电机软启动控制系统设计

目 录 1 概述 2 1 1 研究的背景和意义 2 1 2 传统启动方式的介绍 2 1 3 软启动的技术发展和现状 3 2 方案论证 4 2 1 软启动方式 4 2 2 晶闸管调压原理 5 3 系统设计 9 3 1 系统设计框图 9 3 2 主电路和控制电路 10 3 3 单片机的选择 11 3 4 电源电路 11 3 4 检测电路 12 3 5 触发电路 15 3 6 旁路电路 16 3 7 键盘和显示 18 3 8 通信设计 19 4 系统软件设计 20 4 1 系统软件设计主流程图 20 4 2 系统初始化程序设计 21 4 3 模拟信号采集及处理程序 22 4 4 晶闸管脉冲信号子程序 22 4 5 软启动子程序设计 23 4 6 故障处理子程序设计 24 4 8 通信串口子程序 25 4 9 按键和显示子程序 25 结论 27 致谢 28 参考文献 29 附录 A 主电路和控制电路 31 附录 B 控制电路接线图 32 附录 C 原件清单 34 1 概述概述 电机是工农业和交通运输行业中重要设备 应用的行业十分广泛 电机作为重 要的动力装置 因其结构简单 体积可大可小 价格便宜 维护方便 易于制造的 特点 所以电机广泛的应用于日常生活中和工业生产中 在交流电机的启动控制上 常用的启动方式有 全压直接启动和降压启动 直接启动是传统的启动方式 应用 很广泛 但直接启动有许多弊端 近年来得益于变频技术和软启动技术的应用 变 频启动和软启动的降压启动方式广泛应用于电机启动过程中 从根本上解决了电机 启动电流过大的难题 造成对电网冲击的影响 特别软启动技术在解决中 大容量 的电机启动问题有着卓越的作用 这将是替代直接启动的趋势 1 1 研究的背景和意义研究的背景和意义 电机在国民经济和工业生产中启着非常重要的作用 若直接启动电机 电机的 电流可达额定电流的 4 7 倍 这样启对电机和电网电压及其他设备都会造成很大的 影响 由此提出了 软启动 的概念 现在主要有限流软启动 电压斜坡启动 变 频启动等几种软启动 软启动是一种近年来发展非常迅猛的电机启动新技术 采用 串联晶闸管在主回路电路中 来调启动转矩和启动电流 对保护传动系统不受磨损 维护电网质量稳定等方面有突出的作用 是一种理想的软启动方式 随着电力电子 技术的飞速发展和广泛运用 使得无电弧开关和连续调节电流技术的成熟运用 半 导体器件开关具有无磨损 功耗小 寿命长的特性 以及现代控制理论和电力电子 技术的密切结合 加之微机控制技术在工业生产中的广泛运用 为电机软启动的实 现提供了全新的思路和解决方案 从而电机软启动技术得以迅速的发展与广泛运用 软启动技术具有传统启动方法无法比拟的优越性 软启动技术对电机启动的研究具 有重大意义 软启动器是一种集软启动 软停车 轻载节能和多种保护为一体的新型电机启 停控制装置 它不仅使电机在启动 停车 阶段无冲击平滑启动 停止 还能根 据电机负载的需求来改变启动 停车 阶段的相关参数 如启动电压 启动时间 限流值等 同时 它还具有保护电机的功能 这从根本上解决了传统电机启动时的 诸多问题 1 2 传统启动方式的介绍传统启动方式的介绍 传统的电机启动方式有 直接启动 串联电抗启动 星形 三角形 Y 启动 自耦变压器启动 电机直接启动时 启动电流是额定电流的 4 7 倍 对电网和传动系统稳定造成 冲击 造成电网不平稳 因为传统启动方式都同属于机械式启动方式 在电机启动 过程中会产生二次冲击转矩和电流 从而影响系统的稳定性 1 3 软启动的技术发展和现状软启动的技术发展和现状 软启动是按照预先设定的控制模式进行降压启动的过程 电机软启动的意义有 减小电动机的启动电流和缩短启动电流的冲击时间 减小了对电网的冲击 由于软 启动技术实现了电机的软启动和软停车 所以减小了对传动系统和负载启动冲击能 量 从而延长了传动设备和负载的使用寿命 软启动器在电机启动时将启动电流限 定在预设值内 从而使冲击电流减小 还可以通过控制软启动器使转矩平滑上升 保护机械设备和传动设备 以及保护工作人员的人身安全 由于采用微控技术 可 以在电机启动前对主电路进行故障检查 数字化的控制具有较稳定的静态特性 不 易受电压 温度以及时间变化的影响 因而提高了系统的稳定性和可靠性 从而使 系统更易维护 同时 软启动器还可以与计算机之间进行通信 这将为自动化控制 和智能控制的实现提供完美的方案 以下是软启动的几大主要优点 1 电机平滑启动 无冲击电流 电机软启动时 通过控制晶闹管的导通角 使电机的启动电压逐渐升高 电机启动电流限制在预设范围内 电机转速平缓上升 减少对负载的冲击转矩 提高系统的稳定性 增大的电机及拖动设备的使用寿命 2 有软停车功能 是软启动的逆过程 使电机转速平缓降低 直到停止 避免了瞬间断电停机对系统的冲击损害 3 系统参数可调 可以按照负载的需求 改变启动时间 启动电压 启动 电流相关参数 使电机达到最佳的软启动效果 4 智能保护作用 可以实现过压 过流 过载 相序混乱和缺相等保护的 功能 并发出报警 同时停止电机 2 方案论证方案论证 2 1 软启动方式软启动方式 目前有多种软启动器的控制方式 主要采用电压斜坡启动 限流启动 转矩启 动和变频启动等 电压斜坡启动是按照电机的电压由小到大按照设定的斜率线性上升 因为电机 输出转矩与输入定子相电压平方成正比 若输入电压过低 电机输出转矩不足以克 服启始转矩 从而使电机堵转 造成电机发热过快 可能烧毁电机 由于以上原因 电机斜坡启动的初始电压不是从零开始的 而是从合适的初始电压开始的 其 st U 缺点是启动转矩小 转矩特性曲线呈抛物线型上升 不利于启动 且启动时间长 故一般情况下采用双斜坡启动 如图 2 1 所示 以适当高斜率的斜坡电压启动 能 减小电机发热 增加转速提升率 当电压增加到预定值时 电机达到一定的转 1 U 速 然后改用斜率较小的斜坡电压启动 直到电机电压达到额定电压 转速达 N U 到额定转速时 然后切换到旁路电路中去 电机启动完成 这种软启动方式减少 了电机的额冲击电流 电压斜坡启动的特征是启动电流相对较大 启动时间相对较 长 Ust U1 UN U 0 t I m n t I I 0 2 1 电压斜坡启动特性曲线 2 2 限流启动特性曲线 限流启动顾名思义 就是在电机启动时 对启动电流预设一个限流值 主要用 于轻载启动的负载的降压启动 如图 2 2 所示 电机启动时 电压从零迅速增大 直到电流达到限定值 并在不超过的情况下 缓慢增加电压 电机转速逐渐 m I m I 转快 直到启动完成 限流启动的优点是启动电流小 且可根据需求来调节限流值 它的缺点是难以知道启动压降 启动时间相对较长 不能充分利用压降空间 m I 损失启动转矩 转矩控制启动是按照电机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压 其优点是 启动平滑 柔性好 对拖动系统有利 同时减少对电网的冲击 使最优的重载启动 方式 其缺点就是启动时间较长 主要用于重载启动 变频启动是采用调节频率的方式使电机平稳启动 这样能减小启动电流 减少 对电网的冲击 还可以对电机进行调速 其特点 1 效率高 调速过程中没有附加损耗 2 应用范围广 可用于笼型异步电动机 3 调速范围大 特性硬 精度高 4 技术复杂 造价高 维护检修困难 5 适用于精度高 调速性能较好场合 但也存在一些缺点 如开关损耗较大 结构复杂等 特别是变频器的价格昂贵 以及变频启动多用于对电机启动要求很高工作环境和电机调速中 故一般情况下不 采用变频启动 软启动控制的方式还有很多 一般是在上述几种软启动控制的基础上加以改进 如突跳软斜坡启动 突跳限流软启动 转矩加突跳软启动 顾名思义 这三种都是 在原来控制的基础上 加上一定的跳跃 目前最常用的软启动方式是在主电路中串联晶闸管 来实现电机的软启动 晶 闸管主要启调节电压的作用 所以采用电压斜坡启动 2 2 晶闸管调压原理晶闸管调压原理 由三组反向并联的晶闸管构成调压电路 RC 构成保护电路的软启动器 如图 2 3 所示 晶闸管调压电路分为相控调压和斩波调压 相控调压是通过加到晶闸管 门极脉冲相位改变输出电压 而斩波调压是交替接通和关断几个周期内的电源电压 通过改变接通和关断的电源电压来改变输出电压的有效值 但斩波调压通断交替的 频率不能太低或者太高 因为频率太低会造成电机转速的抖动 每次接通电流都相 当于电机的重新启动 频率太高 采用整周斩波调压的控制方式会使调压不够平滑 所以本系统设计方案采用相控调压技术 M 3 VT1 VT5 VT3 VT4VT2VT6 R2R1R3 C1C2C3 U VW 2 3 晶闸管的调压原理 2 3 1 单相晶闸管输出电压分析 为达到电机的平滑启动的目的 需要调节电机定子端输入电压按从小到大逐渐 增大 通过调整三组反向并联晶闸管的触发角 就能达到该目的 晶闸管调压获得 的电压是非正弦的 但每相电压的正负半周是对称的 单相晶闸管导通电压波形如 图 2 4 所示 是晶闸管的触发角 是晶闸管的导通角 是负载的功率因素角 也叫晶闸管的续流角 O U wt 图 2 4 晶闸管的导通波形 由上图可知 的关系 2 1 输出电压有效值 2 2 dUfdUfU SSL 22 0 sin sin 1 2 3 2sin2 sin 2 1 2 S U 其中 为电源相电压的有效值 由是式 2 3 可知 负载电压既是功 S U L U 率因素角的函数 也是触发角的函数 在调压时 每一相负载上所得到的电压 与电流波形在不同的时是不同的 随着触发角增大 负载电流不连续程度的增 加 负载所得电压也随之而降低 通过改变的值 就能改变晶闸管的输出电压 从而改变电机的输入电压 为使电压按照逐渐升高的规律变化 可以通过单片机控 制晶闸管的触发角来达到目的实现 对于固定的负载来说 功率因数角是常量 导通角仅与触发角有关 所以可以通过单片机改变晶闸管的触发角就可改变晶 闸管的输出电压 但在异步电机启动过程中 功率因素角是变量 随着转速的改 变 功率因素角也在变化 所以 在改变晶闸管的触发角的同时也要考虑功率 因素角的变化 这样才能实现电机的输入电压按照预定的规律逐渐升高 2 3 2 三相晶闸管移相触发原理 主电路采用三组反向并联的晶闸管 采用 Y 型接线法连接到三相电机上 如 图 2 3 所示 这种连接方式的简单可靠 产生的谐波也比较少 调压性能优越 因 为电路中没有中线 必须保证至少两相构成通路才能使负载电流流通 而且是一相 正向导通 另一相反向导通 所以要求触发电路能过产生双窄脉冲或者大于的 60 宽脉冲 从而避免了 时 调压电路可能只有一个方向的晶闸管导通的情况 六只晶闸管按照 VT1 VT6 的顺序触发 其中 VT1 VT3 VT5 触发相位依次滞后 VT4 VT6 VT2 触发相位又分别依次滞后于 VT1 VT3 VT5 触发相位 120 这样就形成了 VT1 VT6 的触发相位依次滞后 在本系统设计中 采用 180 60 双窄脉冲触发 在每个周期内对每个晶闸管触发两次间隔为的触发脉冲 60 2 2 3 晶闸管的触发方式 对于三相晶闸管调压电路 触发方式有三路触发和六路触发 每组的两个反向 并联晶闸管共用一组触发脉冲 称为三路触发 6 个晶闸管都各自有都有一组独立 触发的触发脉冲 称为六路触发 对于三路出发而言 虽然每个周期内有两个触发 脉冲 但语气反向并联的晶闸管的触发脉冲出现在它的电压负半周期 因而不能导 通 所哟每个周期内 每组晶闸管只有一个导通 三路触发电路简单 易于实现 六路触发方式可以减少晶闸管控制极的损耗 同时可避免正向 反向 脉冲对负向 正向 晶闸管的误触发 一般用于要求较高的触发电路中 这里采用三路触发方 式 2 2 4 晶闸管的选型和保护电路 晶闸管是主电路中控制电机软启动的重要器件 正确的选择的晶闸管是整个系 统正常运行的前提 主要通过晶闸管的额定电流 电压 成本 耐用性等方面来考 虑 在电机启动过程中存在着较大的过电压和过电流 这对晶闸管的损坏是很大的 所以选型时要对晶闸管的额定电压 额定电流留有一定的裕量 并且附加保护电路 一般情况下 晶闸管的额定电压选择电机正常工作的电压峰值的 2 3 倍 即 2 4 VVUU NM 1621 10753802 3 2 3 2 其中为晶闸管额定电压 为电机额定电压 M U N U 三相异步电机启动电流是额定电流的 4 7 倍 本系统的电机额定电为 6 8A N I 晶闸管正向导通的电流有效值 I 为 2 5 AAI 4 54 348 6 8 5 电流平均值与 I 的关系 T I 2 6 TT III57 1 2 通常要考虑晶闸管的裕量 通态平均电流一般选择电机平均电流的 3 6 倍 2 7 A I IIT 4 69 5 32 57 1 2 5 1 6 3 由式 1 4 和式 1 7 的结果 晶闸管可选择的型号 KP100P 其参数如下 表 2 1 所示 表 2 1KP100P 参数 型号 通态 平均 电流 正向 电流 有效值 通态 峰值 电压 正反向 重复峰 值电压 正反向 重复峰 值电流 维持 电流 断态电 压临界 上升率 通态电 流临界 上升率 工作 结温 KP100A100A160A 2 4V 200V 2000 V 800 s 100 s 10mA10 200mA40 125 由于晶闸管击穿电压接近工作电压 耐热性较差 难以承受过电压 过电流 这都可能造成晶闸管的损坏 过电流可能会造成晶闸管损毁 触发电路或控制系统的等故障 针对这些问题 除了通过软件来保护来实现 还必须串联快速熔断器来保护晶闸管 为保障晶闸管安全运行 可以和晶闸管并联 RC 阻容吸收网络 利用电容两端 电压不能突变的原理来限制电压上升过快 因为电路中存在电感 所以电容 C 串 联电阻 R 可启阻尼作用 这样可以防止 R L C 电路在过渡时 因振荡在电容器 两端出现的过电压损坏晶闸管 同时 避免电容放电电流过大 损坏晶闸管 3 系统设计系统设计 3 1 系统设计框图系统设计框图 在主电路中把软启动器串联三相电源和被控电机之间 主要由三组反向并联的 晶闸管构成的调压电路 该系统采用通过 89C52 单片机为核心组成的控制电路 根据预先设定的参数和输入同步信号 来计算并输出晶闸管的触发指令 通过触发 脉冲按照一定的触发方式触发三相调压电路的 6 个晶闸管的导通 使电机的电压逐 渐升高 从而为实现电机的软启动 当电机转速达到合适的转速时 然后驱动旁路 电路 并切断启动电路 从而实现电机的软启动 本系统总体结构如图 3 1 所示 单 片 机 同步电路 检测电路 键盘和显示 故障报警处理 驱动电路 软起动器 旁路电路 A D转换 通信电路 M 3 速度检测 380V 图 3 1 系统方案结构 3 2 主电路和控制电路主电路和控制电路 主电路和控制电路如图 3 2 所示 电机软启动时 通过单片机控制晶闸管的输 出电压逐渐增加 电动机逐渐加速 直到电机达到额定速度 切断 KM1 闭合 KM2 接入旁路电路 电机启动结束 电机软停过程刚好与软启动过程相反 M 3 QS FU VT1 VT5 VT3 VT4VT6VT2 R2R1R3 C1C2C3 KM2 FR KM1 UVW FU FR SB1 SB2 KA KM2 KM1 KM1KM2 HL1HL2 KM2 KM1 KM1KM2HL1HL2EL KM1KAKM2 SA EL 图 3 2 主电路和控制电路 3 3 单片机的选择单片机的选择 在本系统中采用 AT89C52 单片机来控制 89C52 是高性能 CMOS8 位单片机 片内含 8K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256bytes 的随机存 取数据存储器 RAM 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功 能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合 89C52 主要性能参 数如表 3 1 所示 表 3 1 AT89C52 主要性能参数 8K可反复擦写Flash ROM256 8bit内部RAM 32个I O口 其中P3口味特殊端口3个16位定时 计数器 1个全双工串行通信口时钟频率0 24MHZ 2个串行中断 2个外部中断 共6个中断源 与MCS 51产品指令和引脚完全兼容 低功耗空闲和掉电模式 3 4 电源电路电源电路 在本系统中采用 5V 直流电源给单片机及相关芯片供电 保证控制电路的正常 工作 采用 12V 直流电源给中间继电器供电 电源变压器是将交流电网 220V 的 电压变为比所需要的值 然后经过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压 但这 样的电压还随电网电压波动 一般 10 左右的波动 负载和温度的变化而变化 因而在整流 滤波电路之后 还需接稳压电路 选用输出电压固定为 5V 的三端集 成稳压器 LM7805 电容 C1 用来滤除波纹 电容 C2 和 C4 用来实现频率补偿 防 止稳压器 LM7805 产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰 C3 是电解电容 以 减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰 电阻 R1 和 LED 组成 5V 电源的 工作指示电路 电源正常工作 LED 就会点亮 可以根据这个 LED 来判断整个电 源部分是否正常工作 12V 电源采用 78L12 稳压器来实现 5V 直流电压电源电 路图如图 3 3 所示 AC V AC V 220 20 9 1 2 3 VV GND INOUT 9V LM 7805 1 2 3 VV GND INOUT 20V 78L12 AC V AC V C13 C15 C17C19 互互互1 D19 D18 互互互2 C16 C20 C18 C14 GND 5V 12V 图 3 3 电源电路 3 4 检测电路检测电路 3 4 1 同步信号检测 同步信号的检测是三相电源的过零时刻 将它作为晶闸管脉冲触发信号的基准 只有准确测量出相电压为了保证晶闹管的阳极电压与触发脉冲信号相续一致 在电 路系统中要设计同步信号电路 同步信号检测电路和输入单片机的电位如图 3 4 所 示 三相交流电压经电压互感器降压后输出 U V W 三相电压经电阻 光耦 二极管汇集于一点 这一点即为中性点 二极管的作用是启反向导通的作用 光耦 电压输出的就是一个同步电压相位 分别接入单片机的 P2 1 P2 2 P2 3 口 通过 这个电路还可以检测电压的相序以及是否缺相 图 3 4 同步信号检测电路及输入单片机的电位 3 4 2 电流检测回路 电流检测回路包括了电流检测回路和保护回路两方面 通过电流互感器降压后 将三相电流经整流桥后 得到合适的电流 通过 A D 转换 输入单片机 二极管 D1 D2 起稳压的作用 限制取得的电压在 5V 以内 电流检测回路如图 3 4 所示 单片机通过输入的电流值 进行比较后 根据预先设定电流值过电流值和欠电流值 报警上限 过电流报警 和报警下限 欠电流报警 电流一旦超过或 max i min i max i 低于 单片机就发出报警指令 报警系统发出报警信号 整个系统并中断 min i C4 R7 D1 D2 5V R8 C5 IN0 R4 R5 R6 U1 V1 W1 互互互互互 VD11 VD14 VD16 VD13VD15 VD12 GNDGND 图 3 4 电流检测电路 3 4 3 电压检测 电压检测电路与电流检测电路基本类似 如图 3 5 所示 三相电压经电压互感 器后 得到三个低电压 再经三相整流分压得到一个直流信号 取其中一部分 经 A D 转换输入单片机 单片机得到的这个信号 可以通过编程来设置中断来处理过 电压和欠电压 过电压 欠电压保护和过电流 欠电流保护的方法一样 R9 R10 R11 C6 R12 5V U1 V1 W1 互互互互互 D3 D4 R13 C7 GND 3 2 1 84 R14 GND C8 GND IN1 VD21 VD24 VD26 VD23VD25 VD22 GND 12V 图 3 5 电压检测电路 3 5 触发电路触发电路 通过单片机输出的脉冲来控制晶闸管的触发 这里采用的三组双窄脉冲触发信 号 以 U 相上的一组晶闸管为例 触发电路如图 3 6 所示 当 P2 4 输入高电平时 光电耦合器 P521 导通 三极管基极带上正电 并导通 从而使电源 脉冲变压器 三极管 大地形成一个闭合的回路 触发电路必须把控制电路和主电路隔离开 这 里采用脉冲变压器和光电耦合器 脉冲变压器还具有强大的驱动功能 对晶闸管的 触发电压起增大的作用 二极管 D9 和电阻 R33 起续流作用 防止脉冲变压器的饱 和 图 3 6 触发电路 3 6 旁路电路旁路电路 当前国内外使用的电机控制系统电路如图 3 7 所示 这种控制系统称为继电接 触器控制系统 当 P1 1 给光电耦合器 P521 一个低电平 光电耦合器 P521 导通 使三极管导通 继电器 KA 通电 其触头 1 和 3 2 和 4 吸合 接触器 KM2 通电 由主电路可知 由于 KM1 和 KM2 是互锁链接的 此时 KM1 断开 电机软启动结 束 进入正常运行状态 图 3 7 旁路电路 3 5 故障报警电路 故障报警电路根据检测电路 通过单片机处理 分析得出电路是否发生过流 过压 缺相 欠流 欠压 超速等情况 然后在通过单片机输出报警信号 经光电 耦合后 发出报警 电机正常工作时 KA 常闭触点闭合 常开触点断开 绿灯亮 故障时 KA 常开触点闭合 常闭触点断开 蜂鸣器报警 红灯亮 故障报警如图 3 8 所示 图 3 故障报警 3 6 转速测定 通过霍尔传感器 A3144 测量电机转速 如图 3 8 所示 该电路部分是整个测速 系统的核心 通过差分放大器和反相器调节满足单片机输入脉冲的方波脉冲信号 当三极管的输入为 1 时 三极管的发射极 集电集都正偏 三极管处于饱和状态 其输出电压约为 0 7V 反之 三极管截止 输出的电压是 5V 经电阻分压后输入 P2 5 口 P2 5 口每接受依次低电位 记录一次 再通过单片机处理后由 LED 显示 出来 图 3 8 转速测定 3 7 键盘和显示键盘和显示 SB1 作为启动按钮 SB2 作为停止按钮 详见图 2 1 的控制电路 单片机采用 按键电平复位 K2 用于外部中断 在电机中做急停按键 K3 作为解除故障按键 解除故障后 就取消了报警系统 如图 3 9 所示作为对于照明灯的开关用旋转开关 控制 接在主电路中的控制电路回路中了 这里就不通过单片机控制照明了 5V C3 KEY1 R4 GND RST R3 GND Vcc KEY2 2K2K KEY3 GND P3 2 P2 7 图 3 9 复位键和键盘 在电压互感器处接一个电压表直接测出三相电压 在电流互感器处接一个电流 表直接测出电流 如图 3 10 所示 速度显示采用动态显示接口 采用 4 个共阴极 数码管 转速显示 4 位 如图附录所示 由于速度显示和 A D 转换共用单片机的 P0 口 所以 74HC244 和 74HC373 的片选端通过一个与非门与单片机的 P1 6 相连 如图 3 11 所示 通过控制 P1 6 口输出的脉冲信号来控制数码管的显示和 A D 的输 入 这样显示的速度就是一闪一闪的 通过输出 50HZ 的上下翻转的脉冲来调节数 码管闪烁 使人眼分辨不出来 U V W HY GK GK U1 V1 W1 A1 A3 A2 UVW U 图 3 10 电压表测电压电流表测三相电流 RST 9 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RO 17 89C52 GND CLK D0 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1 EOC IN3 IN2 IN1 IN0 VR VR C B A Vcc SC ALE OE GND IN4 IN5 IN6 IN7 ADC0809 VCCVCC OE D0 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1 GGND Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 Vcc 2 GND GND A1 A2 A4 A5 A6 GND A3 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Vcc 7406 Vcc 1A1 1A3 1A4 2A1 2A2 2A4 GND 1A2 1G 2Y4 2Y3 2Y2 2Y1 1Y4 1Y3 1Y2 1Y1 2A3 2G 74HC244 5V GND 74HC373 GND 5V 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 GND a bf c g d e dp 5V adp LED LED LEDLED P1 1 P1 7 P1 6 P2 3 P2 2 P2 1 P2 5 IN0 IN1 RST P2 7 P2 6 P2 4 TXD RXD 图 3 10LED 显示电电路及单片机外围电路 3 8 通信设计通信设计 这里采用 MAX232 通信接口 如图 3 11 所示 MAX232 芯片由两路接收器和 驱动器 IC 芯片构成 适用于短距离和带调制解调器的通信场合 用 MAX232 来实 现计算机与单片机之间的通信 5V C10 C11 C9 GND 1 6 2 7 3 8 4 9 5 GND C12 GND RXD TXD C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2out 7 R2in 8 R2out 9 T2in 10 T1in 11 R1out 12 R1in 13 T1out 14 GND 15 Vcc 16 MAX232 图 3 11 通信电路 4 系统软件设计系统软件设计 4 1 系统软件设计主流程图系统软件设计主流程图 软启动控制系统主程序如图 4 1 所是示 程序开始启动后 首先进入系统初始 化过程 判断外部中断是否按下 若按下 则报警 电压电流检测和同步信号检测 判断是否故障 若故障则故障报警及处理并返回 若无故障 则进行键盘扫描并进 入操作界面 判断是否启动 若没有启动 则反回等待 若启动则选择启动方式并 调用启动子程序 开始软启动 若软启动没有结束 则返回等待 若结束 则切换 旁路电路 正常运行 当收到停机指令时 调用软停车子程序 若有故障则报警并 处理 若无故障 则停机结束 并回到初始化前一阶段 等待下一个指令 开始 外部中断按下 系统初始化 故障解除 故障检测子程序 故障 软启动 软启动完成 调软启动子程序 接通旁路电路 软停车 故障检测子程序 故障 故障检测子程序调软停车子程序 断开旁路电路故障 停车结束 报警 中断 解除报警 N N N N N N N N N Y Y Y Y Y Y Y Y Y 4 1 主流程图 4 2 系统初始化程序设计系统初始化程序设计 为了保证系统的正常和安全运行 在进入软启动程序前 必须要对系统进行初 始化设置 系统初始化程序主要完成系统的初始化和子模块的初始化 初始化流程 图如图 4 2 所示 包括 I O 口模块 A D 模块 时钟模块 寄存器模块 看门狗模 块等 硬件初始化 程序开始 分配中断 向量地址 I O初始化 A D初始化 寄存器初始化 看门狗初始化 中断优先级 设置 进入待机 4 2 系统初始化流程图 4 3 软启动子程序设计软启动子程序设计 电压斜坡启动程序是通过单片机按照给定的触发脉冲 是电压随时间变化而按 照相应的需求逐渐的改变 晶闸管的触发脉冲要及时准确的发出 所以要求晶闸管 触发子程序必须在中断子程序里执行 并且其优先级优于 A D 转换的优先级 其 原理是 当电压过零时 同步信号给单片机外部中断信号 引起脉冲触发子程序 脉冲触发子程序的主要作用是把单片机输出的晶闸管导通角换算成定时器的延时时 间 时间中断溢出给晶闸管发出触发信号 程序运行后 经定时器初始化后 根据 初始电压和启动斜率以及时间计算出触发角 与时间的关系 当电压增大到设定的 电压值后 断开软启动器并接入旁路电路 电机进入正常运行状态 电压斜坡启动 控制子程序如图 4 3 所示 开始 给定初始电压 计算触发角a 定时器1定时 定时溢出中断 发出触发脉冲 启动是否结束 结束 Y N 开始 给定额定电压 计算触发角a 定时器1定时 定时溢出中断 发出触发脉冲 停车是否结束 结束 Y N 4 3 软启动子程序流程图 4 4 软停车子程序流程图 4 4 软停车子程序设计软停车子程序设计 软停车与预案启动过程刚好是相反的 将电压逐渐降低 电流也随之而减小 软停车同样具有保护电网和电机的作用 一般也采用电压斜坡软停车方式 可以参 软启动理解 这里就不详细介绍 软停车子程序流程图如图 4 4 所示 4 5 故障处理子程序设计故障处理子程序设计 如图 4 5 所示 电机启动后 通过单片机检测电压 电流的信号 在程序中设 定过电压值 欠电压 过电流值 欠电流值和过载值 当一旦电流电压超过这些数 值后 单片机发出报警指令 报警系统做出反应 并中断程序 单片机还可以通过 输入的同步信号检测电源是否缺相 相序混乱的情况 一旦出现这种情况 单片机 立即发出外部中断信号 开始 短路 缺相 相序混乱 过压 欠压 过载 过流 欠流 瞬间中断 瞬间中断 中断 达到极限 中断 中断 达到极限 中断 达到极限 中断 中断 结束 Y Y Y Y Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N Y Y 4 5 故障检测子程序流程图 结论结论 本系统主要研究电机保护与软启动控制的设计 该软启动器在主电路中串联三 组反向并联的晶闸管 来控制电机软启动 软停车 过程 以 89C52 单片机为核 心控制芯片 通过单片机输出的触发脉冲来控制晶闸管的触发 从而能实现电机的 软启动 当启动完成后 切换到旁路电路中去 在检测电路中 电流 电压经 A D 输入单片机后 在单片机中设置欠电压 过电压 欠电流 过电流中断程序 一旦 超过这些范围 单片机发出中断指令 并发出报警 实验结果表明 电机能实现软 启动 软停车 的目的 并且一旦发生故障 单片机也会发出中断指令 报警系统 发出报警 该系统是合理的 致谢致谢 我在这里首先应该感谢我的导师王燕平教授 我的毕业设计在她 3 个月的精心 指导和帮助下完成的 为了给我指导我的毕业设计 王老师放弃了许多休息时间 在这期间 王老师严谨教学的态度 博学的专业知识 优良的工作作风 精心呵护 和关怀学生 这一切都给留下了深刻的影响 使我终生受益 王老师根据我设计的 方案 提出了许多质疑 并耐心的给我提出一些建议 每当我遇到不懂得问题时 王老师都循序渐进的给我讲解 参考文献参考文献 1 张迎新 单片微型计算机原理 应用及接口技术 国防工业出版社 2 阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 2006 5 3 王兆安 刘进军 电力电子技术 机械工业出版社 2009 5 4 李静 单片机控制的电动机 Y 启动电路设计 科技信息 2013 年 11 期 5 陈育中 霍尔传感器测速系统的设计 科学技术与工程 2010 10 6 冯明远 师修广 晶闸管触发脉冲变压器的设计 煤矿机电 2009 年第 5 期 7 王金艳 刘晶维 三相交流电压相位同步检测电路 电气仪表 2001 年第 4 期 8 杨纪平 李海峰 谢东力 基于 AT89S52 单片机的三相异步电动机软启动 器的设计与实现 大众科技 2010 年第 10 期 9 齐智文 曲兵妮 袁观娜 李祁琪 于亚运 基于 单 片机的软启动器设计 工矿自动化 10 杜襄南 傅华明 基于单片机的电机软启动装置的硬件设计 电子元器件 应用 2008 3 11 王晓军 徐鹏 段景春 梁海洪 基于单片机的晶闸管电子软启动器设计 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 2010 6 12 李太寿 基于单片机控制的故障报警系统设计 科技资讯 2007 12 13 赵晋琴 肖杰 唐红琴 姜明俊 基于单片微机控制的电机软启动器研制 机电工程技术 2013 年第 9 期 14 苗继军 赵利杰 王俊伟 软启动器在煤矿大采高工作面中的应用研究 工矿自动化 15 李军 三相异步电动机启动方式的探讨 J 知识经济 2012 1 83 16 陶成伟 基于 TMS320F2812 的异步电动机软启动的研究 南昌大学 2012 17 Antonio Ginart Rosana Esteller High Starting Torque for AC SCR Controller J IEEE Transactions on Energy Conversion 1999 14 3 553 559 18Paoletti G J Rose A Improving existing motor protection for medium voltage motors J IEEE Traps on Industry Applications 1989 25 3 456 464 19 Joseph Nevelsteem H Aragon Starting of large Motors Methods and Economics J IEEE Trans On Industry Application 1988 45 1012 1018 20 Sen P Landa Derating of Induction Motors Due to Waveform Distortion J IEEE Trans On Industry Application 1990 67 1232 1240 21 John W Toms Applyings Solid state Energy saver Starter J IEEE Trans on Industry Applications 1983 19 6 1031 1035 22 Blaabjerg Frede Pedersen Soft starters Can Help Save Energy J IEEE Trans on Industry Applications 1997 3 5 56 66 附录附录 A 主电路和控制电路主电路和控制电路 M 3 QS FU VT1 VT5 VT3 VT4VT6VT2 R2R1R3 C1C2C3 KM2 FR KM1 UVW FU FR SB1 SB2 KA KM2 KM1 KM1KM2 HL1HL2 KM2 KM1 KM1KM2HL1HL2EL KM1KAKM2 SA EL 附录附录 B 控制电路接线图控制电路接线图 RST 9 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P