提出一種以AT89C51單片機(jī)為控制核心的新型異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng),，給出了單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu),、控制軟件框圖及其實(shí)現(xiàn)方法,。試驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)能有效地降低起動(dòng)電流，且起動(dòng)過程平穩(wěn),，無沖擊和振蕩,。可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟停車,、輕載節(jié)能及保護(hù)功能,。
關(guān)鍵詞： 異步電動(dòng)機(jī)； 軟起動(dòng)器,； 單片機(jī),； 晶閘管

    近年來，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展,，國(guó)內(nèi)外都十分重視三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的研究和開發(fā),。軟起動(dòng)控制旨在降壓以限制電機(jī)起動(dòng)電流，減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊,。目前電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方式有很多,，如液阻軟起動(dòng)、磁控軟起動(dòng),、晶閘管軟起動(dòng)和變頻軟起動(dòng)等,。從起動(dòng)時(shí)間、控制方式的多樣性,、節(jié)能效果和價(jià)格等多方面綜合比較,，以晶閘管軟起動(dòng)方式最優(yōu)，是當(dāng)前軟起動(dòng)的主流方式[1-2]。
　本文設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心的異步電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)器,，該裝置可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來調(diào)整起動(dòng)過程中的各種參數(shù),，是集電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)、軟停車,、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的電機(jī)控制裝置,。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
   異步電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,。零電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)相電壓的過零點(diǎn);觸發(fā)電路用其作為同步信號(hào);斷相檢測(cè)電路用于判斷斷相故障,。觸發(fā)電路采用全數(shù)字化移相控制電路，與零電壓檢測(cè)電路配合,，在單片機(jī)的控制下,，產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖來調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓；電流檢測(cè)電路采用霍爾電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的檢測(cè),，提供軟起動(dòng)和過載保護(hù)的依據(jù);顯示控制器用來控制LED，用以顯示工作參數(shù)和狀態(tài);鍵盤電路用于輸入系統(tǒng)的參數(shù)和控制單片機(jī)程序的走向,。主要電路的設(shè)計(jì)說明如下,。

1.1 觸發(fā)電路
　觸發(fā)電路如圖2所示。AT89C51的晶振為6 MHz,，自動(dòng)在其30引腳輸出頻率為晶振頻率1/6(即1 MHz)的脈沖,。本系統(tǒng)將此脈沖用作外部時(shí)鐘源和作為定時(shí)脈沖使用。該脈沖經(jīng)過2個(gè)CD4013分頻器(每個(gè)CD4013接成二分頻器,，2個(gè)串聯(lián)組成四分頻器)分頻后,，輸出頻率為250 kHz的脈沖，此脈沖一方面送入觸發(fā)板的計(jì)數(shù)器CD4040作為其時(shí)鐘脈沖,，另一方面送入單片機(jī)的14引腳（P3.4口）作為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)輸入時(shí)鐘脈沖,，用于定時(shí)中斷。

　晶閘管觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生：在每1相都串入光耦TLP521,，以A相為例,，2個(gè)光電耦合器TLP521按圖2所示接入。另一光電耦合器MOC3020的輸出1個(gè)腳接主回路A相雙向晶閘管的1個(gè)陽極,，另一腳接觸發(fā)極,。光耦TLP521和MOC3020都起到了控制回路與主回路相隔離的作用。計(jì)數(shù)器CD4040是12位計(jì)數(shù)器,，將其Q5~Q12輸出端與74HC682輸入端P0~P7相連,。A相電壓在1個(gè)周期有2個(gè)過零點(diǎn)，過零時(shí)2個(gè)光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管均不導(dǎo)通,，CD4040的RST端為高電平,，CD4040清零并開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)頻率由其時(shí)鐘端(CLK)輸入脈沖控制(來自四分頻器),由程序傳送給單片機(jī)的P2口1個(gè)設(shè)定數(shù)，P2口與74HC682的Q0~Q7端相連,。74HC682是數(shù)值比較器,，當(dāng)由P0~P7組成的二進(jìn)制數(shù)大于由Q0~Q7組成的二進(jìn)制數(shù)時(shí)，其P>Q非端輸出低電平,，光耦MOC3020導(dǎo)通,，晶閘管的觸發(fā)回路便有觸發(fā)電流通過，雙向晶閘管導(dǎo)通,。該觸發(fā)電路沒有采用傳統(tǒng)的觸發(fā)脈沖調(diào)制放大電路,，設(shè)計(jì)和實(shí)施上更為簡(jiǎn)單。
　觸發(fā)角的計(jì)算：令計(jì)1個(gè)數(shù)的時(shí)間為t1,，則t1=16/(250×103)s,，設(shè)觸發(fā)角α占1個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間段為t，則該觸發(fā)角對(duì)應(yīng)單片機(jī)P2口的十進(jìn)制數(shù)γ=t/t1,。將γ傳送至單片機(jī)P2口,，則可控制雙向晶閘管在電源電壓的正、負(fù)半波對(duì)應(yīng)α角時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通,。B,、C二相晶閘管的觸發(fā)原理同A相。
1.2 電流檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換電路
    軟起動(dòng)的主要任務(wù)是控制主電路的電流,，因此要對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控,。電流檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示,。本裝置采用LEM電流傳感器進(jìn)行主回路電流的檢測(cè),，其主要優(yōu)點(diǎn)是LEM電流傳感器可以測(cè)量任意波形的電流及瞬態(tài)峰值，副邊電流能真實(shí)地反映原邊電流的波形,，原邊電路與副邊電路之間完全絕緣,，可靠性高，而且動(dòng)態(tài)性能好,，精度高,，因此能夠很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。為減小誤差保證轉(zhuǎn)換精度,，沒有采用傳統(tǒng)的橋式二極管整流電路對(duì)LEM模塊輸出的電流進(jìn)行整流,，而是采用由2個(gè)運(yùn)放組成的精密全波整流電路進(jìn)行整流并濾波，得到與交流電流成比例變化的0~5V的直流電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器TLC0834轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)送入單片機(jī),，以此信號(hào)作為改變晶閘管觸發(fā)角大小的依據(jù),，并用于數(shù)碼管顯示。TLC0834是8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，以5 V作為基準(zhǔn)電壓,，通過與控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制命令，用軟件對(duì)通道選擇和輸入端進(jìn)行配置。多路器尋址通過TLC0834的DI端移入轉(zhuǎn)換器,。TLC0834的DI,、CLK、DO和/CS分別與單片機(jī)的P3.2,、P3.3,、P3.6和P3.7端口連接。程序中置/CS為低,，使TLC0834能夠工作,，并對(duì)轉(zhuǎn)換器初始化；然后從處理器接收1個(gè)時(shí)鐘,，在每個(gè)時(shí)鐘的上升跳變時(shí),，DI端的數(shù)據(jù)移入多路器地址移位寄存器。在轉(zhuǎn)換過程中,，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時(shí)從DO端輸出,。這樣TLC0834將輸入電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)送入單片機(jī)后進(jìn)行處理和顯示。

1.3 顯示電路
    顯示電路如圖4所示,，由高性能的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器PS7219控制,。PS7219內(nèi)部具有15×8 B RAM功能控制器寄存器,尋址方便；其復(fù)位引腳與單片機(jī)的復(fù)位端連接,，LOAD,、DIN和CLK端分別與單片機(jī)的P1.5、P1.6和P1.7端口連接,。LOAD腳的功能是裝載數(shù)據(jù)輸入,，當(dāng)它為高電平時(shí)，串行輸入數(shù)據(jù)的最后16位被鎖定,。串行數(shù)據(jù)的傳送格式為D15~D0,其中D15~D12為無關(guān)位,，D11~D8為寄存器地址，D7~D0為數(shù)據(jù)位,；DIN腳的功能是串行數(shù)據(jù)輸入,發(fā)送到DIN端的16位數(shù)據(jù)在每個(gè)CLK的下降沿被移入到內(nèi)部16位寄存器中,；然后，在LOAD的上升沿,，數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)值或控制寄存器中,。

1.4 斷相保護(hù)電路
    斷相是對(duì)電動(dòng)機(jī)危害較大的一種故障，為此系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置了如圖5所示的斷相保護(hù)電路,，主要由摩托羅拉單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14548和3只二極管組成的“或門”電路實(shí)現(xiàn),。斷相保護(hù)示意圖如圖6所示。MC14548由上升沿觸發(fā),，產(chǎn)生1個(gè)脈寬由外加定時(shí)元件電阻R1和電容C決定的輸出脈沖,。當(dāng)MC14548的A端出現(xiàn)1個(gè)上升沿,、B端為高電平時(shí)，Q端(平時(shí)輸出低電平)輸出1個(gè)由低到高的脈沖,，經(jīng)過時(shí)間τ(τ=R1×C)后從高變低,。分別來自A、B,、C相觸發(fā)電路中計(jì)數(shù)器CD4040的RST端的3個(gè)信號(hào)經(jīng)“或門”電路與MC14548的A端相連,。因三相電源電壓相位互差120°，故接入A,、B,、C三相回路的3個(gè)雙光耦TLP521每60°就有1次過零，過零時(shí)3個(gè)計(jì)數(shù)器CD4040的RST端一定有1個(gè)呈高電平,經(jīng)過“或門”后MC14548的4腳每60°就有1個(gè)上升沿脈沖,。若設(shè)定時(shí)間常數(shù)τ的值在大于60°而小于120°所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為:3.3 ms<τ<6.6 ms,，則不缺相時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將始終處于暫態(tài),，MC14548的Q端始終輸出高電平,，此時(shí)觸發(fā)器的工作狀態(tài)如圖6(a)所示；若斷相,，MC14548的A端將出現(xiàn)隔120°才出現(xiàn)下一個(gè)脈沖的情況,，此時(shí)MC14548的Q端將從暫態(tài)回到穩(wěn)態(tài)，呈現(xiàn)低電平,，此時(shí)觸發(fā)器的工作狀態(tài)如圖6(b)所示,。將MC14548的Q端連至單片機(jī)的P3.0端口，由程序檢查P3.0端口,，如為零則說明斷相,，然后進(jìn)行斷相處理。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　 軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),，主要組成部分如下：
　 (1)系統(tǒng)初始化模塊：主要完成AT89C51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器,、中斷系統(tǒng),、堆棧指針,、RAM和各I/O口等單元的初始化。
　 (2)故障檢測(cè)模塊：主要完成電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前后的異常故障檢測(cè),，如斷相和過流等,。
    (3)軟起動(dòng)模塊：根據(jù)電動(dòng)機(jī)電流檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)分析和處理后得到當(dāng)前晶閘管觸發(fā)角的大小,，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的限流起動(dòng),。以起動(dòng)電流限定為2倍的額定電流為例，觸發(fā)角控制算法如下：
    　

　(4)A/D采樣程序：該程序定時(shí)采集電流反饋量,，主要在A/D中斷服務(wù)程序中完成,。
　主程序流程圖如圖7所示,。

3  樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果
    對(duì)1臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。主回路采用1 000 V,、200 A雙向晶閘管,。以5.5  kW鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)4 kW直流電機(jī)進(jìn)行PI電流閉環(huán)控制的軟起動(dòng)試驗(yàn)，5.5 kW 電動(dòng)機(jī)額定電流為12.6 A,，試驗(yàn)中設(shè)限定電流約為2倍的額定電流,，取為25 A。
    圖8為電機(jī)起動(dòng)過程實(shí)測(cè)電流波形,，圖8(a)為直接起動(dòng)過程電流波形,，圖8(b)為軟起動(dòng)過程電流波形?？梢娬麄€(gè)軟起動(dòng)過程中電流的變化很平穩(wěn),，沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，電機(jī)軟起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流是其穩(wěn)定運(yùn)行電流的2倍左右,，而直接起動(dòng)非常迅速,，啟動(dòng)電流很大，直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流是其穩(wěn)定運(yùn)行電流的5~7倍,。試驗(yàn)結(jié)果表明,，所設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)器系統(tǒng)效果良好，起動(dòng)過程平穩(wěn),，無沖擊和振蕩,。

    本文提出了一種以AT89C51單片機(jī)為核心的新型異步電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，本裝置集電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng),、軟停車和多種保護(hù)功能于一體,，還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的輕載節(jié)能運(yùn)行。經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行表明,，該裝置設(shè)計(jì)合理,，運(yùn)行可靠，具有較好的實(shí)用價(jià)值,。
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