转矩为TB，其转换如式（4）：

设定变频器的输出驱动转矩为电机额定转矩的50%，即写入的变频器的数据为30 34 31 41，转矩的写入指令如表8所示，启动指令写入如表9所示。

图6 Pr805（或Pr806）参数的设置

表8 转矩指令写入

表9 转矩启动指令写入

4．2．2 转矩的读取

转矩的读取和转矩的写入模式不同，是将电机的额定转矩设为100%，按照百分比进行读取的，读取值得单位为0．1%。转矩的读取通过两步完成：首先，给状态监视器命令HF3，转矩读取的数据为H07；然后，写入读取命令H72，即可读取当前的转矩值，Tr为电机当前转矩值，Trc为读取变频器转矩的十进制数，读取的转换如式（5）：

写入状态监视器代码和转矩读取指令代码如表10和表11所示，通过相应的计算即可得到电机当前运行的转矩值。

表10 写入状态监视器

表11 转矩读取指令

4．3 速度控制实例验证

在图2所示的变频器中分别对电机的容量、极数、工频、额定电压等电机参数进行设置，根据上位机的通讯界面配置变频器的各项通讯参数，本次采用的是三菱变频器自身的通讯协议。为了保证整个系统的通讯正常，还需要设定电机的上限频率、下限频率、加速时间和减速时间等相关参数。

上述参数设定后，切换变频器为网络通讯模式，即可通过上位机界面下发速度控制指令，进而实现变频器对电机转速的实时控制，同时上位机对变频器和电机的运行状态进行监测。另外，为测量电机的实际转速，在实验前，将测速传感器安装在电机输出轴端。实验现场的测量数据如表12所示。表12中设定转速为上位机发送的速度指令，输出频率为频率读取指令的返回值，测量转速为测速传感器的测量值。

表12 变频器通信参数的设置

据表12数据分析可知：测量转速与设定转速的最大误差为0．12%，表明矢量控制模式下，变频器能够实现对电机速度的精确控制。输出频率为三菱变频器频率读取指令的返回值，与变频器矢量控制模式下的电机转速对应；电机在实验过程中，由于未加负载，故轴端输出扭矩在100～700 r／min速度下的值变化不大。

5 结束语

本文通过RS485串行通信接口和三菱变频器专用通信协议，来实现工控机与三菱变频器的通讯。基于LabVIEW建立了良好的人机交互界面，通过上位机界面更改变频器的控制模式，监测变频器的运行状态，设置变频器的参数，进而实现变频器对电机的远程控制。工业现场实验及测试表明，矢量控制模式下，变频器能够对电机实现一定范围内的精确控制，满足一般控制系统的要求。

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The research of Mitsubishi inverter and IPC network control system

ZHAO Dan，YU Zhan，LIU Shaogang，SHU Haisheng，ZHANG Chihang
College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Aiming at the complex，specialty requirements and unfulfillable real-time control of a frequency changer，the Mitsubishi inverter network control system based on RS485 serial communication interface was established．Mit-subishi inverter communication protocol was used in inter-process communication（IPC）to drive control panel star-tup，monitor status，as well as read and write to the inverter internal parameters．Speed control and torque control application case were given based on RS485 serial communication and control solutions．The results show that the smooth stepless speed regulation can be realized during the working process and the precision is less than±0．2%．

Mitsubishi inverter；RS485；network control；speed control；torque control；IPC

TP368．1

A

1009-671X（2014）03-0031-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201308006

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009-671X．201308006．html

2013-08-15．

日期：2014-06-05．

中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（HEUCF120704）．

赵丹（1978-），女，讲师，工学博士；

鱼展（1989-），男，硕士研究生．

赵丹，E-mail：zhaodan＠hrbeu．edu．cn．