毕业设计（论文）-基于单片机的三相异步电动机软启动器的设计.doc

i 目 录 摘 要 i abstractii 1 绪 论1 1.1 研究的目的、意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 本课题研究内容3 2 三相异步电动机的起动控制的研究4 2.1 三相异步电动机的起动过程的分析4 2.2 三相异步电动机的起动方法6 2.2.1 直接起动6 2.2.2 传统减压起动.7 2.2.3 软启动10 2.3 软起动的原理及分析11 2.3.1 晶闸管调压原理11 2.3.2 软起动的起动方式.13 3 软启动器的硬件电路设计16 3.1 主要器件的介绍16 3.1.1 kj004 功能介绍.16 3.1.2 kj041 功能介绍.18 3.1.3 kj042 功能介绍.19 3.2 主电路的选择20 3.2.1 调压方式的选择20 3.2.2 晶闸管相控调压原理.21 3.3 主回路设计21 3.3.1 主回路电路.22 3.3.2 晶闸管参数选择23 3.3.3 晶闸管触发电路23 3.3.4 晶闸管保护电路26 3.4 电压检测回路26 3.4.1 同步信号检测27 3.4.2 电压反馈回路28 3.5 电流检测回路30 3.5.1 电流反馈回路30 3.5.2 过电流保护电路31 4 基于单片机的软起动器的设计31 4.1 单片机控制系统设计32 4.2 控制软件设计34 4.3 触发脉冲控制的软件设计36 ii 结束语44 参考文献45 致 谢46 i 三相异步电动机软启动器的设计 摘 要 三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，而广 泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也有明显的 缺点，那就是起动转矩小，起动电流过大。这种情况对电机本身及周围电网都有非常 不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除传统降压起动设备 的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善异步电动机的起动特性，本文对基于单片 机控制的晶闸管调压软起动器进行讨论。 本文首先阐述了软起动器晶闸管调压电路(即主电路)的工作原理，主要是基于晶闸 管的三相异步电动机软启动器主电路设计和触发电路设计。然后是对电动机软启动器 模式的设计，但主要还是软起动器的硬件电路设计。 本文设计的软起动器操作方便简单，能够使电机顺利起动。使之能达到了改善三 相异步电动机起动性能的要求。在满足异步电动机起动转矩要求及降低起动电流的前 提下，使电机能够平稳可靠起动。 关键词关键词：异步电动机；晶闸管；软起动 ii design of three-phase asynchronous motorsoft starter abstract three-phase asynchronous motor has a wide range of application in industry,argriculture，transportation business，defense industry and other walks of lifebut it also has the obvious shortcomings that starting torque, starting current. this kind of situation of motor and power are very disadvantageous around. in order to reduce the asynchronous motor start-up process for grid, eliminate the impact of traditional step-down start equipment has control of contacts in the level of asynchronous motor, improve the impact of asynchronous motor starter characteristics, this article based on the single chip microcomputer control thyristor surge soft starter are discussed. this article elaborates the soft starter thyristor regulating circuit, which is based on thyristor three-phase asynchronous motor soft starter main circuit design and implement trigger circuit design. then the motor soft starter, but the pattern design of main or soft starter hardware circuit design. this article designs the soft starter operation convenience simple, can make the motor starts smoothly.to achieve improved three-phase asynchronous motor starting performance requirements. in asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current, under the premise of the motor can be stable and reliable. keywords：asynchronous motor; thyristor; soft starter xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 研究的目的、意义 三相异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、 很少需要维护及可用于恶劣环境等优点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常 生活中得到了广泛的应用，当前大部分工业拖动都是以交流异步电动机作为动力，包 括风机、水泵、油泵、压缩机等。 但是，由于其固有的启动性能较差，直接起动又容易造成对周围电网的影响。通 常要求采用专门的启动设备完成正常的启动工作，尤其频繁启动时更是如此。然而， 它是以反电势为主的负载，即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转 速的增加而逐渐增大，电动机在起动开始时反电势为零，所以起动电流很大。电动机 起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流 37 倍，特殊情况下可达到 10 倍以上， 这样大的起动电流不仅加重了进线供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷， 而且对电网及其负载造成干扰，特别是当电动机容量较大时，冲击电流会对电网及其 负载造成干扰，严重时，甚至危害电网的安全运行1。启动电流过大时，将使电动机本 身受到过大电磁力的冲击，如果经常启动 ，还有使绕组过热的危险。同时，由于启动 应力较大，使得负载设备的使用寿命降低。还有，由于起动应力较大，出现的巨大转 矩又会使电动机发生剧烈的冲振，并且也给用作动力传输辅助设备和做功机械设备带 来不可避免的机械冲击。所以，这种“硬起动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备 的使用寿命，而且过高的起动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落，致使那些对电 压敏感的用电设备产生负面影响。因此，对三相感应电动机软起动情况进行研究是非 常有现实意义的。 为了降低起动电流，人们采用了各种降压起动技术。比较传统和应用较普遍的有 变压器降压起动，串电抗器起动和 y/转换等等。采用这些传统起动方式起动时降低 了加在定子绕组的电压，起到了一定的限流作用，但仍存在着很多问题，例如靠接触 器切换电压来达到降压的目的，所以无法从根本上解决起动瞬时电流尖峰的冲击；起 动转矩不可调，存在二次冲击电流；对负载产生冲击转矩，当电网电压下降时，可能 造成电动机堵转；容易造成接触器触点的拉弧损坏。 近几年来随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继开发出以晶闸管 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 2 为核心的电路元件、以单片机为控制核心的异步电动机软启动设备。该软启动设备平 滑了异步电动机加速过程，大大减缓了对电网及机械设备的冲击。采用电力半导体器 件对电动机进行启动控制的电力电子软启动器解决了传统降压启动方法存在的二次电 流冲击问题 ，具有无触点、 启动电流及启动时间可控、 启动过程平滑等优点，并且 维护工作量小，具备完善的电动机保护功能。晶闸管软启动器是一种集软启动、软停 车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装备。它不仅实现在整个启动过程 中实现无冲击而平滑地启动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的 参数，如限流值、启动时间等。此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上 解决了传统的降压启动设备的诸多弊端。本文详细介绍三相异步电动机软启动器的设 计。 1.2 国内外研究现状 我国软起动技术起步于上世纪 80 年代早期，目前生产电机启动器的厂家很多，先 后也推出了多种品牌的软起动器。但由于国内自主开发和生产的能力相对较弱，对国 外产品的依赖还是很严重。在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。所 以在整个软起动器市场上，占据统治地位的还是国外产品，国内产品所占的份额还是 很低。 目前市场上生产的软启动器主要以机械式和三相反并联晶闸管方式为主。机械式 启动器是目前使用比较广泛的启动方式，但它是有级起动，会产生二次冲击电流，启 动电流仍然为标称电流的 34 倍，且有体积大、噪音大、维护费用高、无法适应恶劣 环境等诸多弊端。 近三十年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成为可能。 电力半导体开关器件具有无磨损、寿命长、功耗小等特点，结合现代控制理论及微机 控制技术，为实现电机的软起动提供了全新的思路。要突破传统的启动方式，是离不 开电力电子技术和微机控制技术的发展的。 随着这些技术的不断进步，电力电子软起动装置也取得了长足的进步，采用这些 方法可以使三相异步电动机获得很好的起动性能。近三十多年来，国外对晶闸管三相 交流调压电路进行了广泛的研究，在工业、农业领域得到广泛的应用。如美国 ab 公 司、英国 ct 公司、法国 te 公司、德国 aeg 公司、瑞士 abb 公司等均推出了软起动 器系列产品，如 ge 公司生产的最大功率达到 850kw，额定电压 500v，额定电流 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 3 1180a，最大起动电流 5900a；abb 公司生产的最大功率达到 1200kw，额定电压 690v，额定电流 1000a；意大利 siei 工公司生产的额定电压 690v，额定电流 1600a；美国 bs 公司还生产中压 613.8kv 同步或异步电动机软起动器，最大功率达 到 10000kw2。 目前在国外，发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置晶闸管软 起动和兼作软起动的变频器。在生产工艺兼有调速要求时，采用变频装置。在没有调 速要求使用的场合下，起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动。在重载或负载功率特 别大的时候，才使用变频软起动。晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品， 各知名电气公司均有自己晶闸管软起动的品牌，在其功能上又各具特色。例如 ge 公 司生产的 astat 智能电机软起动器；abb 公司生产的 pst、pstb 系列电机软起动器； 施耐德公司的 ats46 软起动器；德国 siemens 公司的 3rw22 sikostart 软起动器 等等。目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究己经从对控制电压、控制电机电 流的开环、闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适用于三相交 流调压电路电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优3。另一 方面，随着电力电子技术的发展，异步电动机向更加可靠、方便性好、小型化方向发 展。 1.3 本课题研究内容 软启动器本质上是一种直流调压装置，用来实现软启动、软停车、实时监测以及 各种保护功能。为了保证系统安全可靠地运行，可以充分发挥单片机的强大控制功能， 由主控制电路对系统的关键器件和关键参数，例如过压、欠压、过流、过载、等进行 实时监控。随着数字直流 pwm 调压技术的应用，以及采用高性能的单片机作为系统 的控制核心，可以使软启动器具有控制快速准确、响应快、运行稳定、可靠等优点。 在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可以考虑采用定子串电阻或串 电抗器启动、y-启动、自耦变压器降压启动、转子串电阻启动、晶闸管电子软启动、 分级变频软启动、两相变频调压软启动等方法。 结合各方面的因素及实际情况，本课题研究的内容主要有： (1)研究三相调压软起动的基本原理，对三相异步电动机的起动电流和起动转矩进 行分析，对软起动控制策略进行研究。 (2)对三相晶闸管软起动系统进行硬件设计。包括主电路，触发电路，检测电路， xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 4 控制电路，驱动电路等。 (3)实现三相异步电动机软启动器模式的设计和软件的有关设计。 (4)用 protel 绘制系统的原理图。 本课题的目标是实现三相异步电机的软启动，甚至使软启动器能够根据电机负载 的实际情况改变。 2 三相异步电动机的起动控制的研究 交流三相异步电动机的传统启动技术，如定子串电阻/电抗器启动、自耦变压器降 压启动、星形-三角形降压启动、转子串电阻或频敏变阻器启动等，在交流电动机启动 技术发展过程中都有过重要应用。但随着晶闸管技术的发展，三相交流调压软启动器 因为具有性能良好、产品多样、电压可连续调节以及转矩或电流可闭环控制等优点， 使得电子软启动器得到了深入而广泛的发展，成为软启动市场中的主流产品。 2.1 三相异步电动机的起动过程的分析 为了研究三相异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析 异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系，就要研究电机的数学模型。 对于电动机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。在不改变异步 电动机定子绕组中的物理量和异步电机的电磁性能的前提下，经频率和绕组的计算， 把异步电动机转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样， 即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。三相异步电动机的 t 形稳 态等效电路如图 2-1 所示： x2r2x1r1 xm rm i1i2 imu1 1-s s r2 图 2-1 异步电动机的等效电路 其中，r1为定子绕组的电阻，x1为定子绕组的漏电抗，r2为归算到定子方面的转子 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 5 绕组的电阻，x2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。rm代表与定子铁心损耗所对应 的励磁电阻，xm代表与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗。u1为定子电压向量，e1 为定子感应电动势向量，i1为定子电流向量，im为磁电流向量。基于 t 形等效电路的 数学模型为： (2-1) 11111111 ue ()zi rjxei (2-2) 2 222 r eijx s （+） (2-3) 12m iii (2-4) 1 2 emm mmm eizirjx 由以上四式可得： (2-5) 2 2 1 112 112 1 1 mm mm r jx s rjx iu rjxr rjxjx rjxs 在异步电动机里，因为 r1-e1(-15v)，v5又重新导通。使 v7、v8截 止，输出脉冲终止。脉冲前沿由 v4 导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数 r11c3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器 tp 二次侧输出，其一次绕组接在 v8集电极 电路中。 2、锯齿波的形成和脉冲移相环节 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 25 锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。锯齿波电路由 v1、v2、v3和 c2等元件组成，v1、vs、rp2和 r3为一恒流源电路。锯齿波是由开关 v2管来控制的。 v2截止时，恒流源电流 i1c对电容 c2充电， 调节 rp2，即改变 c2的恒定充电电流 i1c，可见 rp2是用来调节锯齿波斜率的。v2导通时，因 r4很小故 c2迅速放电，ub3电 位迅速降到零伏附近。v2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，同样 ue3也是一个锯齿 波。射极跟随器 v3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压 ub3的影响。 v4基极电位由锯齿波电压、控制电压 uco、直流偏移电压 up三者作用的叠加所定。 如果 uco=0，up为负值时，b4点的波形由 uh+up确定。当 uco为正值时，b4点的波形由 uh+up + uco确定。 m 点是 v4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。加 up的目的是为了确定 控制电压 uco=0 时脉冲的初始相位。 在三相全控桥电路中，接感性负载电流连续时，脉冲初始相位应定在 a=90；如果 是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论上为 180（由 于考虑 amin和 min，实际一般为 120），由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯 齿波的宽度大于 180，例如 240，此时，令 uco=0，调节 up的大小使产生脉冲的 m 点 移至锯齿波 240的中央（120处），相应于 a=90的位置。 如 uco为正值，m 点就向前移，控制角 a90，晶闸管电路处于逆变状态。 3、同步环节 同步指要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 v2开关的频率就是锯齿波的频率，由同步变压器所接的交流电压决定。v2由导通 变截止期间产生锯齿波，锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。v2截止状 态持续的时间就是锯齿波的宽度，其大小取决于充电时间常数 r1c1。 4、双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路由 v5、v6构成“或”门。当 v5、v6都导通时，v7、v8都截止，没有 脉冲输出，只要 v5、v6有一个截止，都会使 v7、v8导通，有脉冲输出。第一个脉冲 由本相触发单元的 uco对应的控制角 a 产生。隔 60的第二个脉冲是由滞后 60相位的 后一相触发单元产生（通过 v6）。晶闸管触发电路总图如图 3-9 所示。 直流电源 同 步 电 源 输 入 kj004 产生单脉冲 kj042 产 生脉冲调 制列 4066 模拟 开关 实现 宽窄 切换 脉冲 放大 驱动 scr 宽脉冲列 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 26 图 3-9 触发电路框图 3.3.4 晶闸管保护电路 晶闸管由于击穿电压接近工作电压，热容量又较小，所以承受过电压、过电流能 力较差，短时间内的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为了使晶闸管能正常工作， 除了合理的选择元件外，还必须对过电流，过电压的发生采取保护措施。 (1)过电流保护 晶闸管设备发生过电流有可能是晶闸管损毁、触发电路或控制系统有故障等。针 对这些情况，除了用软件来实现保护外，还可以在硬件电路中加入快速熔断器来保护 晶闸管的过电流。 (2)过电压保护 我们知道晶闸管有一个重要的特性参数，即断态电压临界上升率 du/dt。它表明 晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。 若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开 通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能出现这种情况7。 为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，本设计在晶闸管两端并联 rc 阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。如图 3-7 中 所示。因为电路总是存在电感的，所以与电容 c 串联电阻 r 可起阻尼作用，它可以防 止 r、l、c 电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时， 避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。 3.4 电压检测回路 在电压检测回路中，尽量实现以下三个功能。其一是同步信号的检测功能，采样 三相电压的自然换相点，它作为晶闸管脉冲触发信号的同步信号；其二是通过检测晶 闸管输出端可以得到晶闸管导通时刻的检测，以便做电压反馈和缺相故障检测；其三 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 27 是将三相晶闸管输出电压信号通过电阻降压后转变成直流信号，再经 a/d 转换后送入 到单片机中，作为过压或欠压保护的信号。 3.4.1 同步信号检测 为了保证三相交流调压器主回路中各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格 的相位关系。在电机软起动器的设计过程中，同步信号检测是很重要的一个环节。只 有准确的测量出电压的过零点，才能精确的控制晶闸管的导通角，从而实现对电机两 端电压的无极加载，完成软起动的功能。采用如图 3-10 所示的电路作为电压同步信号 检测电路8。从图中可以看出，这个电路的功能就是将由电源侧来的线电压正弦信号转 为低压方波信号来供单片机进行处理分析。由于这里的信号是从高压转为低压送入单 片机处理的，因此要利用一块光耦对高低压信号进行隔离，这样保证了这两种信号可 以互不干扰地分离处理。整个工作过程大体是这样的：由电源侧来的线电压信号经过 2 个电阻和 1 个二极管，变成半波交流信号，这个交流信号在正半波时触发光耦导通， 从而使得右侧输入到单片机的是高电平信号；而当光耦左侧交流信号处于低电平时， 光耦则截止。那么右侧输入到单片机的信号也就是低电平。这样周而复始，单片机所 得到的就是幅值为 5v 的方波信号，周期等同于电源的周期即工频 50hz，而高低电平 持续的时间也基本与电源侧正负交流信号所持续的时间大致相同，虽然其间存在着一 定的时延，但这可以通过软件进行补偿，从而既简化了外围硬件电路的设计，又得到 了与电源电压同步的信号，为下面给出晶闸管触发信号提供了工作电压零点的基准。 图中右端接主控单片机芯片。这个电路的优点在于：一方面，在起动未开始或是开始 瞬间，这个电路就可以检测到器件电压零点；另外，由于输入的交流信号是直接从电 源侧获取的，因此这就不需要像其他电路那样需要先利用变压器取得交流信号再进行 处理，这样就既节省了线路板的空间，又节约了成本9。 u v r11 r15 r13 vd5 d11 +5v tlp521 图 3-10 同步信号检测电路 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 28 同时，可以利用图 3-10 这个电路(以下称为电路 i)和另一套与电路 i 基本相同的电 路(以下称为电路 ii)配合，进行电源的相序判断和缺相检测。简要介绍一下工作原理。 电路 ii 和电路 i 结构基本相同，存在的区别就是，假设电路 i 的输入侧连接电源的 u、v 两相，而电路 ii 输入侧连接的就是电源的 v、w 两相，且输出信号是分别送入 主控单片机芯片的外部中断输入口。 我们假设电路 i 接的是电源的 u、v 相，而电路 ii 接的是 v、w 相，这样在三相 电源正常工作时，当 uv 线电压发生正跳变(即从负半波转为正半波)时，vw 线电压为 负，那么电路 ii 送入 cpu 的信号就为低电平；当 uv 线电压发生负跳变时，vw 线电 压为正，那么电路 ii 送入 cpu 的信号是高电平(如果电路 ii 接的是 w、v 相，那么两 次送入 cpu 的信号高低电平情况就相反)。同步信号示意图如下 t v 图 3-11 同步信号示意图 而当电源发生缺相故障时，uv 线电压无论发生何种跳变时，vw 线电压都同为正 或同为负，这样电路 ii 送入单片机的信号将同为高电平或低电平。设置电路 i 接入单 片机的 p32 引脚在信号每次跳变时都产生中断，并在每次跳变中断时记录下电路 ii 接入单片机的 p33 引脚的状态，通过两次对比 p32 引脚的电平情况，从而判断出 所连入电路中三相电源的相序，为下一步产生正确的脉冲触发信号序列奠定基础。同 时在电源缺相时，也能判断出故障状况，并封锁脉冲信号及给出报警信号和显示信息。 3.4.2 电压反馈回路 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 29 电压反馈回路如图 3-12 所示。下面的电路可以得到与晶闸管导通与关断时刻相匹 配的工频 50hz 的矩形波。简单介绍一下电路构成：u 为三相电源的一个输入端(即一 组晶闸管输入侧)，r 是与之相应的电机输入端(即相应晶闸管输出侧)。6n139 是一块 高速达林顿光耦，既保证高压侧与单片机低压部分的隔离，又能快速反应出晶闸管导 通/截止的时刻。通过计算单片机 i/o 口的高低维持时间，我们就可以计算出晶闸管的 导通角，作为输出电压反馈，同时可以检测出电压是否缺相，并发出报警信息，及时 通知操作人员出现故障的某一相电源。图 3-12 显示的是一路电压反馈的检测，还有两 路与之相似的电路检测 v、w 相。 r30 整流桥 br1 2 3 +15 +15 r29 r28 r27 u3 6n139 图 3-12 电压反馈回路 3.4.3 电压过欠保护电路 当电机经常处于过压运行时，铁损增加，效率降低。同时铁损的增加，带来铁芯 的温升、电极的冷却、绝缘层寿命的缩短以及金属某些物理性质变坏等诸多问题，所 以电机不能长时间地运行在过电压状态，因此在系统中加入过压及欠压保护节很有必 要。在实际工作中，当输入电压超过 420v(即 l1 倍额定电压)时则认是过电压，起动 过电压保护；而当输入电压低于 340v(即 09 倍额定电压)时则认为是欠电压，起动欠 电压保护11。具体保护电路如图 3-6 所示。过压和欠压比较器先设定一个适当的值(该 值由过压值 420v 和欠压值 340v 转换得来)，当采样到的电压一旦超过过压值或者低于 欠压值时，马上产生一个下降沿的中断送到辅助单片机)中的外部中断口 p32，迅速 产生中断使得程序立即封锁晶闸管输出脉冲，并发出过压或欠压报警信号。本设计采 用硬件模拟比较产生中断的方式，虽然它的精度比不上软件数字式，但是硬件模拟比 较具有响应速度快，反应灵敏的特点，这点在保护回路中具有很大的优势。另有一个 缺点，本系统中由于单片机的外部中断口仅有两个，故过压和欠压都接到同一个外部 中断口。在发生过欠压报警后，需要操作人员简单测试一下电机输入侧的电压，以 最终确定是过压报警还是欠压报警。 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 30 + - + - +5 +5 +5 +5 r71 r72 r73 r74 r76 r77 r78 r79 r80 r81 r82 r75 r s t 图 3-13 电压过欠保护电路 3.5 电流检测回路 电流检测回路包括了电流反馈回路和保护回路两方面。通过霍尔传感器将三相电 流信号转换成电压信号，再将这个电压信号经过 ad 转换后送入到单片机中作为电 流负反馈调节、故障检测和过流保护的依据。 3.5.1 电流反馈回路 电流反馈信号取自电机的定子侧，采样器件为霍尔元件，采样后得到三相电流信 号，将此电流信号经过精密电阻得到相应的电压信号。与电压过/欠电路类似，该信号 经过三相全波整流、滤波和分压后得到一个直流信号，并经过 a/d 转换后送入到单片 机的 i/o 口中，作为系统执行软起动时的电流反馈信号。电流反馈信号检测电路如图 3-14 所示。u15 为单片机芯片。 + - r84 r83 r85 r s t +5 r88 d11 d12 u15 图 3-14 电流检测电路 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 31 3.5.2 过电流保护电路 除了电流反馈信号检测回路外，电流检测回路还包括了过流保护。交流调压装置 的故障，例如晶闸管直通、开路和触发脉冲丢失，换流失败等等都表现为系统主回路 电流的增加，当电流过大时会对系统产生极大损害，因此过流保护是系统中很重要的 保护环节。 一个优秀的过流保护环节应该是既能对过流反应迅速，又能够准确动作。本设计 的过流保护和过压保护环节相似。过流保护的信号取自电流反馈回路，整流、滤波电 路与电流反馈电路相同。它与设定值相比较，一旦超过设定值，则输出一个低电平信 号送入辅助单片机 u2 的外部中断口 p3.3，然后再由软件处理，对过流的晶闸管实现 脉冲封锁、故障报警和系统复位等。对过电流值的设定，一般选择大小为 5.5 倍的额 定电流，这是因为一般的限流起动时，选择的最大限流幅度为 5 倍，因此要留出一定 的余量来保证正常起动时不至于切断电路。过流保护的具体回路如图 3-15 所示。 + - +5 +5 r83 r84 r89 r90 r92 r93 r91 ta1 ta2 ta3 图 3-15 过电流检测电路 4 基于单片机的软起动器的设计 本课题设计的软起动器是以单片机为控制芯片的三组反并联晶闸管调压电路成的。 该软起动器的系统原理图如图 4-1 所示。 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 32 键键盘盘操操作作 控控制制器器 电电流流电电 压压检检测测 l le ed d 显显示示 同同步步电电路路 控控制制系系统统 状状态态输输出出 晶晶闸闸管管驱驱动动 图 4-1 软启动系统原理图 本软起动器的设计主要包括主回路、控制回路和驱动保护回路。主回路主要由三 组反并联晶闸管和接触器组成，通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端 的电压；而接触器的主要作用是在软起动过程完成以后，把反并联晶闸管组从三相电 源中旁路。在需要软停车时，再把软起动器装置接入到电机回路中，完成软停车的功 能。在控制回路和驱动保护回路中，电路包括了电压检测，电流检测，晶闸管触发电 路，接触器驱动电路，人机界面，供电电源电路等。 软起动器各部分电路的协调工作需要软件的配合，因此软件设计的好坏直接影响 到系统能否正常运行、能否满足系统的设计功能要求。 4.1 单片机控制系统设计 软启动器的控制系统有两部分组成，一个是单片机及其外围电路组成的微机电路 系统，另一个是信号处理电路。信号处理电路负责主电路的电压和电流信号的处理， xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 33 并将处理后的电流送单片机进行 a/d 转换，同时该电路监视三相电流的不平衡情况， 实现三相不平衡保护和短相保护，通过对三相电源电压的监视，实现对过电压和欠电 压的保护；通过安装在散热器的热敏开关，也能实现晶闸管的过热保护，各种保护信 号经过逻辑与后， 送到单片机的外部中断请求输入脚，作为外部故障信号处理；单片 机控制系统主要负责参数设置与修改、电动机起订过程的控制和触发角的计算、运行 状态的监视、故障的保护与处理等功能10。 单片机控制系统采用 avr 系列单片机的 at90s835 为主控制芯片，其封装形式有 40 脚 pdi 部分 p、plcc 和 tqfp 封装。该芯片有 8kb flash 程序存储器、 512bsram、8 通道 a/d 转换器、内部发生器等组成。 由于 at90s8535 芯片的片内资源丰富，由它组成的控制系统硬件结果非常简单， 软启动的 cpu 部分如图 4-2 所示。根据软启动器设计的要求，控制系统的资源分配如 下：控制键的键盘输入信号，通过键盘操作，完成启动参数的设置、电动机起停控制、 默认参数的保存、外部故障的查询和处理等，led 显示由 pb 口和 pc 口组成，其中 pb0pb6 作为 led 的段码输出信号，pc0pc5 作为 led 位码选择信号，显示部分由 4 位 led 数码管和二级管组成，作为启动参数设定、运行监控及故障处理等显示，并 按动态方式按时刷新各个显示位；pa1 作为 a/d 采样入口，由于采样主电路电流信号， 供限流控制、过电流保护、过载保护等使用；由信号处理电路送来的故障检测信号输 入到 int0 引脚，当故障发生时，由向 cpu 提出中断请求，cpu 响应中断，在中段服 务程序中根据电路的运行状态封锁晶闸管的触发脉冲、或断开主路，并实现闭锁。同 时信号处理电路送来的故障检测信号也送到 pa1 输入脚，作为故障输入的检测。在故 障发生并封锁了触发脉冲后，程序将不断检测 pa1 位的状态，当该状态位显示故障已 经解除时，闭锁解除，撤销封锁信号，是系统复位。pd5 初始化为 pwm 输出工作方 式，作为晶闸管触发脉冲的控制命令输出，单片机通过内部运算输出一定比例的 pwm 波，此 pwm 波经过滤波后获得 05v 直流电压送触发脉冲模块，作为触发脉冲的控制 命令， xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 34 7045 主主电电路路开开关关控控制制命命令令位位 主主电电路路开开关关控控制制命命令令位位 at90s8535 +5v vcc u1 10 pc7 pb7 pb2 pb1 pb0 pb3 pb4 pb5 pb6 pc0 pc1 pc2 pc3 pc4 pc5 pa7 pa2 pa3 pa4 pa5 pa6 pd5 xtal1 xtal2 reset agnd aref avcc pa0 pa1 pd2 pd4 txd/pd1 rxd/pd0gnd 3 2 1 +5v +5v led段段码码信信号号输输出出 led位位选选信信号号输输出出 键键盘盘输输入入引引脚脚 驱驱动动信信号号输输出出 故故障障封封锁锁信信号号 电电流流采采样样 外外部部中中断断输输入入 13 12 9 31 32 30 40 39 16 15 18 14 c1 c2 x2 c3 c4 r1 r2 29 8 7 6 5 4 3 2 1 27 26 25 24 23 22 19 33 34 35 36 37 38 图 4-2 软启动器单片机控制系统的 cpu 电路部分 该电压正比于 pwm 波的占空比。pb7 和 pc7 作为主电路控制命令输出脚，在上 电自检无故障后，使该位变 1，让控制继电器动作，控制主电路开关闭合通电。 rxd(pd0)引脚和 txd(pd1)引脚作为串行通信用。 4.2 控制软件设计 单片机控制系统的软件设计必须完成电动机软启动器应具有的参数设定、状态显 示、起停控制、故障检测和保护等任务。根据上述要求，控制系统软件由主程序和 4 个中断程序组成，程序如图 4-6 所示。 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 35 初始化 自检 从eorom中 读入数据 闭合主电路开关 读按键 键处理 主程序如口 2.5ms定时显示中断程序 保护现场 读入显示数据位 输出数据位 修改数据位 恢复现场 返回 int0中断子程序 保护现场 输出封锁信号 送报警码至显示缓冲 恢复现场 返回 a) b) c) 大于峰值吗 大于限流值吗 过载否？ 返回 置过电流标志 置过限流标志 置过过载标志 y y y 故障否？ 启动允许？ 停止允许？ 运行状态？ 返回 停车处理 启动处理 调过载 保护处理 n n n n n n n y y y d） a/d转换中断程序 读入采样数据 10ms中断控制程序 故障否？ 图 4-3 控制程序流程图 a）主程序流程图 b)定时显示中断服务流程图 c)外中断服务流程图 d)a/d转换服务流程图 e)定时触发脉冲角计算和控制指令 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 36 具体功能如下： 1、主程序完成系统自检、变量的初始化、键盘扫描、参数修改等任务。程序运行 经过自检无故障后，将 eeprom 中的所有数据都读入 sram 中暂存，用户可以通过 键盘修改运行参数，若需要将参数修改后的数据作为默认值保存，则可以将数据重新 写入 eeprom 中；如果不修改运行参数，程序将按照 eeprom 提供的默认数据工作。 2、int0 中断服务程序完成动态显示任务。让 t0 工作在定时器方式，并且每 2.5ms 益处并产生一次中断，在中断程序中，完成一个显示位的动态刷新。12ms 将完成 6 个 位的循环显示。 3、int0 中断服务程序实现对外部处任务，当外部故障发生时，由信号处理电路 送来的故障信号产生负跳变，向 cpu 发出中断请求信号，cpu 相应中断并执行 int0 中断服务程序，封锁晶闸管触发脉冲，并根据故障的类别输出相应的故障报警代码。 4、a/d 中断服务程序负责电动机电流信号的采样，并与系统设定的限流、过载、 过电流等阈值比较，判断是否出现限流、过载、或过电流等现象，给出相应的状态标 志。 5、t2 中断服务程序实现电动机的启停控制、过载保护、故障闭锁的复位等任务。 t2 每 10ms 发生一次中断，在中断服务程序完成晶闸管触发脉冲角的计算与控制命令 输出。 4.3 触发脉冲控制的软件设计 由单片机产生所需的晶闸管移向触发脉冲，必须包括同步电压检测环节、移相延 迟角定时环节、触发脉冲时序分配环节等部分，它与模拟电路实现的方法是类似的。 同步检测信号在发生正跳变时，经反相以终端的形式向 cpu 的 int0 提供同步指 令。采用 cpu 内部 t0 定时器检测同步信号的周期，用 t1 定时器实现移相角的定时控 制，p1 端口的 p1.2p.7 分别用于输出三相桥式整流电路的触发信号，而 p1 口的 p1.0p1.1 除法指令进行采样。而由于 mcs51 单片机在 cpu 上电复位期间，所有输出 为高电平，为避免复位期间所有晶闸管存在驱动信号，应采用低电平为有效触发信号。 即当端口输出为低电平时，经外加反相器变为高电平后触发晶闸管导通，输出触发脉 冲的宽度也通过定时器 t1 来控制。触发脉冲的控制软件框图如图 4-3 所示。 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 37 a) 主程序 初始化，并设 置处置 开放外中断 计算脉宽定时处置 并保存 读入触发角指令 看门狗处理 c) 主程序 触发角调整计算，由此确定 第一个脉冲指令初值并保存 计算触发角对应的定时初 值，并送初值至t1定时器 置脉冲前沿标志 取第一个脉冲指令 触发延时角定时值 减去循环延迟角 计算下一个脉冲间 隔的定时初值 idt=1？ 启动t1 恢复现场 返回 n y 保护现场 关定时器t0 读入t0值并保存 定时器t0清0，重新启动t0 关断t1 idt=1？ 通过循环延时来完成未完 成触发脉冲的输出 输出全1 n y 定时器t1中断程序 start=1? 输出触发脉冲信号 关t1 清脉冲前沿标志 start清idt 开t1 计算下一个触发脉 冲，并保存 返回 输出全t1 关t1 r5-1=0？ 置idt，r5=6 置start 间隔时间初值至 t1 开t1 n n y y b） 图 4-3 移相触发脉冲产生的控制软件流程图 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 38 a) 主程序图 b) t1 定时中断子程序 c) 外部中断程序流程 根据上述控制思路，用 mcs-51 汇编语言编写的控制软件清单如下： ；* start of program * ； （mcs-51 汇编程序） ；* * width equ 07h ；脉冲宽度定时计数值高 8 位 widtl equ 0d0h ；脉冲宽度定时计数值低 8 位，07d0h=2000 次计数周期 alfa equ 31h ；触发脉冲延迟角保持单元 drive equ 32h ；触发脉冲保存单元 drive0 equ 33h ；第一个输出脉冲触发信号保存单元 th equ 34h ；同步电压信号周期的计数值保存单元 tl equ 35h ath equ 36h ；触发延迟角的定时计数值保存单元 atl equ 37h intervh equ 38h ；保存 60角的定时计数值高 8 位单元 intervl equ 39h ；保存 60角的定时计数值低 8 位单元 width0 equ 3ah ；脉冲宽度定时初值高 8 位单元 widtl0 equ 3bh ；脉冲宽度定时初值低 8 位单元 ； start bit 01h ；脉冲前沿标志（=1 为前沿） idt bit 3ch ；触发信号是否发送完毕的判断标志 ； org 0000h sjmp begin ；主程序入口 org 0003h ajmp int0 ；外部中断 0 入口 org 001bh ；定时器 t1 中断入口 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 39 ajmp t1_int ；* org 0030h begin：mov sp，#60h； 设置栈指针 mov tmod，#11h；设置 t0，t1 均为 16 位定时器 mov tcon，#01h；置 int0 为跳变脉冲方式，t0，t1 停止计 数 mov ip，#08h ；用于输出脉冲的 t1 为最高优先中断级 mov ie，#8bh ；仅开放 int0 中断允许 mov a，#0 ；计算脉冲宽度定时值 clr c subb a，#widtl mov width0, a clr c ； loop： clr p3.7 mov alfa,#01h ；读入触发延迟角指令值 ；实际上可通过 a/d 转换、串行指令、 压控振荡计数等 ；许多方式完成触发延迟角指令值的输 入 setb p3.7 simp loo ；循环等待中断 ；* * int0： push psw push acc mov r5,#6h ；设置输出脉冲计数器初值 xx 大学 xx 学院毕业设计（论文） 40 clr tr0 ；管定时器 t0 mov th，th0 ；读取定时器计数值的同步信号周期 mov tl，tl0 mov th0, #0 ；清计数值，便