电气工程 电机变频调速.doc

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 I Abstract In the process of oilfield production blending water is often used to ensure normal 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 equipment 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 and adding water disposal system pressure value which constitutes a closed loop control system After collecting pump pressure value variable frequency device s voltage and current to the neural network non linear model simulation can be calculated by blending flow value and motor frequency value 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 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 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 第第 1 1 章章 概概 述述 1 1 1 转油站掺水电机变频调速的背景和现状 1 1 2 转油站掺水电机变频调速系统设计需求 1 1 3 本课题研究的主要内容 2 1 4 本章小结 2 第第 2 2 章章 转油站掺水电机变频调速理论转油站掺水电机变频调速理论 3 2 1 转油站调速系统概述 3 2 2 掺水电机变频调速的控制方式 4 2 3 调速装置变频方式 5 2 4 SPWM 控制设计 5 第第 3 3 章章 掺水电机调速装置的硬件设计和软件设计掺水电机调速装置的硬件设计和软件设计 9 3 1 掺水电机调速装置硬件设计 9 3 2 掺水电机调速装置软件设计 14 3 3 本章小结 19 第第 4 4 章章 转油站掺水流量非线性建模转油站掺水流量非线性建模 20 4 1 掺水流量非线性建模理论 20 4 2 掺水流量非线性模型结构 21 4 3 基于 BP 神经网络的非线性模型结构的确定 24 4 4 BP 神经网络的训练 27 4 5 BP 神经网络的测试 29 4 6 本章小结 29 第第 5 5 章章 转油站掺水流量控制界面设计转油站掺水流量控制界面设计 30 5 1 掺水流量控制界面设计原则 30 本科生毕业设计 论文 III 5 2 图形界面设计步骤 30 5 3 掺水流量控制界面设计 31 5 4 本章小结 33 结结 论论 34 参考文献参考文献 35 致致 谢谢 36 附录附录 1 1 掺水电机调速装置设计原理图掺水电机调速装置设计原理图 37 附录附录 2 2 掺水电机调速装置印刷电路板掺水电机调速装置印刷电路板 39 附录附录 3 3 MATLABMATLAB 计算程序计算程序 40 附录附录 4 4 数据表数据表 44 附录附录 5 5 掺水流量非线性建模程序掺水流量非线性建模程序 46 附录附录 6 6 掺水流量控制界面对应的掺水流量控制界面对应的 M M 函数函数 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 78 108kW h 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 30 40 其损耗电能占总电量的38 以上 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 8 104kwh 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 1 296 106kwh 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 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 s p f n 1 60 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f 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 U 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 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 p sf n 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f 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 mNg KNfE 111 44 4 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 1 f m g E 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 N 1N k 系数 如果忽略定子压降 则上式可写成 2 6 mEg fKEU 1 1 式中 11 44 4 NE KNK 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 1 f 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 g E 和共同决定的 对 1 U和 1 f 进行适当控制 就可以使气隙磁通保持额定值不变 3 1 f 2 3 调速装置变频方式 在变频调速系统中 变频装置可以分为 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 ACDC AC 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高矩形脉冲来等效替代 等面积发 的谐波较规则采样法小 5 6 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 6 2 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 u 0 0 u t t a b um ud ti 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 tUy m sin 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 d Uff 2 则对于每一个从到区间正弦波与坐标轴围成的面积为 i t 1 i t 2 1 NittUdttU iim i i m 2 1 0 coscossin 1 1 2 2 NiTtt ii 2 1 0 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 U d U i SPWM 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 NittUU iimdi 2 1 0 coscos 1 本科生毕业设计 论文 7 2 4 NiUttU diimi 2 1 0 coscos 1 对应于正弦段 每 SPWM 脉冲的中心时刻由下式算出 2 5 NiTTiti 2 1 02 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 NiUttU diimai 2 1 0 coscos 1 2 7 NiUttU diimbi 2 1 0 3 2cos3 2cos 1 2 8 NiUttU diimci 2 1 0 3 2cos3 2cos 1 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 i t 1 i t 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 ai bi ci 1 t 7 t 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 a 1 t 7 t 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 tt1t2t3t4t5t6t7 a 0001000 b 0000000 c 0011100 a 0000000 b 0111110 本科生毕业设计 论文 8 c 0000000 t t t 图 2 4 三相 SPWM 波形分析 Uda 相 ub Ud Ud uc b 相 c 相 t1t2t3t4t5t6 ci bi ai T ua 0 0 0 1 1 1 1 1 100 000000 0111000 t7 2 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 14 0 18 欧姆之间 开通和关断 时间都在 10 100nS 以间 集电极直流电流为 20A 集电极脉冲电流幅值 C I 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 CM IV20 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 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 47uF 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 65536 8 位的 W27C512 45 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 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 CEVppOE 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 1 t 6 t 片机中的定时器来对此时间段计时 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 1 t 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 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 2 t 2 t 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 t 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 13 16us 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 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 15 N 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 d U m U 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 9 fUm 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 2 47 5 50120181061121 18 5 481322348267133 10 18144694473145 8 9 5156239079157 5 7 5168141085169 4 4 5180108491181 3 519257897193 3204614103205 2 5216650109217 2228686115229 1 5252758127253 1300902151301 0 54081216205397 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31H32H30H1EH01H3FH0AH14H 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 17 K1 键功能 起动 停止 退出 在开机后进入 Please input f 00 0Hz 提示 界面后 按下此键 由于没有载入变频数据 所以 LCD 会提示 No Data Can t Start Motor 并返回提示界面 如果在 3 秒之内没有按键操作 系统会自动载 入默认数据 如果在进入调频界面后 并且对频率调整后按下此键 则频率调 整无效 频率仍为原设置值 并返回当前运行状态显示界面 在数据载入单片机 成功后 按下此键 电机会起动 启动后再按下此键时电机停止运行 图 3 7 主程序流程图 K2 K3 键功能 K2 为下调频率键 K3 为上调频率键 无论在运行还是停 止状态 当按下这两个键中的任何一个键时候 都会进入调频界面 按 K2 以 开始 调按键服务程序 SD 置 1 电机停止 20H 到 2FH 清零 设置 T0 方式 1 T1 方式 2 设置 T0 中断优 先级别最高 设 置外部中断方式 为跳变触发方式 允许外部中断 读入频率调整数 初始化 LCD 提示用户输入频率 开机显示信息 有无按键 载入默认数据 延时 3 秒 80H 送入 SP 开中断 N Y 本科生毕业设计 论文 18 0 5Hz 的精度向下调整频率 达到最小频率后 再按下 K2 后返回调频状态 按 K3 则以 0 5Hz 的精度向上调整频率 达到上限后 再按下 K3 键 并返回调频状 态 K4 键功能 起动 正反转切换 确认 在电机进入运行状态后 按下此键会使 电机的转向改变 在电机停止的时候按下此键 会以上一次电机运行的方向起动 电机 在进入频率调整界面后 按下此键使调整的频率有效 载入数据 如果电 机在停止状态 返回停止界面 如果电机在运行状态 载入新数据继续运行 图 3 8 按键检测流程图 3 2 5 LCD 显示程序设计 显示是系统与用户的交互界面 显示系统的好坏直接影响操作人员的操作效 率和正确性 本设计的 LCD 显示提供了友好的界面 其中包括数据输入提示 无数据提示 越过频率上下限提示 变频器输出状态提示等内容 为了延长 LCD 的使用寿命 通过软件的形式对 LCD 设置了软开关 当无外部按键操作时候 从最后一次按键算起 LCD 在 8S 后将自动关闭显示和背光灯 进入节电模式 INT0 服务程序 延时 10mS 延时 5mS 置位 P1 6 P1 7 P1 7 是否为 0 P1 6 是否为 0 P1 6 是否为 0 P1 7 是否为 0 延时 5mS 总按键状态置 1 K3 状态位 置 1 中断 0 返回 N N N Y N 总按键状态置 1 K4 状态位 置 1 Y Y Y 本科生毕业设计 论文 20 当按任意键时候 可打开 LCD 显示和背光灯 本科生毕业设计 论文 21 3 2 6 三相 SPWM 波形发生程序 通过对三相 SPWM 数据的分析可知 对于与到对应的每组数据 参看附 1 t 6 t 录 2 中的数据表 中对应的总是一个较大的数据 而到对应的数据较小 针对 2 t 6 t 这个特点 使用 AT89S52 中的 T0 定时器来对到的时间段计时 T0 的中断服 1 t 6 t 务程序来产生 SPWM 波形 即把三相桥开关状态送到 P1 口 并在 T0 定时器对 计时的时候 在 T0 的中断服务程序中从外部数据存储器读取本组的到的所 1 t 2 t 6 t 对应的数据和下一组的所对应的数据 这必须对外部数据的大小有一定的要求 1 t 经过详细的计算 对于外部数据的读取和处理所占用的机器周期不大于 300 个机 器周期 所以对于外部数据的令一个要求是 其所对应的数据值必须大于 1 t 300 单片机才能正常处理 SPWM 波形的产生 3 3 本章小结 本章中调速装置中大部分硬件电路采用成熟的电路设计 借助 Protel DXP 软 件设计出最终的调速装置变频器原理图和印刷电路板 编写了按键程序 按键防 抖程序和 SPWM 波形发生程序 同时还设计了显示界面 显示运行状况 本科生毕业设计 论文 22 第 4 章 转油站掺水流量非线性建模 4 1 掺水流量非线性建模理论 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 人工神经网络是在模拟人脑神经组织的基础上发展起来的全新的计算系统 它是由大量计算单元通过丰富连接构成的复杂网络 是一种分布式处理结构的非 线性动力学系统 人工神经网络是由大量简单处理单元 称之为神经元或节点 广 泛地相互连接而组成的一个并行处理系统 虽然每个神经元的结构和功能十分简 单 但大量神经元构成的网络系统对知识的存储方式是分布式的 这种分布式并 行处理的特性 使神经网络具有很强的自组织和自学习能力以及很高的容错力 人工神经网络具有以下特点 1 具有自适应功能 它主要是根据所提供的数据 通过学习训练 找出 输入和输出之间的内在联系 从而求得问题的解答 因而它具有很好的适应性 2 具有泛化功能 它能处理那些未经训练过的数据 而获得相对于这些 数据的合适的解答 同样 它也能够处理那些有噪声或不完全的数据 从而显示 了很好的容错能力 对于许多实际问题来说 泛化能力是非常有用的 因为实际 所获得的数据常常受到一定的干扰或是残缺不全的 3 具有非线性映射功能 现实的问题常常是非常复杂的 各个因数之间 相互影响 呈现出复杂的非线性关系 神经元网络为处理这些问题提供了有力的 工具 4 高度并行处理 神经网络的处理是高度并行的 因此用神经网络的处 理速度可远远高于传统分析方法的处理速度 与常规的算法程序相比较 神经网 络主要基于所测量的数据对系统进行建模 估计和逼近 它可应用于如分类 预 测及模式识别等众多方面 神经网络由神经元 网络拓扑和训练 学习 算法三个基本要素组成 12 本设 计拟采用具有良好的逼近能力和成熟的训练方法的误差反向传播网络 BPNN 它 是一种多层前馈神经网络 由一个输入层 一个输出层和若干个隐含层组成 本科生毕业设计 论文 23 4 2 掺水流量非线性模型结构 4 2 1 BP 神经元模型 下图 4 1 给出了一个基本的 BP 神经元模型 它具有 R 个输