毕业设计--- 基于单片机的软起动器研究和设计.doc

目 录摘要：3abstract：4第一章 概论51.1软启动器研发背景51.2软启动器发展现状61.2.1软启动器国外发展现状61.2.2软启动器国内发展现状6第二章 异步电机启动方式及其原理82.1传统启动方式的原理分析82.1.1全压直接起动82.1.2自偶变压启动器起动82.1.3星型-三角形（y-）起动92.1.4定子串电阻起动102.2软启动器起动方式的分类及原理112.2.1软启动器的基本原理112.2.2 限流起动112.2.3电压斜坡起动122.2.4转矩控制起动132.2.5转矩加突跳控制起动132.3 晶闸管简介及其调压原理132.3.1 晶闸管的结构132.3.2 晶闸管的调压原理142.3.3 主电路的选择15第三章 基于at89c51单片机软启动器的硬件设计173.1 系统硬件总体设计方案173.2 软启动控制电路电路设计173.2.1 同步信号电路173.2.3 相序检测电路193.2.4 电流检测电路203.2.5 a/d转换电路203.2.6 电压反馈回路213.2.7 电流反馈回路223.2.8 过电流保护电路22第四章 系统软件设计234.1 系统主程序流程图234.2.1定时中断程序流程图24 4.2.2 外部中断程序流程图25致谢26附录27参考文献32 基于单片机的软起动器研究和设计摘要： 交流异步电动机因其成本低，高可靠性和少维护等优点在各种工业领域中得到广泛的应用，但其固有的起动性能差。传统的降压起动设备虽然能改善异步电动机的起动性能，但是同时也会带来二次冲击电流等新问题。而采用晶闸管交流调压方式的电力电子软起动方式能平滑、无级地起动电动机，减小起动电流的冲击。本课题是基于at89c51单片机为主控制核心，采用at89c51单片机控制的晶闸管交流调压方式，对电动机的软起动器硬件和软件设计。通过控制电机的电流使电机缓慢、平滑的加速，避免大电流对电机和电网的冲击，提高电网的工作效率和减少起动时对电机的冲击损伤，从而达到节能、保护设备的作用。关键词 软启动；at89c51单片机；晶闸管；交流异步电机； based on scm soft starter research and designabstract：ac induction motor because of its low cost, high reliability and less maintenance in various industrial areas widely applied, but its inherent starting performance is poor. the traditional step-down start equipment although can improve the asynchronous motor starting performance, but also brings new problems such as secondary current impulse. while using thyristor ac voltage of power electronic soft starter way way can smooth without level ground starting motor, reduce the impact of starting current. this topic is mainly based on at89c51 single-chip microcomputer control core and adopt the at89c51 single-chip microcomputer control thyristor alternating voltage regulation way, to motor soft starter hardware and software design. through the control motor current. make motor slow, smooth acceleration, avoid big current for motor and power grid, improve the impact of the power grid work efficiency and reduce the impact of motor starting, thus achieved the energy-saving, damage the role of protection equipment.keywords：soft start；at89c51 microcontroller；thyristor；ac induction motor第一章 概论1.1软启动器研发背景 由于交流三相鼠笼式异步电动机简单、廉价、易维护的优点，已广泛应用于各行各业。近些年，由于国民经济的飞速发展，用电量的快速增长，对电网的稳定性提出了越来越高的要求。保守估计，交流三相鼠笼式异步电动机的用电量占整个电网的一半以上，由此对异步电动机的控制特别是起动的控制提出了相应的要求。 鼠笼式三相异步动机是应用最为广泛的用电设备，传统的电机起动方式其局限性,如不能有效减少起动时对电网的大电流冲击,已越来越不能适应现代生产发展的要求。,鼠笼式异步电动机的启动性能最重要的参数是启动电流和启动转矩。传统的起动方式有星三角起动、自耦减压起动、电抗器减压起动、延边三角形减压起动等，这些启动方式都属于有极减压起动，他们的共同特点是控制电路简单，但是启动转矩不可调，起动过程中存在较大的冲击电流，使被拖动负载受到较大的机械冲击，且易受电网电压波动的影响，一旦电网电压波动，会造成起动困难，甚至使电机堵转。停机时几种起动方法都是瞬间停电，也将会造成剧烈的电网电压波动和机械冲击。因此急需一种可以改善启动过程的设计来达到优化的作用。软启动用在电动机启动时，通过逐渐增大晶闸管的导通角来逐步增大启动电压，控制电机的启动电流不超过设定值，从而使得电机平稳的启动，减小对电网的冲击。课题采取单片机来控制，似的该装置结构小巧、运行速度快、价格低，多功能、多用途，可以提高精度，使启动具有可预测性、可控制性、可调整性、可重复性。 软启动器很好地解决了电动机起动时对电网和机械设备的冲击，同时具备软停车、故障过流保护、过载保护、缺相保护、节能、通讯等功能，可广泛应用于冶金、石化、市政、制造等行业。电子式软起动器是采用电力电子技术、自动化控制技术和微处理器技术而研制生产的新型控制设备。与传统起动设备相比，性能更可靠，使起动更平滑，对电网冲击更小，此外还具有限流调节、软停车、节能、智能通讯等功能。1.2软启动器发展现状1.2.1软启动器国外发展现状 国外的一些学者及大公司都在致力于开发适合普通三相异步电机的专用软启动控制器，很多学者在这方面做了大量工作。国外软启动的产品主要是固态软启动装置，即晶闸管软启动和兼做软启动的变频器。在生产工艺有调速需求时，采用变频装置，无调速要求的场合，轻载启动采用晶闸管软启动，负载功率比较大或重载启动的场合采用变频软启动，晶闸管软启动装置是发达国家的主流产品。自1970年以来，国外对晶闸管三相交流调压技术进行了广泛研究，在工业领域得到了广泛应用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。如，美国ab公司生产的315-2000kw的交流调压式电力电子软启动器。英国的ct公司，法国的te公司，德国的aeg公司以及欧洲的abb公司等均推出了软启动器系列产品。 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器和软启动器提供了理论基础，16位、32位高速微处理器，信号处理器dsp，专用集成电路asic的快速发展为实现软启动器高精度多功能化提供了途径。1.2.2软启动器国内发展现状 我国对晶闸管软启动器的研究始于90年代，一些研究机构对此技术有一定研究成果。国内全数字晶闸管软启动产品的生产厂家，其产品均是对国外产品一定程度的仿制，而且多为低压产品，自己研制生产的高压软启动装置基本上处于起步阶段。目前生产电机起动器的厂家很多，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起动器主要以机械式和三相反并联晶闸管方式为主。机械式起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。我国软启动器技术状况如下: (1)软启动器的整机技术落后; (2)软启动产品所用半导体功率器件制造业几乎是空白，尤其是高电压、大电流的电力电子器件诸如门级可关断(gto)晶闸管、绝缘栅双级晶体管(igbt)、门极换流晶闸管(gct)等尚未研制成功。 (3)相关配套产业及行业落后。 (4)可靠性及工业水平低。我国电动机软启动装置方面需要电动机启动调速，而资金、技术不十分雄厚的企业，采用国外变频启动调速价格十分昂贵，而且进口晶闸管元器件使用一段时间后特性参数会发生变化导致整串元器件损坏。因此，我国在软启动器研究领域有这广泛的发展空间。第2章 异步电机启动方式及其原理2.1传统启动方式的原理分析2.1.1全压直接起动 全压直接起动是利用开关或接触器把电机直接投入电网。直接起动最为简单，当电网有足够的容量，应尽可能采用此方法。这种方法的主要问题是起动电流很大，所造成的电压降会影响同一电网变压器下的其他电气设备的正常工作，电源容量越大，这种不良影响越小。对于不经常起动的的电机，其容量小于变压器容量的30%时可允许直接起动；对于需要频繁起动的电机，电机容量应小于变压器容量的20%，才允许直接起动。允许直接起动的异步电机的容量，应按起动时所引起的电压降不超过5%为原则。当前随着电网容量增大，允许直接起动的电机的容量也随之增大，这种方法的适用范围也将扩大 2.1.2自偶变压启动器起动 其原理图如2.1.2.1所示，高压测接电源，低压测接电动机。设自耦变压器的变化为倍，起动时电动机的电压降低到倍，故电动机的起动电流为： 图2.1.2.1自偶变压器起动 式中额定电压下直接起动，电网供给的起动电流。此时流经自耦变压器初级的电流，即电网供给的起动电流，比自耦变压器次级电流又减小倍，故电网供给的起动电流为： 由此可见，当采用自耦变压器降压起动时，电网供给的起动电流比直接起动时减小到倍，同时，由电磁转矩与电机电压的平方成正比，故起动转矩也减小到倍。自耦变压器启动器又称启动补偿器，一般备有23抽头，可按供电系统的容量、起动电流和负载转矩的要求来合理选择。2.1.3星型-三角形（y-）起动星型-三角形（y-）起动接线原理如图2.1.2.1所示，对于定子绕组正常运行时按三角形接法的三相异步电机，起动时将定子绕组结成星形，待转速上升到额定转速后，迅速接成三角形接法。设电网线电压为，电动机每相起动阻抗为。如用三角形连接直接起动，电网供给的电线流为： 如用星形连接起动，每相绕组的相电压为,经过每相绕组的电流等于电网供给电机的起动电流，即： 由此可见，应用星形-三角形换接开关起动时，由电网供给的起动电流可减少到，同时起动转矩也减少到。 图2.1.2.1星形-三角形起动与自耦变压器降压起动相比较，星形-三角形换接开关结构简单、体积小、成本低、维修方便，但是此方法只能有一个固定的降压值，没有选择的余地。最初起动转矩降低到额定电压起动的，适用于轻载起动。2.1.4定子串电阻起动在电动机启动时，在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，启动结束后再将电阻切除，使电动机在额定电压下正常运行。正常运行时定子绕组接成y型的笼型异步电动机，可采用这种方法启动。 图2.1.4.1定子串电阻原理图启动时，先闭合开关k1、k2，让电机定子串入电阻，降低起动电流。待到电机起动完后，切断k2，闭合k3，使电阻短路，电机进入正常工作状态。启动用电阻一般采用zx1、zx2系列铸铁电阻，其阻值小、功率大，可允许通过较大的电流。 2.2软启动器起动方式的分类及原理2.2.1软启动器的基本原理 软启动软起动器是一种用来控制交流异步电动机的新设备，它是集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为soft starter。软起动器的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。软起动的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。电动机软起动器是运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。当然减小异步电动机起动电流大小可以通过降低定子电压或者增大电阻和漏抗来实现。于是就有降压起动，串电抗起动和电阻调节等起动方法。其中鼠笼式异步电动机因转子回路无法外接附加电阻，考虑到运行效率，也不宜设计成有较大的转子电阻，所以对于不需要很大起动转矩的机械负载，可用降压起动方法。软启动器按起动方式又分：限流起动、电压斜坡起动、转矩控制启动、转矩突跳控制起动。2.2.2 限流起动限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值im的软起动方式，起动波形如图2.2.2.1所示。主要用于轻载起动的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整起动电流的限定值im。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。图2.2.2.1限流起动波形2.2.3电压斜坡起动输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无级，主要用在重载起动。它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利，起动时间长，对电动机不利。改进的方法是采用双斜坡起动，如图2.2.3.1所示。输出电压先迅速升至u(u，为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值)，然后按设定的斜率逐渐升高电压。直至达到额定电压，初始电压和电压上升率可根据负载特性调整。在加速斜坡时同期闻，电动机电压逐渐增加，加速斜坡时间在一定时间范围内可调整，加速斜坡时间一般在260秒之间。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电动机。 图2.2.3.1电压斜坡起动2.2.4转矩控制起动主要用于重载起动，如图2.2.4.1所示。它是按照电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压。其优点是起动平滑、柔性好、对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，使最优的重载起动方式。其缺点就是起动时间较长。图2.2.4.1图转矩控制起动波形2.2.5转矩加突跳控制起动 转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样，也是用在重载起动的场合。所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷。转矩加突跳控制起动如图2.2.5.1所示。图2.2.5.1转矩突跳起动波形图2.3 晶闸管简介及其调压原理2.3.1 晶闸管的结构 晶闸管内部是pnpn四层半导体结构，分别命名为p1、n1、p2、n2四个区。p1区引出阳极a，n2引出阴极k，p2引出门极g。四个区形成j1、j2、j3三个pn结。如果正向电压加到器件上，则j2处于反向偏置状态，器件a、k两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，j1和j3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的漏电流通过。 晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图2.3.1.1，将晶闸管看作由pnp和npn构成的两个晶体管v1、v2组合而成。如果外界向门极注入电流ig，也就是注入驱动电流，则ig流入晶体管v2的基极，即产生集电极电流ic2，它构成晶体管v1和v2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流ig，晶闸管由于内部已形成清冽的正反馈会仍然维持导通状态。而若使晶闸管关断，必须除掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反向电压，或者设法流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值下，晶闸管才关断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ig的电路称为门极触发电路。也正是由于其门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管又称半控型器件。 图2.3.1.1晶闸管工作原理图2.3.2 晶闸管的调压原理晶闸管的控制方式有两种：一是相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，即把晶闸管作为静止接触器，交替的接通与切断几个周波的电源电压，用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值，从而达到调压的目的。但周波控制用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机的重起动过程。当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时问隔较长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有很大的差别，这样就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全。故在异步电动机的调压控制中，晶闸管调压一般采用相位控制。采用相位控制时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。谐波在异步电机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压回路带有感性负载时，只有当移相角大于负载的功率因数角时，才能起到调压的作用。当时，电流导通的时间将始终保持在180。其情况与时一样，相控不起任何调压作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，出现只有一个方向上的晶闸管工作，负载上出现直流分量，对晶闸管造成危害。为了保证晶闸管的安全，在使用相控晶闸管电路时采用宽脉冲触发，移相范围限制在。2.3.3 主电路的选择 本系统软起动器采用晶闸管调压原理，通过调节电动机定子输入端电压的大小和相位实现软起动的各种功能。本系统软起动器采用了三组反并联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。 晶闸管调压单相等效电路如图2.3.3.1所示，其中zl为电机一相等效阻抗，ui为电网相电压，ul为晶闸管输出电压。设。 图2.3.3.1晶闸管单相调压电路 图2.3.3.2晶闸管输出电压波形 图2.3.3.2为一路晶闸管输出波形示意图。晶闸管控制角和功率因数角决定了晶闸管的输出电压值。晶闸管正负半周的触发是对称的，晶闸管的输出电压有效值ul： 可见，ul是晶闸管控制角、功率因数角及供电电压u的函数。当供电电压不变时，通过改变晶闸管的控制角，可以改变晶闸管的输出电压。 第三章 基于at89c51单片机软启动器的硬件设计3.1 系统硬件总体设计方案 该方案中用at89c51单片机作为软起动器的控制核心，可实现其较复杂的i/o控制算法。主回路采用三相平衡调压式，在电源与被控电机之间的串联3对反向并联的大功率晶闸管，通过触发信号控制晶闸管触发角的大小来改变其导通程度，由此控制电机三相定子绕组上的电压从零逐渐平滑地升至额定电压。另外，利用3个霍尔传感器来完成三相定子的电流检测。在起动过程中，电流检测装置检测三相定子电流并送入单片机进行运算和判断，当起动电流超过设定值时，软件控制升压停止，直到起动电流下降到低于设定值时，才使电机继续升压起动；若三相起动电流不平衡并超过规定范围，则停止起动。由电机理论可知，当电机的输入电源频率不变时，电机的输出转矩与输入电压的平方成正比。因此，软起动不仅使电机定子电压连续平滑地增加，实现了升压限流起动，而且避免了电机起动转矩的冲击和不平稳的现象。其系统的控制模块框图下图所示： 图3.1.1系统控制模块结构框图3.2 软启动控制电路电路设计3.2.1 同步信号电路软起动器必须在一个电压周期内控制可控硅的导通角，即通过确定电压波形的过零点，延时一段时间后输出触发信号来控制其导通角。电压波形的过零点通过同步信号电路检测获得。所谓同步，就是通过供给各触发单元不同相位的交流电压，使得各触发器分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出触发脉冲，从而保证各晶闸管可以按顺序获得触发。根据同步基准的不同触发方式分绝对触发方式和相对触发方式。所谓绝对触发方式是指每一触发脉冲的形成时刻均由同步基准决定，这在三相交流调压电路中就需要有六个同步基准交流电压，需要一个专门的同步变压器；而相对触发方式仅需一个同步基准，当第一个脉冲由同步基准产生后，再以第一个触发脉冲作下一个触发脉冲的基准，以此类推。本系统中，为减少外围电路和简单化，使用的是相对触发方式。下图是一种简单的单相同步信号电路，线电压uab作为交流同步电压，通过变压器降压后，经过零比较器形成方波信号，方波信号送入at89c51单片机的p3.2引脚正跳变产生外部中断。r1、r2、和c1起滤波作用和限制流过二极管的电流。d1、d2的作用是限幅比较器的差模输入信号以保护比较器。r3是上拉电阻，c2是去耦电容。由于所形成的方波信号的上跳沿超前于的基准30，所以以线电压uab作同步电压时就有30的相位差，这在软件设计中要予以考虑并进行调整。 图3.2.1.1同步信号电路图3.2.2 晶闸管驱动电路在本设计中，脉冲的同步由前面的同步信号电路产生，而脉冲的移相、形成和输出是由at89c51单片机完成的。其驱动电路如下图所示，由单片机p1口的低六位输出脉冲通过触发电路送至晶闸管的控制极。触发电路的功能是将控制器送来的控制信号转换成为晶闸管所需要的触发信号，该电路首先必须有隔离功能，把主控制器电路和主电路隔离开来，其次必须有较大的带负载能力，可以驱动晶闸管。考虑到触发信号的电压隔离问题，采用了绝缘强度高、隔离效果好的脉冲变压器。触发电路共有六路，一个周期内输出六路相角差为60的六个驱动信号。如下图就是本系统中使用的触发驱动电路。其中，光耦起着隔离控制电路与主电路的作用，晶体三极管可将cpu输出的脉冲信号放大，其工作在开关状态。脉冲变压器一方面传递脉冲，另一方面对弱电和强电起隔离作用，脉冲变压器具有比光耦更大的驱动能力。r4、d1起续流作用，防止脉冲变压器饱和，d2、d3、r5起整形作用。 图3.3.2.1晶闸管驱动电路3.2.3 相序检测电路下图为一路相序检测电路。管压降取自反并联的两只晶闸管的阴极k1和k2这两点也正好是控制部分触发脉冲线的阴极线，可以直接检测。a相反并联的晶闸管管压降经过r2限流和u1整流桥的整流，再经过光电隔离，最后经滤波由a1点输出送入到单片机p2.0引脚上。同理，b、c相由a1和a3送入p2.1和p2.2引脚。 图3.3.3.1相序检测电路3.2.4 电流检测电路电流检测的方法多种多样，用电流互感器测得交流电流值，含有脉动成分，可采用硬件或软件的方法减小脉动的影响。硬件实现可利用整流滤波电路。软件实现一般采用平均值滤波法即让采样周期t与电源的频率保持严格的比例关系，在工频周期内进行累加求积分而滤除交流成分。其电流检测原理电路图如下。主回路中接入电流互感器，然后利用电路把电流互感器二次侧交流电流转换成与之成正比的直流电压，最后输入a/d的转换芯片ad0809的通道0。其中d1、d2两个二极管起过载保护作用，串联电路r4可起到限流作用，因模拟信号源内阻过大会降低a/d转换精度，所以并联的电容c可起到误差补偿作用。 图3.3.4.1电流检测电路图3.2.5 a/d转换电路adc0809是美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片。本系统采用的a/d转换器就选型为adc0809，adc0809对前端采集电路变换的电流值信号进行模/数转换。单片机at89c51与a/d转换器adc0809的接口电路如图所示： 图3.3.5.1 a/d转换电路3.2.6 电压反馈回路电压反馈回路如图3.2.6.1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3.2.6.1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。图3.2.6.1 电压检测回路3.2.7 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3.2.7.1所示。图3.2.7.1电流检测回路3.2.8 过电流保护电路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3.2.8.1所示。图3.2.8.1 电流保护电路第4章 系统软件设计4.1 系统主程序流程图 本系统应用程序主要由主程序，中断服务程序和子程序组成，采用at89c51单片机汇编语言编程，主程序主要是完成系统初始化，参数的设置，开放外中断，读入触发角指令。其主程序如下图4.1.1所示系统软件设计： 主程序 初始化，并设置 参数 开放外中断 计算脉宽定时处理并保存 读入触发角指令 看门狗处理 图4.1.1 主程序流程图4.2 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。4.2.1定时中断程序流程图本系统中主要是对起动方法算法的处理，即触发角变化的计算。软起动不同方法的实现是通过在中断中调用触发角算法子程序来完成的。其定时中断程序流程图如下图4.2.1所示： t1中断程序入口 nstart=1？输出全t1y 输出触发脉冲信号 关t1n 时间间隔 初始至t1r5-1=0? 关中断 清脉冲前沿标志， start 清idt开t1 置idt，r5=6y 开中断 置start计算下一个触发脉冲 并保存 返 回 图4.2.1 t1中断程序流程图 主程序 4.2.2 外部中断程序流程图 保护现场 关定时器t0 读入t0值并保存定时器t0清零，重起动t0 关断t1nidt=1？触发延迟角定时值减去循环延迟角y 输出全1触发角调整计算，由此确定第一个脉冲指令初始值并保存计算触发角对应的初始值，并送初始值至t1定时器置脉冲前沿标志返 回yn触发延迟角定时值减去循环延迟角 恢复现场 启动t1 idt=1?计算下一脉冲时间的定时初值收第一个脉冲指令 致 谢 本论文是在我的指导老师密切关心和悉心指导下完成的。老师在课题开题期间和论文写作的过程中给予了我许多指导，导师总是以认真负责、一丝不苟的工作态度阅读并修改文章中不足的地方，他优良的作风和严谨治学的态度深深影响着我，至此,向恩师致以最真挚的感谢和最崇高的敬意！同时我要感谢我的同学，特别是我的室友们，正是他们在这几年里陪我一起成长，一起学习，才让我有了今天的成绩。他们在平时的学习和生活中他们给予了我无私的关怀和帮助，在此表示我最诚挚的谢意。附录根据上述控制思路，用mcs-51汇编语言编写的控制软件清单如下： 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 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 p3.7simp loo ；循环等待中断int0： push pswpush accmov r5,#6h ；设置输出脉冲计数器初值clr tr0 ；管定时器t0mov th，th0 ；读取定时器计数值的同步信号周期mov tl，tl0mov th0, #0 ；清计数值，便于下次计算mov tl0， #0setb tr0 ；重新启动定时器t0工作jb idt， count ；判断idt=1？clr tr1 ；否，管段定时器t1cyc： clr c mov a,#0 ；计算触发角触发的时间 subb a,tl1 mov r1,a mov a,#0mov r2,th1clr crrc a ；除以2mov r3,amov a,r1rrc acyc1： mov r4 ；通过循环来完成触发脉冲cyc2： djnz r4,cyc2djnz r3,cyc1mov p1,#0ffh ；循环完则管角置1 count： clr tr1 ；管定时器t1 mov a, alfa setb c subb a,#55hjc no_adj ；延迟角小于60，有错位，无需调整mov a,alfackr csubb a, #0aahjnc adj ；无错位，跳调整mov a, alfa ；顺