1、本科生毕业设计（论文）摘 要在油田生产过程中，常采用掺水方式确保正常生产，随着产能的不断增加和油田大规模开展了低温集输工作，日平均掺水量也在不断下降，并形成了冬季高、夏季低，水量随季节变化大的特点。这样已有的设备使用不足，造成了电能的浪费。因此设计在转油站安装变频设备，通过频率变化控制掺水量大小，来实现节能的目的。本课题进行转油站掺水电机变频调速系统的研究与设计，在该系统中加入注水管网的压力值，构成一个闭环调速系统。采集泵前、泵后压力值和变频装置电压、电流值输送给神经网络，通过非线性模型仿真计算出掺水流量值和电机频率值。根据计算出的掺水流量值和电机频率产生相应的信号来驱动变频器，通过变频来实现
2、调速，达到调节掺水电机转速和掺水流量的目的。通过变频调节达到节能降耗的目的。本课题结合BP神经网络进行数据处理、非线性数据计算。同时还需设计简便的人机控制界面，方便数据的操作和计算，对变频调速系统进行探索性研究。最终实现转油站能根据已有的数据预测掺水流量和压力值，通过预测值来指导调节掺水泵的运行状况，在满足油田生产的请况下降低掺水量和注入压力，实现节能。关键词：SPWM；变频器；神经网络；GUI本科生毕业设计（论文）IAbstractIn the process of oilfield production, blending water is often used to ensure nor
3、mal production. With the increasing oil production capacity and low mass carried out, the average daily transportation in the mixed water decreases, thus the winter is high and the summer is low, the volume of water changes largely with seasons variation. This has caused by inadequate use of equipme
4、nt and waste energy. Therefore the paper studied to equip variable-frequency device at station. Controlling frequency to change the volume of water is to achieve the purpose of saving energy. This topic is to research and study about the system of oil blending of variable frequency speed regulation
5、and adding water disposal system pressure value which constitutes a closed-loop control system. After collecting pump pressure value, variable frequency devices voltage and current to the neural network, non-linear model simulation can be calculated by blending flow value and motor frequency value.
6、According to the calculated values and blending flow produced the corresponding signal frequency to drive inverter, then realize the stepless speed regulation which is in order to save energy through frequency conversion adjusting to the energy consumption. This topic combines BP neural network and
7、non-linear data calculation. Meanwhile it still needs a design about human-machine interface which makes it easy to control and convenient to operate and calculate the data of variable frequency speed regulation system for exploratory research. Eventually the station can be modulated on the basis of
8、 the existing data blending flow and pressure value, with prediction to guide the regulation of mixed operation condition, with meeting the demand of pump oil field production to lower injection pressure and water, realize the energy saving.Key words：SPWM；Inverter ；Neural network；GUI本科生毕业设计（论文）II目 录
9、第 1 章 概 述 .11.1 转油站掺水电机变频调速的背景和现状 11.2 转油站掺水电机变频调速系统设计需求 11.3 本课题研究的主要内容 .21.4 本章小结 .2第 2 章 转油站掺水电机变频调速理论 32.1 转油站调速系统概述 32.2 掺水电机变频调速的控制方式 42.3 调速装置变频方式 52.4 SPWM 控制设计 .5第 3 章 掺水电机调速装置的硬件设计和软件设计 93.1 掺水电机调速装置硬件设计 93.2 掺水电机调速装置软件设计 .143.3 本章小结 .19第 4 章 转油站掺水流量非线性建模 .204.1 掺水流量非线性建模理论 .204.2 掺水流量非线性模
10、型结构 .214.3 基于 BP 神经网络的非线性模型结构的确定 244.4 BP 神经网络的训练 274.5 BP 神经网络的测试 294.6 本章小结 .29第 5 章 转油站掺水流量控制界面设计 .305.1 掺水流量控制界面设计原则 .30本科生毕业设计（论文）III5.2 图形界面设计步骤 .305.3 掺水流量控制界面设计 .315.4 本章小结 .33结 论 .34参考文献 35致 谢 .36附录 1 掺水电机调速装置设计原理图 37附录 2 掺水电机调速装置印刷电路板 39附录 3 MATLAB 计算程序 .40附录 4 数据表 44附录 5 掺水流量非线性建模程序 46附录
11、6 掺水流量控制界面对应的 M 函数 48本科生毕业设计（论文）0第 1 章 概 述1.1 转油站掺水电机变频调速的背景和现状掺水是油田开发中的一种十分重要的开采方式,它可以有效地补充地层能量,在提高原油采收率,确保油田高产、稳产中起到了积极作用。但是油田掺水要消耗大量的电能,在油田开发到中期以后,掺水耗电占油田总耗电的40%以上,而且随着原油含水率的增高,耗电量将急剧增加。据预测,“十五”期间,大庆油田掺水耗电量平均年增长0.7810 8kWh,掺水耗电量已占油田生产总耗电量的45%以上。为了遏制油田掺水耗电量的增长,节能降耗，降低原油生产成本,许多学者开展了这方面的研究 1,2,文献2 中
12、讨论的城市供水系统的优化问题是以泵的排量为优化变量,根据泵的排量选择开泵,不进行泵运行参数的优化,但其研究结果不能准确反映油田掺水系统的实际运行情况,故难以在实际中应用。油田掺水要消耗大量的电能，因此，掺水系统节能降耗已成为油田生产中一个迫切需要解决的问题 3。变频调速作为一种节能的有效途径,是发展的方向，在油田掺水系统中已有应用，节能效果很好。目前，大庆油田采油二厂共有掺水泵百多台，且随着产能的建设不断增加。近几年，采油二厂大规模开展了低温集输工作，全厂日平均掺水量也在不断下降，并形成了冬季高、夏季低，水量随季节变化大的特点。系统实际运行效率仅为3040% ，其损耗电能占总电量的38%以上。
13、为了适应这种工况，采油二厂陆续在一些中转站安装了掺水变频设备，通过频率变化控制掺水量大小，取得了明显的节点效果。目前采油二厂共安装掺水变频设备40套，年节电172.810 4kwh。随着掺水变频设备数量的增加，目前有二个问题亟待解决。一是掺水变频设备控制屏占用空间较大，目前老式中转站已没有安装位置，即在安装地点方面已遇到瓶颈。二是多数转油站掺水没有计量，水量无法准确控制，为保证正常生产，通常采用多掺水，提高泵压的方法，造成电能浪费。1.2 转油站掺水电机变频调速系统设计需求在采油过程中，因为没有明确的流量计量，转油站往往通过多掺水、提高压力的方式来保证产油量，这样造成了电能的极大浪费。根据这种
14、情况和前期的现场调研，结合转油站具体的工况需求，转油站变频调速系统设计和研究该课题主本科生毕业设计（论文）1要分为两部分：掺水泵电机调速装置硬件、掺水流量仿真计算软件。针对掺水变频设备控制屏占用空间较大，老式中转站已没有安装位置这一问题，本课题从变频装置小型化着手研究。掺水流量非线性建模的设计关键是：如何修正变频设备运行带给泵流量仿真值的误差：泵效逐年下降，如何修正掺水泵泵效对泵流量仿真值的误差。在转油站掺水流量控制系统中，由于泵效下降和变频设备运行等原因导致掺水管网压力、水流量和变频设备输出功率之间存在非线性耦合关系，转油站实际工况复杂，来自掺水管道等设备的相关因素对于系统输入、输出关系影响
15、不能忽略，导致系统模型解析度差，近似为灰箱系统，作为具有自学习功能的智能控制算法，人工神经网络是对黑箱和灰箱系统的有力工具。采用变频装置控制掺水泵是一种最科学的控制方法，不仅可以节能，还可实现电机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。本设计就是通过转油站掺水电机的变频调速控制来实现节能。该课题研究如能成功，可为采油厂集输系统节约大量电能。目前采油二厂还有 72 座转油站没有掺水电机调速装置，如果都安装后每年可节电 1.296106kwh。1.3 本课题研究的主要内容本课题根据转油站具体工况从以下几方面进行研究：（1）根据转
16、油站空间有限和具体工况的需要来设计调速装置，实现小型化，满足转油站掺水泵的功率和参数需求；（2）因为转油站掺水电机泵前泵后压力值和调速装置电压、电流值之间存在非线性耦合关系，应用具有很好非线性映射的智能神经网络来建立转油站掺水流量的非线性建模；（3）转油站掺水流量值等数据需要存储和运算，同时也要满足员工的操作需求，需编写转油站掺水流量控制界面程序。通过界面可以了解掺水电机的运行状况、掺水流量和管网压力。1.4 本章小结本章明确了本课题的研究现状、方向和重点，为下一步研究探索指明了道路。掺水电机变频调速系统需从两大方面着手研究，分别为调速装置的设计和掺水流量非线性建模。本科生毕业设计（论文）2第
17、 2 章 转油站掺水电机变频调速理论2.1 转油站调速系统概述在油气集输三级布站流程中，转油站是油气集输三级布站工艺的中间环节，在油田地面生产中承担采出液的气液分离、油水混合液的转输和计量、油井掺水和热洗供液以及天然气分离和计量。转油站掺水电机和离心泵将高温热水经计量间注入井口，掺水电机运行效率直接影响系统的能耗。根据电机学理论，交流异步电机的转速可由下式表示：(2-1)spfn160式中 n 电动机转速；p 电动机磁极对数；f 电源频率；s 转差率；由上式可知：通过调节电源频率可以改变异步电机的速度，实现无级调速。但只变频不变压，会使异步电机的机械特性下降，一种解决办法是设法维持磁通量恒定不
18、变，即设法使(2-2)常 数KfE/这就要求，但电动机调速改变电源频率 时，E 也应该作相应的变化，来维持它们的比值不变。但实际上，E 的大小无法进行控制。由于在阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压 U 很小，如果略去的话，用 U 近似代替 E，调节电压 U，使其跟随频率 的变化，从而达到使磁通量f恒定不变的目的。即(2-3)常 数fEf/变频装置利用电力半导体器件的通断将工频电源变换为另一频率的电能控制装置 ,主要由整流、滤波、变流制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。它能够将电源按给定频率变流后再供给电动机 ,这样电动机的旋转速度就可以自由控制了。另以流体力学原理分析可知:
19、泵类负载的流量与转速成正比 ,本科生毕业设计（论文）3压力与转速的平方成正比 ,轴功率与转速的立方成正比 ,所以只要转速有较小的变化 ,轴功率就会有较大的变化。因此 ,变频调速技术应用于供水水泵还具有明显的节能效果。在掺水管线上安装精密压力传感器 ,将压力信号传送给智能回路调节器 ,调节器在接收到压力信号后采用神经网络算法算出运算结果 ,运算结果形成输出信号去控制变频设备 , 通过变频设备改变频率来驱动水泵电机改变转速 ,从而平滑的调节水流量在一个适当的水平（这里通过控制水泵电机的输出功率达到节能降耗的目的），然后调节泵的出口压力，使压力值满足要求（进一步降低能耗）。最终达到节能降耗的效果,其
20、工作流程如图所示。参数给定 变频设备 电泵调节器 管网压力变送器图 2.1 交-直-交变频原理图2.2 掺水电机变频调速的控制方式异步电动机的转速公式为 ：(2-4)psfn)1(60其中 为交流电动机供电频率，s 为转差率，p 为电机磁极对数，所以改变供f电频率 即可平滑地改变异步电动机的转速。为了使交流电动机供电频率改变自然需要一套变频电源。三相异步电动机的定子每相电动势的有效值为：(2-5)mNgKfE14.其中 为交流电动机的定子频率， 为每极气隙磁通量， 为气隙磁通在1f gE定子每相中感应电动势有效值， 为定子每相绕组的串联匝数， 为基波绕组1 1Nk系数。如果忽略定子压降，则上式
21、可写成：(2-6)mEgfKU1式中 14.NEK；若异步电动机定子供电电压一定时，则主磁通 随着m频率 变化而变化，对异步电动机进行调速控制，希望电动机的主磁通保持额定1f不变。磁通太弱，没有充分利用铁芯，是一种浪费，同样的转子电流下电磁转矩本科生毕业设计（论文）4小，电动机的负载能力下降，磁通太强造成磁路过饱和，励磁电流大大增加，这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，电机过热,更为严重时候会损坏电机。由(2-3)式可知其中主磁通的值是由 gE和 共同决定的，对 1U和1f进行适当控制，就可以使气隙磁通保持额定值不变 3。1f2.3 调速装置变频方式在变频调速系统中，变频装置可
22、以分为“交-交”变频器和“交-直-交”变频器 3。交-交变频装置虽然在结构上只有一个变换环节，省去中间直流环节，但所用元件数量更多，总设备相当庞大。同时交-交变频电路输出频率较低，输入电流谐波含量大，频谱复杂等缺点。交-直-交变频电路先把交流整流为直流，再经过直流环节的滤波后逆变为交流电。交-直-交变频电路输出频率较高，输入电流谐波含量小，功率因数高。在本设计中，转油站变频调速装置采用交-直-交变频变频原理。下图为交-直-交变频原理图。ACDCAC整 流50Hz 逆 变图 2.2 交-直-交变频原理图直流环节2.4 SPWM 控制设计交流异步电动机变频调速时，如果按照频率与定子端电压之比为定值
23、的方式进行控制，则机械特性的硬度变化较小。若采用等脉宽 PWM 调制技术实现变频与变压，由于输出矩形波中含有较严重的高次谐波，会危害电动机的正常运行。为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波，变成信号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即 SPWM 调制波。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异 4。SPWM 面积等效的基本原理时在各采样周期内，均用一个与正弦曲线和时间轴所围面积相等的等
24、高矩形脉冲来等效替代。等面积发的谐波较规则采样法小 56。它具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波等优点。本科生毕业设计（论文）5本科生毕业设计（论文）62.4.1 基于等面积算法的单相 SPWM 产生方法如图 2.1 所示，将图 2.1 a 中整个周期的正弦波分成 N 等份(这里只画出 1/4周期波形)，然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替，即对应同一时间段内矩形脉冲面积与正弦波和横轴所围的面积相等,并且使矩形脉冲的中心时刻与对应段的正弦波的几何平均中心时刻相同 7，从而得到图 2.1 b。可以看出，各脉冲的幅值相等，而且宽度是按正弦规律变化的。根
25、据面积等效原理，PWM 波形和正弦波是等效的 8。这样就得到了脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称为 SPWM 波形。由这种方法产生的波形与用调制法产生的单极性 SPWM 控制方式的波形相同，其控制单相桥的规律也相同。u00u tta)b)umudti 1ti图 2.3 用 PWM 代替正弦波假设希望输出的正弦电压的曲线参数为 ，所用的直流电压为tUymsin,正弦波的频率为 ，角频率为 ，整个波形分成 N 等份，如图 6 所示，dUff2则对于每一个从 到 区间正弦波与坐标轴围成的面积为：it1i(2-1)ittUdiimim ,210/cossn11 (2-2)Tii
26、 ,1因为所用的直流电压为 ，所以逆变桥的输出脉冲幅值为 ，设 为d dUiSPWM 波形对应脉冲的宽度，令此脉冲的面积和对应段的正弦波面积相等,则有：(2-3)NittUiimdi ,210/cos1本科生毕业设计（论文）7(2-4)NiUttUdiimi ,210/cos1对应于正弦段，每 SPWM 脉冲的中心时刻由下式算出：(2-5)iTit ,2/同过(2-1)和(2-2)就可以精确地计算出每一个脉冲的开始时刻、持续时间和停止时刻。把以上的数据用微处理器来处理，输出 SPWM 波形去控制单相桥，就可以得到单相 SPWM 正弦波。2.4.2 基于等面积算法的三相 SPWM 波形的分析对于
27、三相 SPWM 波形，每一相的波形都可以用单极性单相 SPWM 波形来代替，只是在波形上相差 。其各相的 SPWM 的脉冲宽度计算公式如下：3/2(2-6)NiUttUdiimai ,210/cos1(2-7) tiibi 32/cos(2-8)itdiimci ,/cs321三相 SPWM 对应处脉冲的中心时刻相同，由(2-2)式可以计算出来。下面对三相 SPWM 脉冲波形中从 到 的进行详细的分析：如图 2.2 所示，每一组等it1i分宽度为 ，对于中心时刻相同的一组三相 SPWM 脉冲，每个脉冲的持续NT/时间分别为 ， ， ，它们在时间轴上分成 到 共七个区间，在这七aibici1t7
28、个区间的开关状态分别用 0，1，-1 表示，例如 a 相，在图中它的脉冲波形为正，则 0 表示与 a 相对应的桥处于关断状态； 1 则表示与 a 相对应的桥的上半部分开关管处于导通状态，而下半部分的开关管处于关断状态；b 相的脉冲波形为负，其中的-1 表示桥的上半部分开关管处于关断状态，下半部分处于导通状态。如果把 到 的时间长度和对应相的开关状态对应起来，可以得到表 2-1 中的结果(a1t7表示桥上半部分，a-表示桥下半部分，其它相类同)。表 2-1 三相桥开关状态表t t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7a+ 0 0 0 1 0 0 0b+ 0 0 0 0 0 0 0c+ 0 0 1
29、 1 1 0 0a- 0 0 0 0 0 0 0b- 0 1 1 1 1 1 0本科生毕业设计（论文）8c- 0 0 0 0 0 0 0ttt图 2.4 三相 SPWM 波形分析Uda 相ub-UdUducb相c 相t1 t2 t3 t4 t5 t6cibiaiTua000 1-1-1-1 -1 -10 0000 0 0 00 11 10 0 0t72.5 本章小结本章中对转油站掺水电机变频调速系统进行了理论分析。对掺水电机变频调速的控制方式进行了研究，确定了调速装置变频方式，采用交-直-交变频方式。同时对 SPWM 脉波控制产生设计进行了理论研究，拟采用等面积算法产生SPWM 脉波。本科生毕
30、业设计（论文）9第 3 章 掺水电机调速装置的硬件设计和软件设计3.1 掺水电机调速装置硬件设计掺水电机调速装置硬件部分主要是变频器的设计，此设计大部分采用了实际应用中较为成熟的电路，并根据自己的控制要求作适当的修改，电路部分主要由控制电路、显示电路、存储电路、及驱动电路组成。控制电路的主要功能：检测按键状态，并根据不同的按键状态作相应的处理；产生 SPWM 信号驱动IR2130；显示当前 SPWM 输出状态。驱动电路的功能：接受并隔离 SPWM 驱动信号，通过电平转换去驱动全控器件的门极。3.1.1 调速装置主电路设计主电路的结构图如图 3.1 所示，这里采用间接变频方式。图中所采用的结构为
31、经典式的三相桥式结构，采用的开关元件为 IGBT，这里用的是 N 沟道 IGBT，它的门极极间击穿电压为 500V，通态电阻在 0.140.18 欧姆之间，开通和关断时间都在 10100nS 以间，集电极直流电流 为 20A，集电极脉冲电流幅值CI为 72A，门极电压 ，最大耗散功率为 125W。选用此元件能够完全驱动CMI V20所使用的电机，并且所留裕量很大，对于以后经一步试验大功率的电机提供方便。图 3.1 主电路图3.1.2 驱动电路设计在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，
32、以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两本科生毕业设计（论文）10种方式。光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十 kHz。电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快， dv/dt 共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制。脉冲变压器体积大，笨重，加工复杂。IR 公司推出的 IR21xx 系列集成芯片是 MOS、IGBT 功率器件专用栅极驱动芯片，这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关
33、断输入、错误诊断输出等功能。在本设计中应用 IR 公司推出的 IR2130，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点。IR2130 是 600V 以下高压集成驱动器件，它具有六路输入信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的 6 个功率开关器件，一片IR2130 可替代 3 片 IR2110,使整个驱动电路更加简单可靠。IR2130 的引脚图如图 3.2 所示,引脚定义 VCC 为输入电源, HIN1、HIN2、HIN3 、LIN1、LIN2、LIN3 为输入端 ,FALUT 为故障输出端, ITRIP 为电流比较器输入端，CAO 为电流放大器输出端, CA-为
34、电流放大器反向输入端,VSS 为电源地,VSD 为驱动输出地,L01、L02、L03 为三路低侧输出,VB1、 VB2、 VB3 为三路高侧电源端， HO1、HO2 、HO3 为三路高侧输出端，VS1、VS2、VS3 为高端侧电源地。图 3.2 IR2130 引脚图如图 3.3 所示自举二极管 D 和电容 C 是 IR2130 在 PWM 应用时需要严格挑选和设计的元器件，应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时进行一些调整，使电路工作在最佳状态。电力 MOSFET 开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。通过参考 IGBT 的工作特性曲线和相关文献中的电路，选电容值为 0.47u
35、F，耐压 35V 的钽电容作为自举电容。自举二极管选择快速恢复二本科生毕业设计（论文）11极管，能够满足试验要求。C4 是 VCC 电源侧的滤波电容，这里也选择电容值为20uF，耐压 35V 的钽电容。图 3.3 IR2130 驱动电路图3.1.3 存储器的选择由于本设计是用单片机查表法实现 SPWM 的输出，经过计算需要 30K 左右的的外部数据存储器，存取速度要求在纳秒级以内。通过查取相关存储器的手册，这里选用 Winbond 电子公司生产的高速，655368 位的 W27C51245 EEPROM作为外部数据存储器。此芯片的供电电压为 5V，存取速度为 45nS，读操作电流为 30mA(
36、最大 )，擦写/编程操作电流为 30mA(最大 )，全静态操作，所有的输入和输出都是 TTL/COMS 兼容的，三态输出。此设计中使用一片 74LS373 锁存器将单片机的 P0 口与 W27C512 的数据口 Q0 到 Q7 相连，P0 口连其地址线的低八位，即 A0 到 A7，而 P2 口连其地址线的高八位，即 A8 到 A15，由于只用一个存储芯片，所以 接地， 接单片机的 P3.7 引脚。CEVpO/3.1.4 键盘电路的设计键盘的设计电路如图 3.4 所示，这里采用单片机中断加查询的方式来检测按键状态，这样使用实时性好，又不过多的占有单片机处理时间。当用键盘按下时候，触发单片机外部中
37、断，在通过内部程序查询检测按键的状态，并作相应的处本科生毕业设计（论文）12理，具体控制要求在软件设计中介绍。这里的八个 1N4148 二极管的作用是隔离按键状态，如果不用二级管隔离，如 K1 按下时候，其它的口就会变为低电平，单片机无法确定那一个按键按下。当 K1 按下时候，二极管 D6 和 D7 导通，其它的二极管截止，这样就会触发单片机外部中断 1(INT1)，在中断服务程序中查询P1.6 和 P1.7 口的状态，检测到 P1.7 口为低电平，从而确定 K1 键按下，其它按键的检测与此相同。由于此按键没有做机械去抖动设计，所以必须在软件中设置程序去抖动，以避免发生误操作。这里先简要介绍一
38、下按键的主要功能，K1 电动机的起动，停止控制键； K2电机减速控制键；K3 电机加速控制键；K4 电机正反转控制键。每一个按键在不同的状态下还有其它功能，在软件设计中会详细介绍。R5 和 R6 为上拉电阻，在按键不按的时候使外部中断保持为高电平，防止因外部干扰而发生误操作。图 3.4 键盘电路图3.1.5 显示电路设计显示电路采用 1602 通用液晶显示模块，它是点阵字符型液晶显示器(LCD)的一种，专用于显示数字、字母、常用图形符号，少量自定义符号或汉字。这类显示器把 LCD 控制器、点阵驱动器、字符存储器等全做在一块印刷电路板上，构成便于应用的液晶显示模块(LDM)。本设计所用显示接口电
39、路图如图 3.5，其中 10K 的电位器 RW1 用来调节LCD 的亮度，NPN 型三极管 9014 用来控制 LCD 背光灯的开与关，单片机的 P0口(数据总线 )和 AD0-AD7 相连，作为与 LCD 的数据接口， RS 与单片机的 P3.5脚相连，使能位 E 与单片机的 P3.4 脚线连，读写位 R/W 与单片机的 P3.6 脚相连，背光灯控制端 Light 与单片机的 P3.0 脚相连，这里不需要加额外的接口电路，因为所选用单片机的电气接口特性能够满足 LCD 的电气特性。本科生毕业设计（论文）13图 3.5 LCD 接口电路图3.1.6 控制器的设计图 3.6 控制器电路图通过对三
40、相 SPWM 波形数据的认真分析，本设计选用 STC89S52 单片机作为本设计的控制器，可以满足控制的要求。其具体电路图如图 3.6 所示，图中晶振初步选用振荡频率为 11.0592MHz 的晶振，对于以后硬件升级可以选用更高频率本科生毕业设计（论文）14的晶振，C1 和 C2 是用来微调振荡的频率。图中 S1 为复位按钮，通过把一个10uF 的电解电容与 R7 和 S1 并联，就可以使单片机在上电时候自动复位起动。其它标号部分都与上述电路中相同的标号相连，STC89S52 中的 P0 即作为数据总线用又作为地址总线的低八位使用。3.2 掺水电机调速装置软件设计本设计使用汇编语言书写程序，并
41、使用 KeilC 软件对汇编程序进行仿真和调试。程序中主要包括按键检测程序、按键服务程序、1602 型 LCD 显示程序、三相 SPWM 波形发生程序。对于三相 SPWM 波形查表数据的计算，使用了MATLAB 语言编写程序进行数据计算，并对数据的结构进行了规划。3.2.1 三相 SPWM 数据计算程序与数据存储结构这节对三相 SPWM 数据的计算和单片机的产生方法进行了详细的分析，并自行设计了外部数据存储器结构。基于等面积算法的 SPWM 控制技术的分析可以知道，每一组三相 SPWM 波形都可以分成 到 共六个不同的区间，只要我们计算出每一个时间段，并用单1t6片机中的定时器来对此时间段计时
42、，在定时器中断的时候输出下一组三个桥的开关状态，就可以得到预期的三相 SPWM 波形。在某时刻，定时器正对 进行计时，1t当前三相桥的开关状态为“000000”(与 a+b+c+a-b-c-对应)，这里令此开关状态与单片机的 P1 口相对应上，即 P1.0 与 a+对应，P1.1 与 b+对应，P1.2 与 c+对应，P1.3 与 a-对应， P1.4 与 b-对应，P1.5 与 c-对应，并把 P1.6 和 P1.7 置为高电平“1”，即“000000” 时， P1 口的数据为“11000000 ”(高位在先，低位在后)，这样，当定时器溢出中断后，系统进入定时器中断服务程序，此时通过指令使
43、P1口输出 所对应的状态“11000010” ，并使定时器对 进行计时，之后定时器再次2t 2t溢出中断，服务程序中再通过指令使 P1 口输出 所对应的状态“11001010” ，如3此一直进行下去，便可输出三相 SPWM 波形。但是，单片机毕竟有一定的处理速度，对于外部使用晶振为 11.0592MHz 的单片机来所说，一个机器周期约为1.085uS，而编写的定时器服务程序至少要执行七八条指令才能进入下一次中断，一个指令执行速度为 1 到 2 个周期，也就是 1316us ，所以只要每段计时的时间大于这个时间，那么三相 SPWM 输出就不会有太大的失真。由于定时器的输入时钟脉冲为晶体振荡器的
44、12 分频，可以看做是对机器周期进行计数，所以对于每一时间段都必须除以一个机器周期的时间长度，转换成定时器的计数值。这里使用 matlab 语言编写了计算此数据的程序，程序里只要改变 ，f本科生毕业设计（论文）15N， ， 的值就可以得到一组 1/4 周期的三相 SPWM 数据，详细的解释请看dUm程序的注释。该程序见附录 1。这里给出三组用此程序计算的数据，如附录 2。本设计频率调整精度为 0.5Hz，范围从 0.5Hz 到 50Hz，各个频率下的数据与附录 2 中的数据类似。因为正弦波形具有很好的对称性，所以只要记录下其 1/4周期的数据，并通过对此数据的变换就可以获得其它 3/4 周期的
45、数据，根据单片机定时器中断服务程序对最小计数值的要求，经过对数据仔细的挑选，最终选取表 4-3 中变频参数为实际计算的参数，计算时候选用的晶振频率为 11.0592MHz，直流侧电压为 Ud=60V，使用带定子电压补偿的压频曲线为 (V)。510/9fUm表 3-3 计算参数表频率（Hz） 载波比 N 字节 开关变化 1 开关变化 247.5-50 120 1810 61 12118.5-48 132 23482 67 13310-18 144 6944 73 1458-9.5 156 2390 79 1575-7.5 168 1410 85 1694-4.5 180 1084 91 1813
46、.5 192 578 97 1933 204 614 103 2052.5 216 650 109 2172 228 686 115 2291.5 252 758 127 2531 300 902 151 3010.5 408 1216 205 397表 3-4 报头格式描述载波比 N（三字节 ASCII 码）个数首地址高八位首地址低八位开关变化1开关变化2例子 31H 32H 30H 1EH 01H 3FH 0AH 14H本科生毕业设计（论文）16如果按照表 3-3 中的参数去计算数据并存储，总共需要 42534 字节的存储单元，这也是为什么选用 64K 存储器的原因。这么大的数据需要有合理
47、的结构才能使单片机进行有效的访问，并且必须考虑在日后进行数据升级时，在单片机内部程序不变的情况下，仍能准确无误地执行。为此本设计的存储器数据存储结构如表 3-4 在存储器 0000H 和 0001H 内存放频率调整数，频率调整数等于最高频率除以调频精度，表 5 中频率调整数为 100。在 0002H 和 0003H 中存放单片机载入默认数据报头的地址。以后每八个字节为一组报头数据，通过报头数据可以查到产生三相 SPWM 波形所需的 1/4 周期数据。报头的格式如表 3-4 所示。3.2.2 调速装置主程序设计主程序主要完成对所用到的 RAM 内存区清零，设置查表状态，设置电机初始运行状态，设置
48、定时器工作方式，设置中断优先级，设置外部中断触发方式，显示初始信息，提示用户输入频率，当用户无按键操作时候，载入默认数据，有按键操作时调用按键服务程序。其主程序框图如图 3.7，可以看出主程序是一个检测按键状态的死循环，当有按键时候进入按键服务程序，执行完后继续进入这个循环。所以其它服务程序都得在中断中执行。3.2.3 按键检测程序设计按键检测的方式为外部中断加程序查询，在中断允许 EA 为 1 的情况下，外部中断源申请中断，单片机响应外部中断，进入中断服务程序中，对按键的状态进行检测。外部中断 1 用来检测 K1，K2 的状态，外部中断 0 用来检测 K3，K4的状态。在中断服务程序中，先延
49、时 10mS 去掉键盘的机械抖动，再把 P1.6 和P1.7 口置为高电平，之后对 P1.6 和 P1.7 进行查询，当 P1.7 口为低电平时，延时5mS 再检测此键的状态，如果仍为低电平，说明此键已经按下，并置总按键状态为 1，置此按键状态位为 1，否则说明是外部干扰，退出中断程序；当检测到P1.7 为高电平，那么就会继续查询 P1.6 的状态，其处理方式和 P1.7 相同，如果两个口都为高电平，说明是外部干扰，退出中断服务程序。由于两个外部中断的服务程序类似，这里只画出 INT0 的程序流程图，如图 3.8。3.2.4 按键服务程序本变频器共设有四个按键，每一个键都是多功能的键，程序会根据当前变频器的运行状态对按键指令进行解释，进而去处理相应的服务程序。开机后，在 8S 钟后无按键操作， LCD 自动关闭显示和背光灯，按下这四个键中的任意一个键都会打开 LCD 显示和背光灯，并且不执行任何对电机的操作，在这之后各个键的功能如下。本科生毕业设计（论文）17K1 键功能：起
