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變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的微機(jī)控制

摘 要：介紹了用 8501 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及單片機(jī)控制程序框圖。在系統(tǒng)中，8501CPU 產(chǎn)生三相交流調(diào)頻控制信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后，輸送到逆變主橋路，實(shí)現(xiàn)恒壓調(diào)速。

　　1 前 言
　　供水系統(tǒng)的動(dòng)力，通常優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)中，水的流出量是隨用戶用水需求變化而變化的，傳統(tǒng)的控制方法是調(diào)節(jié)風(fēng)門。隨著電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速方法在恒壓供水控制系統(tǒng)得以應(yīng)用，這不僅大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，而且也有效地解決了這一問題，減少了能源浪費(fèi)。
　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　2．1 原理
　　壓力傳感器將總水管的水壓變換為電信號，經(jīng)放大器放大、 D/A 轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)對 D/A 轉(zhuǎn)換值進(jìn)行 PID 運(yùn)算處理，進(jìn)而控制變頻器的輸出頻率。當(dāng)水壓低于給定壓力時(shí)，變頻器的頻率增加；當(dāng)水壓高于給定壓力時(shí)，變頻器的頻率減小。這種變化，直至水管壓力與給定值相當(dāng)。
　　2．2 硬件結(jié)構(gòu)
　　如圖 1 所示。恒壓供水系統(tǒng)的動(dòng)力通常都使用三相異步電動(dòng)機(jī)，其三相交流電源通過半控全波整流電路整流成直流，再經(jīng)逆變器逆變獲得。電源頻率的大小取決于大功率晶體管的導(dǎo)通頻率。改變晶體管基極的控制信號，就可以很容易地改變?nèi)嚯娫吹念l率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。
　　

　　圖 1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
　　8501 是高檔 8 位單片機(jī)，它留有 P0、P1、P2、P3　4個(gè) I/O 接
　　口， 內(nèi)部有256B RAM、4KB ROM和 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器與 5 個(gè)中斷源。系統(tǒng)把Ｐ0.7～Ｐ0.0作為系統(tǒng)運(yùn)行壓力與給定
　　壓力信號差輸入端，把

作為外部中斷源的請求信號，把 P1.3 ～P1.7 作為單片機(jī)的輸出端。P1.3～P1.5輸出信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)器電路放大，用于控制逆變電路中大功率晶體管的通斷；P1.6～P1.7輸出信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，用于控制晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通。
　?。玻场?軟件結(jié)構(gòu)
　　為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其程序
　　包括１個(gè)主程序模塊、３個(gè)中斷服務(wù)子程序模塊和 １ 個(gè) PID
　　調(diào)節(jié)子程序模塊。
　　2.3.1 主程序框圖
　　主程序框圖，如圖 2 所示。

　　2.3.2 程序各模塊功能
　　2.3.2.1 主程序模塊
　　主要用于單片機(jī)初始化和水管壓力信號的采集及處理等。
　　2.3.2.2 INT0中斷程序模塊
　　主要用于啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)變壓器次級交流電壓信號 V2由負(fù)到正過零時(shí)，此信號連至 CPU 的 INT0 端，CPU 響應(yīng)外部中斷，執(zhí)行 INT0 中斷服務(wù)程序，啟動(dòng) T0 計(jì)數(shù)。
　　2.3.2.3 T0中斷程序模塊
　　用于控制半波整流電路中晶體管的移相角 a 變化，改變電路所加直流電壓大小。
　　2.3.2.4 T1中斷程序模塊
　　用于控制逆變電路中大功率晶體管的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間，改變電動(dòng)機(jī)交流電源的頻率。
　　2.3.3 軟件編制過程中的兩個(gè)關(guān)鍵問題
　　2.3.3.1 T0初始值的設(shè)置
　　已知電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 nN ，當(dāng)供水系統(tǒng)在額定流量QN、額定水管壓力 Pg 時(shí)，則要求供給電動(dòng)機(jī)的直流電壓 Ud=0.9.U2.cosa為定值。又知 U2=220V，則 a 為定值。按照我國目前使用的單相交流電源頻率大小，不難推算，Vg1 離交流電源過零點(diǎn)的時(shí)間a/∏×0.01,T0的初值為216 - （a/∏×0.01）(2×10-6) 。當(dāng)定時(shí)器 T0 溢出時(shí)，CPU經(jīng)Ｐ1.7發(fā)出控制信號Vg1，使 VT1 導(dǎo)通。 Vg1產(chǎn)生半個(gè)周期（即T/2=0.01s)后，產(chǎn)生 Ｖg2。為保證這一時(shí)間差實(shí)現(xiàn)，就需要對T0重新賦初值216-0.01/(2×10-6)。當(dāng)T0再次溢出時(shí)，CPU經(jīng)P1.6發(fā)出控制信號Ｖg2，使 VT2 導(dǎo)通。這樣 VT1、VT2 輪換導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)半控全波整流。
　　2.3.3.2 T1初始值的修改
　　T1 初始值 X1 的設(shè)定，決定著變頻電源的頻率 f ，其關(guān)系可表示為（ 216 – X1）×（ 2×10-6）= 1/3f 。而變頻電源的頻率由水管壓力與給定壓力的信號差決定。單片機(jī)根據(jù) PID 運(yùn)算結(jié)果，確定 X1 =216 –[1+( PID運(yùn)算結(jié)果 - 給定值）· k］/（6×10-6˙f）。這樣，反復(fù)循環(huán)，直至水管壓力與給定值相同。
　　3 結(jié) 論
　　以 8501 CPU 為核心的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)，控制靈活，調(diào)速方便，且節(jié)水節(jié)電效果顯著。同時(shí)，消除了原有系統(tǒng)供水管網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的超壓現(xiàn)象，有利于減小管網(wǎng)、閥門等損壞的可能性，延長供水管網(wǎng)的壽命，在生產(chǎn)中有很廣泛的推廣價(jià)值。