《利用51单片机生成SPWM波形》由会员分享，可在线阅读，更多相关《利用51单片机生成SPWM波形（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于单片机和SPWM技术的电动机节电器研究文章发表于：2007-10-23 22:00摘要：本文针对连续周期工作制下电动机的运行特点，提出了基于单片机和SPWM技术实现的节电方案，并详细描述了系统硬件和软件的设计，最后给出实验 效果。关键词：单片机；SPWM；电动机；节电器研究1引言电动机拖动是现代生产领域的主要动力来源，它在各类机器设备中应用最为广泛。对于降低劳动者的工作强度，提高产品质量和生产效率发挥了不可替代的 作用。随着经济发展和社会进步，用于满足企业动力需求的电能消耗逐年增长。在竞争环境下，以满足需要为前提，尽可能节约用电己成为企业降低成本的重 要措施。同时，出于环境和资源保护，社会
2、也正呼唤节约型的用电设备。在一些劳动密集型行业，如服装加工、工艺品制作等，通常采取单人单机作业，人工 操作与机器加工交替进行。设备上的电动机以全电压方式连续运行，在离合器的控制下时而空载时而带载，工作效率很低。本文介绍的节电器正是面向这样的 对象，体现了既满足需要又节约用电的设计理念。2原理方案各种生产机械，负载性质一般可归为连续、短时及断续周期三类工作方式中的一类。不同工作制的负载选配的电动机是不同的，电动机也相应地分为连续、 短时、断续周期三种定额以满足不同性质的负载需要。我国把周期工作制分为两类，一类是上述提到的断续周期工作制，还有一类为连续周期工作制。连续周 期工作制的特点是：电动机以
3、额定电压连续通电，负载作周期性变化，每个周期由短时额定功率与短时空载功率组成。在电动机选配时，通常将连续周期工作 制视为连续工作制来处理。以连续工作制的电动机来驱动周期性变化的负载只是着眼于满足生产需要，拖动系统的运行效率不高。而这样的生产设备却大量存 在，这就为利用计算机技术、电力电子技术采取节能措施留下空间。三相异步电动机空载运行时，输入电动机的功率用来补偿定子铜耗、铁耗和机械损耗。定子铜耗和铁耗与电压大小有关，与端电压的平方成正比。机械损耗 仅与转速有关，转速越高机械损耗越大。因此可以采用单片机对电动机的运行状态进行实时监测，通过电力电子装置控制输入电压来进行功率配给。在电动机 空载运行
4、时，大幅度降低输入电压，从而降低电动机定子铜耗和铁耗。降压时电动机的转速也降低，机械损耗相应减少。电动机带负载运行时，则在额定电压 允许的波动范围内适当降低输入电压。这样，根据电动机负载变化实时调整输入电压以实现节能，并没有以损害电动机的寿命为代价，只是挖掘了电动机以连 续周期工作制运行时不必要过量耗能的那部分潜力。本文的节电器是根据上述原理制成的，结构框图如图1所示。它以AT89C51单片机为控制核心，外围电路主要由信号输入环节、电源逆变环节和状态指示 环节构成。欢迎访冋Kttp: J/vh-k. Sliai a. com图1结构框图3硬件设计节电器以AT89C51单片机为主机，其硬件结构如
5、图2所示，在设计上归结为三个主要方面。首先是输入电压、电流信号的采集，其次是电动机交一直一交 电源系统中逆变器的触发脉冲控制，第三是相应的单片机I/O接口的分配。烦迎访问ht tp: /www. 51kaia. com卄FIIi :r4 2FICSCLETL C0:32 j；iQCHI LICHOZlPH；.2FHj.-2PH1.-2PH2.-1 FHl.-lIOcsWR ALE STIIC n-iHir：rT CLKOUTSTA1J. CLIJ：GTPTTE 沁帚那迹TJLESGLE452OAI3J.C5 Mi P2 了 WE ALE Pl JO Pl 2 ZULZFl .1Pl 3REST
6、E +JUPl.7PlrfP2j6Pl.4P15+5V图2硬件结构图在信号输入环节，电动机电源的电压和电流由互感器变换到二次侧，经过放大、整流和跟随，分别由TLC0832的INO和IN1通道完成A/D转换。TLC0832 是8位串行控制模数转换器，它有可多路选择的双通道，使用三根信号线与单片机联络。CS和CLK为片选信号和时钟信号端口，分别由单片机的P2.6和P1.6 端口进行控制。DI为多路地址输入端，DO为转换数据串行输出端，DI和DO端的操作在时序上可以分开，因此可用一根线连接到单片机的P1.7端口。三相逆变器所需的6路触发控制信号，由SLE4520芯片产生。该芯片是一种可编程三相PWM
7、集成电路，与单片机配合使用能将三路8位数字转换成三路脉 宽调制信号，形成三相SPWM波，驱动三相逆变器。SLE4520的CS、WR、ALE和POP7端分别与单片机的P2.7、WR、ALE、PO端口对应相连，其功能 是将单片机的命令或数据送入SLE4520芯片。其晶振频率输出端CLK0UT和复位端RES分别接单片机时钟信号的输入端XTAL2和RESTE端，使两者保持同 步，保证在开机时以相同的状态开始工作。SLE4520的启动通过SYNC端口由单片机的P1.0端口进行控制，其6个输出端分别经驱动电路控制逆变器U、V、 W三相的上、下桥臂开关器件。SLE4520的SPWM信号输出一方面受INHIB
8、IT引脚控制，另一方面受CLEAR STATUS和SET STATUS两个引脚控制。前者 为正常工作控制，接单片机的P1.2端口，后者为故障保护控制，CLEAR STAUS和SET STAUS分别接单片机的Pl.l、P1.3端口。4软件设计为确保逆变器的输岀为电压可调的三相工频电源，在控制算法上采用双极性调制等面积法生成SPWM波。将一个正弦波周期分成相等的区段，区段个数S 保持为6的倍数。S愈大，逆变器输岀愈接近正弦波，每个区段用若干等宽脉冲来等效。脉冲周期T由逆变器输岀电源频率f、区段数S和每个区段的脉冲数N 共同决定，其关系为f=l/(SNTxlO-6)。脉冲宽度Tw由区段数S、区段宽度
9、(cotl-et2)，脉冲周期T、逆变器输入直流电压Ud和输出正弦波幅值Um共同决定， 其关系为Tw=(T/2)* 1+ (UmS) /(2 Ud)(Cosetl-Coset2)。脉冲周期T由AT89C51内部定时器TO来定时，脉冲宽度Tw由SLE4520中的8位减法计数器 来定时。SLE4520采用12MHZ晶振，设定计数器分频比例为1:12，则脉冲宽度Tw即为SLE4520计数器的定时初始值。由于S个区段在各自的范围内是由等宽脉冲构成的，但不同区段间的脉冲宽度是相异的。因此，对应于给定的逆变器输电压Um和固定的工频，由上述两个 约束关系求得S个脉冲宽度的定时初始值后，依次序存于RAM区中。
10、设定这个脉宽序列表作为U相的输岀值，根据三相对称关系，将U相的地址指针向后移 S/3和2S/3个单元，查得的值即分别为W相和V相的输出值。单片机软件系统主要由主程序和中断服务程序组成，采取模块化结构的设计方法，程序流程如图3所示。主程序顺次调用电动机负载情况判断处理、脉冲宽 度计算处理、状态指示处理三个模块。以定时器TO定时中断来确定脉冲周期，中断服务程序执行脉冲宽度定时初始值的发送处理。欢迎访 1司取切:/www. Elkai a. com图3程序流程图在系统开始工作时，首先封锁SLE4520的输出。只有在晶振输出己建立，初始化程序执行后，才能有正确的脉宽调制脉冲输出。因此，在接通电源后，单
11、片 机将INHIBIT端置成高电平封锁输出。而在初始化程序结束后，再将此端口置为低电平允许SLE4520输出。电动机负载情况判断模块以查询方式读取三相电动 机的输入电压值和电流值，以此判断电动机所处的状态。空载时降低电压，减少输入电能；带载时根据电压和电流值的高低适当分配输入的电功率；当发生过 电流时，将SLE4520状态触发器置位端SET STATUS加高电平封锁输出，故障解除后，给复位端CLEAR STATUS输入高电平以解除封锁，开通SLE4520的 输岀。脉冲宽度计算模块负责执行调整电压的指令，按照双极性调制等面积法计算一个周期中U、V、W三相输岀的S个脉冲宽度定时初始值。将存放数据的
12、 单片机片内RAM分为RAM1和RAM2两个区，轮换执行计算和发送脉冲宽度值的任务。中断服务程序模块RAM1区（RAM2区）中U、V、W三相脉冲宽度 的定时初始值分别送SLE4520的U相寄存器，V相寄存器和W相寄存器。然后由P1.0向SLE4520的SYNC端发出启动指令，使PH端输出产生SPWM信号 控制逆变器。5运行效果在服装厂采用电动缝纫机为测试对象，以该节电器接入或旁路两组情况进行对比测量。在电动机空载状态时，接入节电器可节约用电50%左右；在电动机带 载运行时，接入节电器可节约用电13%左右。这个结果深受试用单位好评，表明该节电器在单机作业的劳动密集型企业具有广泛的应用空间。rasZ2j_ti_眄wSi2I MT W仏1WCMnrix nrixa3iiaiIT乙$fTMlT0STtpJfIYKLA2拝J斗s.ssarnh0115 aAIMI wS9JV9crhr r*vlpwI MI1Jo Id二uVL-ar*、:、 、r-，Jbs ;nr诫乐II |e* wi 0丄L：鼻口 * J5o d&EJ4JL=：=9 S：pMM一 A T X 0 P
