单片机变频调压技术在水文缆道上应用

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1、单片机变频调压技术在水文缆道上应用　　【摘要】缆道测流是水文测验的主要方法之一。目前普遍采用的直流电机可控硅调速模式虽然技术简单，但存在着成本高、故障多、维护困难等问题。以SPWM法结合单片机技术，实现交流电机的调频调速，不仅提高了效能、降低了成本，而且解决了缆道负荷突变问题，提高了缆道的保障率及操控性。特别是缆道测流中起点距定位、测点定位问题得到了很好解决，进而为实现全程自动测流奠定了基础。经试验，调速效果良好。【关键词】缆道测流；SPWM法；单片机；调频调速1.调频调速的基本原理1.1交流调速的基本概

2、念交流调速方法是基于脉宽控制（PulseWidthModulation）技术，即利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变为脉冲列，并通过控制电压脉冲的宽度或周期达到变压目的，或者控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期达到变压变频的目的的一种控制技术，即PWM控制技术。SPWM法（SinusoidalPulseWidthModulation）是PWM控制技术的一类，也称正弦波PWM法[1]。它从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。8本文采用的是SPWM法中适于单片机实现

3、的实时计算法，其数学模型基于不对称规则采样法。1.2不对称规则采样法[1]如果既在三角波顶点位置又在底点位置对正弦波采样，由采样值形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个三角波的周期内的位置是不对称的，因此这样的采样方法称为不对称规则采样法。原理如图1-1所示。图1-1中主要参数的定义如下：Ur——载波（三角波）幅值Uc——调制波（正弦波）M——调幅比，M=Uc/UrN——载波比，N=T/TtT——正弦波周期Tt——三角波周期Ts——采样周期这里采样周期Ts是三角波周期的1/2，即Ts=T

4、t/2。1.3数学模型的建立图1-1所示为单相不对称采样型SPWM法原理，它相当于三相采样型SPWM法的一相，由单相不对称采样法的数学模型可导出三相采样型SPWM法U、V、W三相的数学模型[2]为：当k为偶数即顶点采样时有：2.开关器件特性与模型参数处理8式（1-1）及式（1-2）建立的数学模型涉及两个重要参数M、N，它们与所选定的开关器件的特性以及预先设计的输出电压和输出频率的关系曲线（u/f曲线）有关。2.1开关器件的开关频率fr与载波比N及输出频率f的关系受开关器件的开关频率允许值的影响，载波比N是

5、随频率f分段变化的[2]。半导体开关器件有一个工作频率。为了得到稳定的PWM波形，并在调频过程中使开关器件限制在其工作频率范围内，可以通过设定不同的载波比N来实现，如果输出频率f高N值就小，反之，输出频率f低N值就大。对于已选定的开关器件，其f～N为确定关系。2.2调幅比M与输出频率f的关系确定根据负载要求，可预先制定输出电压和输出频率的关系曲线[3]（u/f曲线）。不同性质的负载所要求的u～f曲线形状是不同的，线性曲线可用数学表达式确定u～f的关系。对非线性曲线则采用傅立叶级数分析。以线性u～f关系为例

6、，由f及u/f曲线表查得相应的u值，计算出相应的，则频率为f时：3.单片机实现SPWM控制时的量化方法3.1单片机选型8单片机是将构成微型计算机的各功能部件集成在同一块大规模芯片上的电路芯片，具有使用灵活、控制功能强等特点[4][3]。其产品类型繁多，本文选择STC12C5410AD型[6]。它是一时钟周期/机器周期（简称1T）的8051单片机，具有集成的4路可编程计数器阵列（PCA）/脉宽调制（PWM）模块及10位高速模数转换器（ADC）模块，可以实现交流调频调速功能。3.2参数量化处理参数量化的目的就

7、是根据选定的单片机机型和开关器件参数，确定不对称规则采样法数学模型中的几个参数。（1）采样周期Ts的量化处理采样周期Ts由单片机的PCA/PWM功能的16位软件定时器模式定时。PCA/PWM定时器的时钟源为fosc/12，有：（4）表格化处理由于单片机计算能力有限，模型所涉及的函数及图形只能转化为相应的表格。①输出频率f。由模型可见，f是M和N的因变量，f经模数转换后成为离散数字量。为了既能保证精度又方便处理，本文将f离散成256个数字量，对应单片机中EPROM中的地址为00H～FFH，由式（3-2）可求

8、得对应的256个R值，将f与对应的R制成表格存入EPROM中备用。②根据式（1-5）可制成M～f表格存入EPROM中备用。8③根据开关器件的特性和f确定N的分段数P，并制成P张正弦函数（）表存入EPROM中备用。3.3PCA/PWM模块设置本文中PCA模块采用的是比较中断机制[6]，其设置如下：模式寄存器（CMOD）的[CPS1，CPS0]位置为[0，0]，使时钟源为fosc/12；ECF位设置为1，允许计数器溢出中断。以u相