（控制理论与控制工程专业论文）软起动数字触发器研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 异步电动机软起动控制器大多采用晶闸管交流调压电路，它具备结构简单， 使用可靠，成本低，易维护等优点。但是现有的触发器大多存在一些不足，如控 制精度不高，可靠性差，智能化程度低等。 本文在介绍了晶闸管触发器的发展，在比较了模拟触发器，集成触发器，微 机控制型触发器，数字触发器等各自优缺点的基础上，确定了以c p l d + m c u 为 结构控制的数字触发器方案。其中c p l d 负责软起动器触发脉冲的产生，单片机 ( m c u ) 实现控制和算法生成，较好的结合了c p l d 的良好性能和单片机所具 有的智能特性，有效的利用了c p l d 和m c u 的资源，实现了输出脉冲对称度好， 精度高，稳定性好，触发角范围大的软起动数字触发。 本文首先讨论了电机软起动的阻抗变换理论，结合触发器的工作原理，提出 了系统的设计方案，并重点介绍了以c p l d + m c u 为核心的数字触发器系统的硬 件和软件设计，采用智能算法，将电机起动的实际电流与预设定的电流进行比较 然后确定晶闸管的控制角，并将控制信号送给c p l d ，由c p l d 产生符合要求的 触发脉冲，从而实现电机的软起动。 鉴于同步信号以及触发脉冲的产生在数字触发器系统中的重要性，本文最后 对同步信号的产生，以及触发脉冲的产生进行了仿真，并给出了各个部分的仿真 波形。 关键词：软起动， c p l d ，m c u ， 数字触发器，仿真 a b s t r a c t t h ec o n t r o l l e ro fs o f t s t a r t i n gf o rn e wt y p et h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r m o s t l ya d o p t sc i r c u i t sw h i c hc h a n g et h es t a t o rv o l t a g e o fa s y n c h r o n o u sm o t o r , w h i c h h a ss i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c e , l o wc o s t a n df a c i l ew i t ht r a n s d u c e r a c c o r d i n g l y , t h em a i n t e n a n c e i na p p l i c a t i o no nc o m p a r i s o nh i g h p o w e ra s y n c h r o n o u s m o t o ro ft h ec o n t r o l l e rb e c o m e sw i d e ra n dw i d e r b u te x i s t i n gs y s t e m sm o s t l yh a v e s o m es h o r t a g e s ，f o re x a m p l e ，t o ob i g ，i m p r e c i s ec o n t r o l ，s i m p l em a n 。m a c h i n e i n t e r f a c ea n dl o wi n t e l l i g e n c e t h i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h es c rt r i g g e r , o nd i s c u s s i n gt h ea n a l o g t r i g g e r ，t h ei n t e g r a t e dt r i g g e r ，t h ec o m p u t e r - c o n t r o l l e d t r i g g e ra n dt h ed i g i t a l t r i g g e r ，w ea d o p tt h ec p l d + m c uc o n t r o l l e r t h ec p l di s u s e dt op r o d u c et h e t r i g g e rp u l s es i g n a l a n dm c uc o m p l e t ec o n t r o la n dg e n e r a t i n ga l g o r i t h m t h i s m e t h o dm a k e st h es y s t e mh a v eaw i d et r i g g e r i n ga n g l e ，h i g hc o n t r o l l i n g ，p r e c i s i o n a n db e t t e rs y m m e t r yo u t p u tp u l s e s t h i sd i s c u s s e st h et h e o r yo fi m p e n d e n c ec o n v e r s i o no ft h es o f ts t a r t e ro nm o t o r 6 r s t l y ，i n c l u d i n gt h et r i g g e rp r i n c i p l e ，i tr e f e r st ot h ed e s i g n e dp r o g r a m m e ，b e s i d e s ，i t i n 缸o d u c e st h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r es y s t e mt h a ta r ec e n t e r e db yc p l d a n dm c u o ft h ed i g i t a lt r i g g e r t h i sp a p e r u s e st h ei n t e l l i g e n ta l g o r i s m ，i tc o m p a r e st h ep r a c t i c a l c 1 锄t e n to ft h em o t o rs t a r i n ga n dt h ee x p e c t e dc u r r e n ti no r d e rt om a k es u r eo ft h e c o n t r o la n g l eo ft h es c ra n dd e l i v e r st h ec o n t r o ls i g n a lt oc p l d ，t h ec p l d w i l lg e t t h et r i g g e ri m p u l s ei nr e s p o n dt ot h es i g n a l s oi n t h i sc o u r s e ，t h em o t o rw i l ls t a r t s o f t l y i nv i e wo ft h ei m p o r t a n c eo fs y n es i g n a la n dt r i g g e rp u l s ei nt h ed i g i t a lt r i g g e r s y s t e m ，t h eg e n e r a t i n go fs y n cs i g n a la n dt r i g g e rp u l s ea r es i m u l a t e da n d t h ev a r i o u s p a r t so f t h es i m u l a t i o nw a v e f o r ma r eg i v e n k e yw o r d s ：s o f ts t a r t e r ，c p l d ，m c u ，d i g i t a lt r i g g e r ，s i m u l a t i o n i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 、， 签名：i 丝煎羞日期：五趟：垡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 基名：主堡丝查 导师签名： 日期：泸8 gl 毛 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的题目及来源 第1 章绪论 课题题目：基于软起动的数字触发器研究 课题来源：湖北省科技攻关项目 1 1 2 课题研究的背景 电动机是工业、农业和交通运输的重要设备，应用的行业十分广泛，如冶金、 钢铁、石化、电厂、水厂以及机械制造与加工等。随着国民经济的不断发展，许 多工业企业的生产能力迅速提高，随之而来的大、重型生产设备不断涌现，其生 产设备的驱动电机容量也越来越大，比如在钢铁和石油化工行业使用几千千瓦甚 至1 万千瓦以上的电机越来越多，与其配套的控制设备的性能已成为用户关注的 焦剧。 三相异步电机具有低成本，高可靠性和维护方便等特点，其应用的行业也十 分广泛，如冶金、钢铁、石化、电厂、水厂以及机械制造与加工等，几乎涉及到 所有行业，根据1 9 9 5 年电机调速技术产业化途径与对策的研究报告分析所 知，全国仅风机泵类设备就高达4 2 0 0 万台以上，其中低压( 3 8 0 v , - - - , 6 6 0 v ) 中小容 量电机与高压( 3 i o k v ) 中大容量电机的比例约为4 ：1 ，而风机泵类设备用高压电 机则在8 0 0 万台以上，并且每年以5 1 0 的速度在递增，如果加上其它机械 设备所用的高压电机，则其数量相当惊人。 随着生产技术的改进和对工业过程要求的发展，与电机配套的控制设备的 性能越来越成为用户关注的焦点，而起动器就是高压电动机主要的控制设备之 一。 鼠笼式异步电动机的起动性能最重要的指标是起动电流和起动转矩的大小。 传统的直接起动是用闸刀开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压 的电网上。直接起动的优点是操作和起动设备最简单，其缺点就是起动电流很大， 一般鼠笼式异步电动机直接起动电流倍数为i 吼i n = 4 , - - - 7 倍，严重情况下，可能达 到十倍以上，起动转矩倍数t s t t n = i - - - - , 2 。按国家标准g b 7 5 5 6 5 规定，三相感 应电动机的最大转矩至少不低于1 6 倍额定转矩，当电网电压压降1 5 时，仍有 1 6 * 0 8 5 t n = 1 1 5 6 t n 倍额定转矩，接在同一电网上的其他感应电动机不致停转。 因直接起动通常只限于起动时，在电网中引起的电压降落不超过1 0 - 15 ( 对于 武汉理工大学硕上学位论文 经常起动的电机取1 0 ，对于不经常起动的电动机取1 5 ) 的场合。同时，直接 起动方法的应用还受到电网容量的限制。若电网容不够大，则电动机的起动电流 可能使电网电压显著下降，严重影响接同一电网上的其他电动机和电气设备的正 常工作。 为了解决这个问题( 直接启动问题) ，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自耦变压器降压起动、串电抗器起动和y 转换、延边三 角形起动、电阻调节等等。其中自耦降压起动设备复杂：y a 转换起动附加设备 少，操作简便，但起动电流仍较太，只适合小型电机起动：延边三角形起动电流 亦较大。采用这些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，但仍存着以下问题： ( 1 ) 它们通常是靠接触器来切换电压以达到降压目的，所以无法从根本上解 决起动瞬时电流尖峰的冲击： ( 2 ) 起动转矩不可调，起动时存在冲击电流，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： ( 3 ) 由于起动过程中，接触器是带载切换，因而容易造成接触器触点拉弧损 坏等。 除了以上提到的比较传统的降压起动外，人们还发明了一些别的软起动方 法，其中包括： ( 1 ) 变频器作为软起动装置 变频器主要是用在交流电动机调速上，具有明显的节能效果，特大型电动机 ( 1 0 0 0 0 k w 以上) 由于以前找不到合适的软起动装置，故多选用变频器来做软起动 装置。 用变频器做软起动装置其性能是非常理想的，它的电压和频率都能连续从零 起调，保持电动机有较小的转差率，因此可以做到无过流，起动力矩也大，具有 很好的起动性能， ( 2 ) 液态电阻软起动方式 此方式为能量损耗型降压起动，起动时大量的能量消耗在水电阻上，然后逐 渐向电动机转移能量，使电动机提速。 ( 3 ) 基于可变电抗器技术的智能型固态软起动方法 基于可变电抗器技术的智能型固态软起动器是利用可变电抗器来隔离高压 和低压，其基本设计思想是将可变电抗器的一次绕组直接与电机定子( 或转子) 串 接，在电抗器中增加二次线圈，将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。 通过智能控制器与电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组，达到改 变可变电抗器一次阻抗的目的，进而改变交流电机的输入电压，使交流电机实现 武汉理t 大学硕十学位论文 软起动。 对以上几种软起动的方法进行比较，我们可以得出结果，如表1 1 所示，根 据比较结果，综合各方面因素不难发现基于可变电抗器的固态软起动装置具有出 色的性价比。 为了使电动机能够起动起来，并很快达到额定转速正常工作，要求电动机具 有足够大的起动转矩且起动电流不能太大。因此，总是希望在起动电流比较小的 情况下，能获得较大的起动转矩。随着电力电子技术的发展，电力半导体开关使 无电弧开关和连续调节电流成为可能，以上所提及的直接起动的缺点都可以得到 解决。本文即对电机软起动相关问题的研究。 表1 1 各种软起动方式比较 软起动装置变频器软起动液态软起动可变电抗器软起动 起动电机最人容量5 0 0 0 0 k w 1 8 0 0 0 k w5 0 0 0 0 k w 能鲑损耗较小最人小 可靠性较低低最高 检修周期短短较短 操作过电压小小小 高频谐波大大小 环境温度0 4 0 o 4 0 3 0 4 0 安装倾斜度无要求小丁5 。无要求 耐振动能力适中差强 起动电流控制精度准确受环境影响不准确准确 使用寿命 较短短长 体积 小大较小 价格 最高低适中 起动电流 小一般较小 起动时间较短一般较短 起动重复性连续( 长时间)间隙连续( 长时间) 起动过程闭环、恒变转矩闭环恒流斜坡恒流突跳脉冲 软停效果很好一般很好 1 1 3 课题研究的目的及意义 三相交流异步电动机软起动技术可实现软起动、软停车、轻载节能和多种保 3 武汉理工人学硕士学位论文 护功能。在电机的起动过程中，通过电力电子元件控制电机的端电压平缓地增加， 达到降低电机的起动电流效果。电机起动电流的降低可以有效的减少电流在传输 线路上的损耗和线路压降，提高电源设备的利用率，减少设备的投资。 在电机软起动技术中，对晶闸管的精确触发是核心。作为湖北省科技攻关项 目智能型固态软起动器的研制的子项目，本文研究了基于软起动的一种新的 数字触发器，通过采用新的技术实现对晶闸管的精确控制，与传统触发器相比具 有可靠性高、脉冲信号对称性高、分辨率高。该数字触发器在电机软起动的应用 中取得了良好的效果。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 触发器的发展历程 近4 0 年来，伴随着晶闸管自身的发展，触发器也在不断的演进，其历程可分为 四个阶段：分立器件构成的初始期，多片集成的成熟期，数字化的提高性能期，未来 的单片智能期。 1 1 ) 分立器件构成的初始期【2 】 1 9 5 7 年发明晶闸管，并于上世纪6 0 年代后期至7 0 年代初期批量生产和使用。 这一时期，晶闸管主要用来取代汞弧整流器，实现从交流到直流的转化电力电子行 业称之为顺变器阶段。在该阶段内，晶闸管应用的主要领域是电解、电镀和直流 调速等，其触发器可以说全为分立器件，可分为阻容移相桥、单结晶体管、正弦波 同步、锯齿波同步等几种触发器等。由于分立器件的分散性及所用元件的数量较 多，因而决定了一个晶闸管的触发器就是一块控制板。所以这一时期生产的晶闸 管电力电子成套装置几乎全为多块控制板式的插件箱。单相全控桥晶闸管整流系 统，就需4 块触发器板、一块正电源板、一块负电源板、一块保护板、一块调节 板，共8 块控制板。用量较大的晶闸管三相全控整流系统，在这时为6 块触发器板： 一块调节板，一块保护板，一块给定板，两块电源板，一块放大板共1 2 块控制板，组成 插件箱结构。由于分立器件分散性大，其参数易受环境温度等变化的影响而漂移， 决定了这一阶段晶闸管的触发器的可靠性相对较差，系统结构及配线较复杂，使用 起来不很方便。 2 ) 成熟应用的集成期 为了弥补分立器件构成的晶闸管触发器之上述缺点，上世纪7 0 年代后期至今， 世界上电力电子技术发达的国家不断推出了模拟集成触发器，使晶闸管的触发器 从多块板变为一块控制板，使用极为方便，成为电力电子成套装置所用触发器的主 4 武汉理t 大学硕士学位论文 流。 3 ) 具有极高精度的数字化提高性能期 微型计算机技术的发展，使电力电子行业可以方便地应用微单片机技术来制 作触发器，从而使晶闸管触发器的控制精度和相位控制更加精确，使用更加方便。 同时，数字触发器因不存在模拟触发器的分散性等缺陷，故使触发器技术又向前推 进了一步。 1 2 2 触发器的发展现状 分立式晶闸管触发器已被集成式触发器所取代。在新生产的晶闸管类电子设 备中分立式触发器已不再使用。上世纪7 0 年代后期及8 0 年代初期投运的电力 电子设备，这类触发器正在被不断地改造和淘汰。电力电子成套装置中所用晶闸 管触发器的主流是集成式触发器。这类触发器种类繁多，且以多片模拟式集成块 构成，常用的有k j 0 0 4 、k j 0 0 9 、t c a 7 8 5 等。在国内也有应用时基电路5 5 6 ( 或5 5 5 ) 和运放l m 3 2 4 配合使用构成的集成触发器。 表1 2 国内可以买到的集成触发器的型号及厂商 类别型号生产厂或供货商应川场合 单相晶闸管触发器 k j 0 0 1 、0 0 5 、0 0 6 、 航天部七一所单相调压或过零 k j 0 0 7 、0 0 8 、0 1 0 、上海电科所触发 k j 0 1 1 可同时用于单相或k j 0 0 4 、k c 0 4 、l ( j 0 0 9 、陕西高科电力电子有限单相或三相整流 三相电路的触发器k c 0 9 、t c a 7 8 0 、t c a 7 8 l 、责任公司逆变系统 t c a 7 8 5 、k m l 8 3 、 上海电科所 k m l 8 2 德国西门子公司 三相晶闸管触发器 t c 7 8 7 、t c 7 8 8 陕西高科电力电子责任单相或三相整流 有限公司逆变、调功系统 西安7 7 1 所 数字式自对相及相 k c l 8 8 、k c l 6 8 、c a 6 1 0 0陕曲高科电力电子有限单相调压、单相 位自适应触发器 责任公司双半波及单相桥 式、三相桥式整 流 单相晶闸管触发器 k m 0 3山东青岛仪表研究所单相调压、单相 模板整流 单相桥式品闸管触 t h l 0 1 、j q c l 系列、k c z 2 山东青岛仪表研究所单相调压、 发模块系列、 k t m 0 5 、山东电子研究所单相整流 k t m 2 0 11 a 、c f 9 7 x x 系列陕西高科电力电子有限 责任公司 三相桥式晶闸管触t h l 0 3 、c f 9 7 x x l 8 系列、山西电子研究所三相桥式， 发模块k c z b 系列、k c z 6 系列山西高科电力电子有限三相半波整流 责任公司 武汉理工大学硕十学位论文 表1 2 给出了国内可以买到的集成触发器的型号及厂商【3 】。 单片集成触发器近几年出现，用以取代多片系列或t c a 7 8 5 系列构成的触 发器，其用量正逐年扩大。这类触发器有t c 7 8 7 ；t c 7 8 8 等型号。 数字式触发器由于其相位控制精度高、控制方式灵活，弥补了模拟式集成触 发器使用必须确定同步电压相序，需增加同步变压器等不足。在第一代数字式触 发器( 由单片机最小系统实现) 的基础上，已开发了具有相应自适应功能及自对相 功能的单片数字式触发器，如k c l 6 8 、k c l 8 8 、c a 6 1 0 0 等。晶闸管触发器的配套 件如脉冲变压器、功放单元等逐片系列化、标准化。 晶闸管触发器中应用的脉宽调制技术和强触发技术得到了飞速的发展，使触 发器输出脉冲的调制频率越来越高，脉冲变压器的体积愈来愈小，触发器的总功耗 日益降低。 1 2 3 触发器的发展趋势 从晶闸管的触发器技术的发展趋势，我们可以预测： ( 1 ) 晶闸管触发器的配套件将更加系列化、模块化、标准化，给使用者带来 更大的方便。 ( 2 ) 带有完善保护功能的自对相、相位自适应触发器的使用领域将扩大，并 成为触发器的主流产品。 ( 3 ) 单片数字化触发器，将进一步提高晶闸管类电力电子设备的性能和档次， 并实现保护、触发、功率因数补偿、功率因数校正等一体化。 1 3 论文的主要研究内容 本文结合国内外最新研究成果，介绍了晶闸管触发技术的应用及发展，确定 了c p l d + m c u 的数字触发器方案，c p l d 实现触发脉冲的产生，而m c u 则主 要完成算法的实现。本文详细的阐述了数字触发器统的硬件结构、电路设计，控 制算法设计，最后对系统进行了仿真。 论文研究的主要内容： ( 1 ) 数字触发器方案选择及结构设计，给出了软起动中的数字触发器的结 构，比较了各种方案的优缺点，最后确定了触发器的方案设计。 ( 2 ) 数字触发器的硬件设计，介绍了c p l d 和m c u 的选择，并分别介绍了 各单元电路的设计。 ( 3 ) 数字触发器的软件设计，给出了算法，并介绍了流程图。 ( 4 ) 系统仿真，分别对硬件部分和c p l d 的程序进行了仿真。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本课题来源于湖北省科技攻关项目，本章首先介绍了电机软起动的几种常 用方法以及各自的优缺点，对于软起动中用到的晶闸管触发技术，本章从触发器 的发展历程、现状、趋势三个方面介绍了晶闸管触发器的应用及发展，最后说明 了本论文要完成的主要研究内容。 7 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章数字触发器理论基础与方案选择 2 1 可变电抗式固态软起动系统 2 1 1 系统结构设计 可变电抗式固态软起动方法利用可变电抗器来隔离高压和低压，其研究思路 是将电抗器的一次线圈与电机相串接，在电抗器中增加二次线圈，将二次线圈与 功率变换及智能控制器连接。通过智能控制器与功率变换器改变电抗器二次线圈 的电压或电流，从而改变电抗器一次电抗值，进而改变交流电机的输入电压，使 交流电机实现软起动。可变电抗式固态软起动系统框图如图2 1 所示，其中电力 电子功率变换器就是由本文要研究的数字触发器以及触发对象组成，其结构如图 2 2 所示。 图2 1 可变电抗式l 古l 态软起动系统框图 图2 - 2 电力电子功率变换器的结构图 由电力电子功率变换器构成的软起动器可以扩展为两种结构，其拓扑结构图 如图2 3 所示。 武汉理t 大学硕士学位论文 a b 图2 - 3 电力电子功率变换器的拓扑结构图 其中a 图数字触发器的触发对象为晶闸管，b 图中数字触发器的触发对象为 i g b t 。 2 1 2 理论基础及工作原理 为了研究的方便，我们可以把图2 1 中的可变电抗变换器独立出来，其工作 原理图如2 4 所示。建立可变电抗器的等效模型，在个电源周期内，晶闸管功 率变换器在关断与导通之间变化，此时，主线圈相当于一个可变电抗器，电路原 理图如图2 5 所示【4 】【5 】【6 】。 u a x z x z 图2 。3 可变电抗器工作原理图2 4 功率变换器t 作时可变电抗等效电路图 根据电磁变换原理有： 9 一厶 r 盟m = 巩一厶 m 生m m i i 一 u 武汉理工人学硕十学位论文 因为桫，秽u 2kz l l 2 等2 ( 辨i 螂。i ( 2 - 。) 于是图2 5 可等效为图2 - 6 ： 可知：以= ( z + z 1 ) ，则u = z , l z + z , i t 即 a x 图2 - 6 - t 作时可变电抗器等效电路图 小声钾 陋2 ， 对公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 进行讨论如下： ( 1 ) 当u l 及z 一定时，改变z 即可改变z l ，从而改变i l ，进而改变u 2 当z 7 增大 时，z l 增大，i l 减小，u 2 减小；当z 减小时，z l 减小，i l 增大，u 2 增大。 ( 2 ) 当晶闸管功率变换器全导通时，z 最小为0 ，z i 最小为0 ，i l 最大，u 2 最大。 ( 3 ) 当晶闸管功率变换器关断时，z 最大，z ，最大，i 1 最小，u 2 最小。 ( 4 ) 设晶闸管功率变换器的控制角为q ，设乃为副边回路在工作状态下等效阻 抗，由图2 4 可知：晶闸管功率变换器两端电压为： “2 2 4 2 u 2 s i n r a t ( 2 3 ) 在晶闸管工作状态下，副边电流波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐 波，根据傅立叶公式，可知副边电流为： i 2 ( c o t ) = ( c o s n c o t + bs i n n c o t ) n = 1 , 3 , 5 ( 2 4 ) 则 卵昙【i ( r a t ) c o s r a t d ( r a t ) = 妻e 酱s i n r a t c o s 嘶垆翱幽川 乃，= 姜e 拟) s i n 咧硼= 孤4 2 u 2 s i n 2 口+ 2 ( 万叫】 旷翕c 扣气1 础1 ， l o 武汉理工人学硕士学位论文 6 ，= 确x 2 u l 1 4 护1 2 s i n2 口】 比较口j ，a 3 ，可知前者远大与后者，在比较b l ，b 3 ，也是一样，则a 3 ，a 5 ，a 7 和b 3 ，b 5 ，b 7 可忽略不记，则 i 2 ( c o ) = 口ic o s o ) + 包s i n 耐 ( 2 5 ) 之= 口；+ 砰 根据公式，有效值4 2 之= 南瓜面丽丽= 木x s i n z c r + ( n - a ) 犷s i n 2 a 一+ ( n - o r ) 2 则i z ( 2 7 ) 即由公式( 2 7 ) 式可知，当晶闸管功率变换器的控制角改变时，晶闸管功 率变换器的等效阻抗也改变，晶闸管功率变换器相当于是一个可变阻抗z ，。可变 电抗器电抗模值随晶闸管的控制角的变化曲线如图2 7 所示。 i z l l 1o o ， 6 0 i ! 5 0 ：o 4 0 弧 ；i ! 3 0 。 ! i ! 2 0 ：zi 1 0 l ： 1 iiii 一 3236 图2 7 可变电抗器电抗模值随晶闸管的控制角的变化曲线 由数字触发器构成的软起动电路，利用晶闸管进行调压，其输出电压大小由 晶闸管的导通角决定，而晶闸管的导通角又与其触发角有关。触发角越小，输出 越大。因此，只需在电动机起动过程中通过控制晶闸管触发角的大小，不断改变 晶闸管的导通角来改变输出电压波形，从而改变输出电压的有效值。随着输出电 压的增加，电机转速不断上升。而电机定子电流的大小正比于定子端电压，起动 = 坠厶 l i 武汉理工人学硕上学位论义 初期，电机端电压较小，冲击电流也小，随着电机定子端电压的不断增加，定子 电流也不断增加，最终达到额定转速，实现三相异步电动机的平滑起动，待三相 异步电动机达到额定转速时，软起动自动用旁路接触起取代已完成任务的双向晶 闸管，三相异步电动机起动过程结束。 2 2 数字触发器方案的选择 由上面的内容我们知道，软起动的核心是晶闸管数字触发器，而如何产生我 们所需要的触发脉冲，从而精确地改变晶闸管触发角的大小则是数字触发器所要 研究的重点。对数字触发器的控制，方案有三种：纯c p l d f p g a 控制、m c u 控制及c p l d + m c u 控制。下面分别对这三种控制方案进行分析，比较其优缺点， 并最终确定本系统的控制方案【7 1 。 2 2 1c p l d f p g a 控制的特点分析 c p l d f p g a 作为一种特殊的专用集成电路( a s i c ) ，以其可靠性高、功耗小、 保密性强等特点及其连续式的内部结构，得到了突飞猛进的发展和广泛的应用。 以纯c p l d f p g a 为控制核心进行系统设计，其优势和缺点主要表现在： ( 1 ) 以纯c p l d f p g a 作为控制核心的优势 可靠性高。c p l d 和f p g a 均采用了现代先进的编程工艺和合理的内部 互连结构，可以保证较高的可靠性。另外，对于运用硬件描述语言实现的设计， 其实现方式独立于器件工艺，避免了具体的电路搭接可能造成的不可预知的信号 干扰和布线不合理等问题，有利于提高整个控制系统的性能。 设计效率高。c p l d 和f p g a 内部的基本结构是一些基本的宏单元或逻 辑块，每个芯片中含有几十到上千个这样的基本单元，芯片的端口资源也相当丰 富，方式实现的各种逻辑控制功能。 集成度和保密性高。c p l d f p g a 设计的一个显著优势在于，它们就像 一张白纸，设计者可以定制系统功能，在芯片内实现几乎所有的数字逻辑。这种 集成化设计摆脱了引进分立元件的限制，给系统的可靠性和保密性带来了较高的 保障。 ( 2 ) 纯c p l d f p g a 控制方式的缺点 本身不具备内部寄存器。c p l d f p g a 并不像单片机那样本身含有寄存 器、计时器、中断等资源，虽然可以利用其内部逻辑单元来实现这些功能，但容 易耗费大量的资源。 时序控制能力相对较差。上面提到，c p l d f p g a 具备真f 的并行执行 1 2 武汉理t 大学硕上学位论文 的能力，这一方面成就了它的高效设计，但另一方面也给时序控制带来了很多问 题。 由于c p l d f p g a 主要实现数字逻辑电路，因而在算法的实现方面表现 的极为欠缺。 2 2 2m c u 控制的特点分析 单片机系统是当前应用最广泛、最典型的现代控制系统，具有智能化的硬件 体系结构，主要由软件来实现系统功能，是以计算机为核心的一种“柔性硬件”， 因此设计者拥有相当自由的开发空间，可以形成自己的设计开发风格。以纯单片 机作为系统的控制芯片时，鉴于单片机本身的性能，其优势和缺点主要表现在【8 】： ( 1 ) 纯单片机控制方式的优势： 时序控制能力强。单片机具有专门的时钟电路产生时钟信号，单片机执 行指令是在时序电路的控制下严格按时序进行工作的，保证了整个控制系统的有 序运行。 设计简单快捷。单片机究其实质是一个微型计算机系统，它是在一块芯 片上集成了中央处理单元c p u 、随机存储器r a m 、只读存储器r o m 、可编程 定时计数器、并行口、串行口、总线、中断控制和系统时钟等资源，有的甚至 包含有周d 转换器。这些功能模块已经作为内核嵌入。对设计者而言，只需要 了解其操作方式和指令系统，便可以在软件中方便的实现许多模块级功能。 ( 2 ) 纯单片机控制方式的缺点 端口数目有限。普通单片机的引脚数为4 0 左右，也有低于4 0 引脚的，引 脚的功能主要包括电源、时钟、复位、a d 转换、中断控制、i o 端口等。如果 用这些端口直接产生外围设备所需的数据和控制信号，其数目通常不能满足要 求，这样就需要在外部添加译码和锁存电路来扩展i o 口，由此整个控制系统将 变得庞大和臃肿，设备的体积和重量也会相应增加。 系统的硬件连线复杂，可靠性不高。以纯单片机为控制核心的系统中，由 于添加了许多分立元件来扩展其引脚功能，这必将导致硬件连线复杂、信号之间 干扰增大、信号延时增大等缺陷，造成信号的不稳定，从而降低了整个控制系统 的可靠性和精度，增加了系统的功耗。 2 2 3c p l d + m c u 方案的确定 综上所述，c p l d f p g a 和单片机有很强的互补性。由于三相异步电机软 起动中，需要对电压、电流进行实时采样，并且需要对触发角进行复杂的计算 武汉理_ t 大学硕士学位论文 处理，而c p l d f p g a 只能综合一些简单的数学运算，要实现复杂的计算是十分 不经济的。如果采用查表的方式，需要建立a 、b 、c 三个表格，这样对芯片资 源消耗很大，如果只查询一个表格，那么控制逻辑又非常复杂。而采用 c p l d + m c u 实现刚好能达到互补的效果。采用这种控制结构，庞大的数据表就 可以存放在资源丰富的单片机中，而且查表和数据处理等运算都可以在单片机中 完成，并由单片机将处理后的数据传送给c p l d ，这样一来，大大的节省了c p l d 的资源。而且系统中的纯数字电路如计数器、比较器等数字逻辑都可以在c p l d 中实现，这种比较逻辑在c p l d 中实现非常方便，简化了控制算法，减少了计算 误差，提高了控制的精度，因此基于c p l d + m c u 体系结构的控制系统具备可靠 性高、功耗低、保密性强、体积重量小、速度高、精度高、实时性强等优点。本 系统就是采用c p l d + m c u 体系结构【9 1 。 数字触发器的控制结构如图2 8 所示 厂 r p tnli ，一- ? _ 一一一一一一 。一忒： ，1 l 譬k 1u1 ，。、 f 触 爿藉藩i k - 芗 晶阑管 垮 发 脉 冲 卑 l一 i! 生 咽 电 路 l l 卜一页一 ”、1 流测量i m c u p ：1m w 卜_ 一 j 一二= _ = = _ 一一 f 谢了一一 图2 - 8 数字触发器的控制结构图 数字触发器系统框图如图2 8 所示。整个系统主要由三相晶闸管电路、电压、 电流检测电路、同步电压采集电路、单片机控制电路、触发脉冲产生电路、脉冲 隔离整形电路等组成。用户在按下开始键发出起动命令后，单片机调用e 2 p r o m 中的运行参数并进行相关计算，确定触发脉冲产生模块的控制数字值，通过单片 机总线送到c p l d 触发器，触发器发出脉冲经隔离整形电路来触发可控硅。起动 结束后，由控制器发出信号，使交流接触器吸合，反并联晶闸管暂停工作，由电 源直接供电，使电动机正常运行。 1 4 武汉理- t 大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章首先介绍了可变电抗式固态软起动的系统结构，给出了电机软起动的理 论基础以及工作原理，推导出了电机起动电流的大小和晶闸管控制角之间的关 系。在比较了纯c p l d f p g a 控制、纯m c u 控制、c p l d + m c u 控制的优缺点 基础上，确定c p l d + m c u 的数字触发器方案，最后给出了系统的控制框图，并 对控制框图做了简要说明。 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章数字触发器硬件设计 3 1 系统结构及工作原理 基于c p l d + m c u 的数字触发器系统方框图如图3 1 所示，系统由电源与同 步信号采集电路，脉冲隔离放大，外部时钟以及电压电流测量装置和a d 几个 部分组成【1 0 】。 图3 1数字触发器系统方框图 电源及同步信号采集电路通过三相交流电源中引入电源及同步信号，通过过 零检测电路将同步信号送入c p l d 中，电压电流测量装置采集电机的三相电流或 者电压通过a d 转换送入m c u ，m c u 通过智能算法将采集来的电机的实际电 压或电流与预先设定的值进行比较，根据比较结果向c p l d 送出计数器的初始 值。c p l d 则主要实现缺相保护，脉冲形成与分配功能。 数字触发电路的系统结构中，m c u 送给c p l d 计数器初始值，在c p l d 中使用固定位数的计数器对外部时钟信号计数来控制触发脉冲的移相角，计数器 初始值越大计数时间就越短，移相角就越小；计数器初始值越小计数器计数时间 就越长，移相角就越大，这样通过m c u 输出脉冲的变化来实现脉冲的移相，改 变移相角的大小。c p l d 输出的触发脉冲，通过隔离放大电路来触发相应的晶闸 管。 3 2 硬件设计 3 2 1c p l d 概述及选型 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o 西cd e v i c e ，p l d ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起 来的一种新型器件。它是a s i c ( 专用集成电路) 的一个重要分支，是厂家作为一 1 6 武汉理丁大学硕上学位论文 种通用性能器件生产的办定制电路，用户可以通过对器件编程实现所需的逻辑功 能。它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性， 而且给数字系统设计方式带来了革命性的变化。与单片机相比，p l d 在时序和 迟延的实现上不如单片机，但是p l d 在芯片容量、组合逻辑、工作速度、编程 难度以及可以擦写次数上远优于单片机。p l d 是电子设计领域中最具活力和发 展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于7 0 年代单片机的发明和使用【l l 】【1 2 】【13 1 。 c p l d 是复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的简称， 是可编程逻辑器件的一种。它是在p a l 、g a l 等小规模逻辑器件的基础上发展 起来的。同以往p a l 、g a l 等相比较，它的规模比较大，可以代替几十甚至几 千块通用i c 芯片。这样的c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片得到电 子设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了 多种可编程逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司和a l t e r a 公司的c p l d 器件系 列。本系统设计选用的就是主流厂家a l t e r a 公司生产的一款性价比很高的 m a x 7 0 0 0 s 系列的c p l d 器件e p m 7 1 2 8 s 。 m a x 7 0 0 0 s 系列器件是以a l t e r a 公司的第二代多阵列矩阵结构为基础的一 种复杂可编程逻辑器件( c p l d ) ，它采用先进的0 8 u m c m o s 技术制造。集成了 6 0 0 5 0 0 0 个可用门，其引脚到引脚的延时可达5 n s ，应用广泛。 m a x 7 0 0 0 s 系列器件的技术性能有一下3 个特点： ( 1 ) 高密度、高速度：m a x 7 0 0 0 s 系列器件的系统速度可达1 8 0 m h z ，可用 逻辑门最大为5 0 0 0 个，宏单元最多可达2 5 6 个。 ( 2 ) 在系统编程：m a x 7 0 0 0 s 系列器件采用i s p 技术，具有在系统可编程能 力。 ( 3 ) 边界扫描测试功能：m a x 7 0 0 0 s 系列器件支持i e e e 1 1 4 9 1 边界扫描测试 标准。 m a x 7 0 0 0 s 系列器件内部包括五个部分：逻辑阵列块( ( l o g i ca r r a yb l o c k ， l a b ) 、宏单元( m a c r o c e l l s ) 、拓展乘积项( e x p a n d e rp r o d u c tt e r m s ，e p t ) 、可编程 连线阵列( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c ta r r a y ，p i a ) 和i o 制块( i oc o n t r o l b l o c k s ，i o c ) 。除此之外，还有全局时钟输入和全局输出使能控制线，它们可以作 为一般的输入使用。如图3 2 所示： 1 ) 逻辑阵列块l a b 逻辑阵列块是m a x 7 0 0 0 s 系列器件中最大的逻辑单元，每个逻辑阵列块由 1 6 个宏单元构成，它们与各自对应的i o 控制块相连，4 个逻辑阵列块通过可编 程连线阵列p i a 和全局总线连接在一起。全局总线由所有的专用输入、i o 引脚 和宏单元反馈构成，不同逻辑阵列块之间的连接，正是利用它们来实现的，实现 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 更复杂的逻辑功能。每个逻辑阵列块有如下输入信号： ( 1 ) 来自通用逻辑输入的p i a 的3 6 个信号； ( 2 ) 用于存器辅助功能的全局控制信号； ( 3 ) 从i o 引脚到寄存器的直接输入通道，以实现m a x 7 0 0 0 s 器件的快速建 立。 图3 - 2m a x 7 0 0 0 s 系列器件的内部结构 2 ) 宏单元 m a x 7 0 0 0 s 系列器件的具体逻辑单元称为宏单元，它们可以迎来实现各种 具体的逻辑功能。宏单元由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编程触发器构成，逻 辑阵列来实现组合逻辑函数，每个宏单元提供5 个乘积项。通过乘积项选择矩阵 实现对这5 个乘积项的逻辑函数或者这5 个乘积项作为宏单元的触发器的辅助输 入。 3 ) 拓展乘积项 大多数逻辑函数能够用一个宏单元的5 个乘积项实现，但一些复杂的逻辑函 数需要附加乘积项才能实现。为了提供所需的逻辑资源，可以利用另一个宏单元 内部的逻辑资源。m a x 7 0 0 0 s 结构允许利用其提供的共享和并联扩展乘积项来 实现，而不是利用另一个宏单元。这两种扩展项作为附加的乘积项可以直接送到 本逻辑阵列块的任意宏单元中。由于使用了扩展乘积项，从而在实现逻辑综合时， 能用尽可能的逻辑资源，实现比较快