基于单片机的三相异步电动机软启动器的设计

1、三相异步电动机软启动器的设计三相异步电动机软启动器的设计 摘要介绍了以 C8051 单片机为核心的的交流异步电动机软启动器。 软启动器包括主电路和控制电路两部分。控制电路利用晶闸管的导通角计算电 机的功率因数；电机启动方式采用电压斜坡软启动；单片机控制晶闸管触发脉 冲，通过对电机起动过程中的品闸管触发脉冲的控制，实现电机的平滑起动， 减少了电机对电网的冲击，起到了节能作用。该系统能够设置电机的起动参数， 自动诊断故障，控制系统智能化。 关键词软启动器；异步电动机；单片机；晶闸管 Design of Sotf-starter in Three-phase Asynchronous Motor E

2、lectrical Engineering and Automation Specialty MajorWANG Zeng-qiang Abstract: This paper introdues a sotf-starter control system which is based on 8051 single chip in three-phase AC asynchronous motor.The system includes main circuit and control circuit.Using SCR conduction angle to comprute the pow

3、er of the motor is a distinguishing feature of control circuit. the solpe voltage starting of starting mode is used to start the motor,the crystal thyratron trigger pluse is controled by single chip. By controling the thyristor trigger pluse,the motor can start stably.It proves that the soft-starter

4、 can reduce the current impact of motor starting and having energy-saving effect.The advantages of the system is setting the starting parameter of the motor,fault diagnosing display,the nitelligence control system. Key words: Sotf-starter; asynchronous motor; single chip ;thyristor 目目录录 1 前言 .1 1.1

5、三相异步电动机软启动器的国内外研究现状 .1 1.2 本文主要内容 .1 2 软启动器原理 .2 2.1 软启动器及其工作原理 .2 2.2 软启动器启动方式 .2 2.4 软启动器的四种停机方式 .4 2.5 软启动器的接线方案 .4 3 软启动器硬件电路设计 .4 3.1 软启动器硬件电路总体框图 .4 3.2 软启动器主电路的设计 .5 3.2.1 软启动器主电路的设计.5 3.2.2 电路元件参数的选择.5 3.3 软启动器控制电路的设计 .6 3.3.1 软启动器电机线电压检测电路设计.6 3.3.2 软启动器晶闸管触发驱动电路设计.7 3.3.3 软启动器晶闸管导通角检测电路设计.

6、7 3.3.4 软启动器同步电路设计.8 3.3.5 软启动器电机转速检测电路设计.8 3.3.6 软启动器相序检测电路设计.9 3.3.7 软启动器保护电路的设计.10 3.3.8 软启动器电流检测电路设计.11 3.3.9 软启动器电机功率因数检测电路设计.12 3.3.10 软启动器键盘及 LCD 显示电路的设计.12 4 软启动器软件设计 .13 4.1 系统主程序流程图 .14 4.2 软启动器晶闸管触发脉冲产生程序设计 .14 4.3 软启动器触发脉冲延时程序设计 .15 4.3.1 对晶闸管门极触发的要求.16 4.3.2 触发脉冲延时触发的次序.16 4.4 软启动器电压斜坡启

7、动程序设计 .16 4.5 软启动相序检测程序设计 .17 4.6 软启动器同步信号程序设计 .17 4.7 软启动器键盘程序设计 .18 4.8 软启动器 LCD 显示程序设计 .18 结束语 .19 参考文献 .20 致谢 .20 1 前言 1.1 三相异步电动机软启动器的国内外研究现状 电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早采用晶闸管三相 交流调压电路对电动机的软起动应用是在 1970 年由英国人发明的，由于采用这种方法 可以获得很好的起动性能，所以曾引起人们广泛的注意。近二十多年来，国外对晶闸 管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到应用，在某些领域应用

8、 显示出独特的技术优势1。 90 年代以后，国外一些著名厂商推出了软起动系列产品，技术已趋于成熟。如美 国的 AB 公司生产的 3152000KW 的交流调压式电力电子软起动器，英国的 CT 公司， 法国的 TE 公司，德国 AEG 公司及欧洲 ABB 公司等均推出了软起动产品；德国的西门 子公司推出一系列产品：SIRIUS 3RW30/31 适用于 55KW 以下电机，SIKOSTART 3RW22 适用于 710KW 以下电机，SIKOSTART 2RW34 适用于 1050KW 以下电机。从 软起动出现在世界，就伴随着研究软起动器能否实现节约能源的问题。英国人曾在八 十年代初就对不同控制

9、原理的软起动产品做过对比试验，并得出在 4050的额定 负载下，软起动器有明显的节能效果的结论，从而使得这种控制器在轻载情况下大大 被采用2。 目前，对晶闸管三相交流调压电路的研究已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。 1.2 本文主要内容 本课题要求以 8051 单片机为控制核心，设计了一个三相异步电动机软启动器控制 系统，本文介绍了以下主要内容： (1) 三相交流调压电路采用晶闸管调压，由单片机控制晶闸管的触发脉冲； (2) 软启动器的启动方式采用斜坡软启动；

10、 (3) 设计了同步电路以保证每个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的相位 关系； (4) 可利用键盘实现各类启动参数的设定、电动机的启动和停止等命令的输入； (5) 显示电路要能够显示电路中的线电压、线电流、电机转速等运行参数； (6) 能够对电机启动过程中过压、欠压、过流、缺相、掉相等提供多种保护； (7) 设计了晶闸管驱动电路,保证晶闸管可靠导通。 2 软启动器原理 2.1 软启动器及其工作原理 软启动器是一种用来控制三相交流电动机的专用产品，它实现了交流电动机的软 启动、软停车、轻载节能和多种保护，其功能完善，性能优越，能够满足工业电机控 制的需要，是传统 Y/启动和自耦变压器启动控

11、制方式的理想换代产品。 软启动器采用三相反并联晶闸管（SCR）作为调压器，将其接入电源和电机定子 之间，这种电路如三相全控整流电路。软启动器启动电机时，晶闸管的输出电压逐渐 增加，电动机的转速逐渐加速，直到晶闸管全部导通，电动机工作在额定电压的机械 特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免了启动时过流跳闸，待电动机达到额定 转速时，启动过程结束。软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电 动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命及提 高其工作效率。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐 渐降低，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转

12、矩冲击。 2.2 软启动器启动方式 软启动器一般有下面几种启动方式： (1) 斜坡升压软启动 输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动 变为无级降压起动，主要用于重载起动。它的缺点是起动转矩小，转矩特性呈抛物线 形上升，对起动不利； 起动时间长，对电机不利。改进的方法是采用双斜坡起动:输 出电压先迅速升至 U，为电机起动所需的最小转矩所对应的电压值。然后按设定的速率 逐渐升压，直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种起 动方式的特点是起动电流相对较大，起动时间相对较短3。斜坡升压软起动原理图如 图 1。 (2) 斜坡恒流软启动 这种启动方式是在电动启动的前阶段电

13、流逐渐增加，当电 流达到预先所设定的值后保持恒定，直到启动完毕。启动过程中，电流上升变化速率 是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。这 种启动方式的优点是起动电流小，且可以按需要调整起动电流的限定值，缺点是由于 在起动时难以知道起动压降，不能充分利用降压空间，会损失起动力矩。该启动方式 是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类负载的启动4。斜坡恒流软起动原理 图如图 2。 (3) 转矩控制启动 这种启动方式主要用于重载启动，是按电动机的启动转矩线 形上升的规律来控制输出电压。它的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同 时减少对电网冲击，是最优的重载启动方

14、式之一，缺点是启动时间较长。转距起动方 式原理图如图 3。 (4) 转矩加突跳控制启动方式这种启动与转矩控制启动相同，也使用在重载启 动的场合，比如皮带传输机、挤压机、搅拌机等，由于其静阻力矩较大，必须施加一 个短时的大启动力矩，克服大的静摩擦力，然后转矩平滑上升，缩短启动时间。转矩 突跳这种启动方式所提供的辅助突跳力矩所需电流可达到满载电流的 500%，突跳启动 时间可在 02 秒内选择，但是突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷，使用时应特 别注意5。转矩加突跳控制启动方式原理图如图 4。 In Im I(t) t U1 US t 图 1斜坡升压软启动原理图 图 2斜坡恒流软启动原理图 Mq

15、1 Mq M(t) MQ1 Mq M(t) t t Mf Mf 图 3转矩控制启动方式原理图 图 4转矩加突跳控制启动方式原理图 2.3 软启动器的四种运行状态 软启动器有 4 种运行状态： (1) 跨越运行模式 晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，电压谐波 分量可以完全忽略，这种方式常用于短时重复工作的电动机。 (2) 接触器旁路工作模式 在电动机达到满速运行时，用旁路接触器来取代已完 成启动任务的软启动器，这样可以降低晶闸管的热损耗，提高系统的效率。这种工作 模式下，有可能用一台软启动器去启动多台电动机。 (3) 节能运行模式 当电动机负荷较轻时，软启动器自动降低施加于电动机定子

16、上的电压，减少电动机励磁分量，从而提高了电动机的功率因数。 (4) 调压调速模式 软启动器既然是用晶闸管凋原理来实现，它就可以进行调压 调速运行，由于电动机转子内阻很小，要得到大范围的调速，就需在电动机转子中串 入适当的电阻4。 2.4 软启动器的四种停机方式 软启动器有 4 种停机方式可供选择： (1) 自由停车 直接切断电源，电机自由停车。 (2) 软停机 在有些场合，并不希望电动突然停止，如皮带运输机、升降机等， 采用软停机方式，在接收停机信号后，电动机端电压逐渐减小。转速下降斜破时间可 调。 (3) 泵停机或非线性软制动 它适用于惯性力矩较小的泵的驱动。泵停机功能是 将离心泵的特性曲线

17、事先存储在设备中，软启动器在启动和停止电机的过程中，实时 检测电动机的负载电流，因此可根据泵的负载状况及速度调节其输出电压，使软启动 器的输出转矩我与泵的我曲线最佳配合，从而消除“水锤效应” 。 (4) 直接制动 可以向电动机输入直流电流，从而加快制动，直流制动时间可在 099S 间选择。主要使用于惯性力矩大的负载或需快速停机的场合。 2.5 软启动器的接线方案 软启动器的接线方案主要有带旁路接触器和不带旁路接触器 2 种： (1) 不带旁路接触器接线方案 笼型异步电动机是感性负载，运行中，定子电流 滞后于电压。若电动机工作电压不变，电动机处于轻载时，功率因数低：电动机处于 重载时，功率因数高

18、。软启动器能在轻载时通过降低电动机端电压，提高功率因数， 减少电动机的铜耗、铁耗，达到轻载节能的目的；负载重时，则提高端电压，确保电 动机正常运行。因此，对可变工况负载，电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬时 处于重载的场合，应采用不带旁路接触器的接线方案。 (2) 带旁路接触器接线方案 对于电动机负载长期大于 40%的场合，应采用带旁路 接触器的接线方案。这样可以延长软启动器的寿命，避免对电网的谐波污染，还能减 少软启动器的晶闸管热损耗。 3 软启动器硬件电路设计 3.1 软启动器硬件电路总体框图 三相异步电动机软起动控制系统在硬件方面可以分为两个部分，即主电路和控制 电路。主电路包括三相电

19、源、三相反并联的晶闸管、三相异步电动机。在主电路中， 晶闸管的容量要根据所控制的三相异步电动机的容量选择，主电路的结构是相同的。 而控制的设计和所要控制的异步电动机的容量无关，可以设计成通用型的。控制电路 部分一般由电流检测、晶闸管触发驱动电路、触发脉冲同步电路、相序检测电路、保 护电路及 CPU 等组成。该系统的总体框图如图 5。 3.2 软启动器主电路的设计 3.2.1 软启动器主电路的设计 主电路部分结构比较简单，主要采用晶闸管调压原理完成软启动器的各项功能。 三相异步电动机的晶闸管调压系统主回路的接法有多种，最常用的控制方案是将六个 反并联的晶闸管分别串接在电动机的三相线圈上，这种连接

20、方法由于各相波形对称， 输出电压不含偶次谐波，谐波比较少，因此功率可以做的较大，调速性能也比较优越。 本系统采用这种典型的调压电路，控制系统主回路电路图如图 6。 异步电 动机 晶闸管 同步信号 触发电路 电流检测 电压检测 保护电路 转速检测 相序检测 功率因数检测 8051 单 片 机 键盘电路 LCD显示 图 5 软启动器硬件总体框图 A B C M3 U V W 图 6 软启动器主回路图 3.2.2 电路元件参数的选择 晶闸管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压11: (1) 晶闸管电流容量（通态平均电流）的选择 )(AVT I 是在环境温度为和规定的冷却条件下，带电阻负载的单相工频正弦

21、半波 )(AVT I 40 电路中，管子全导通(导通角不小于)而稳定结温不超过额定值时所允许的最大 170 平均电流。按照标准，取其整数作为该器件的额定电流。根据实际电路考虑在软起动 器工作时，晶闸管通态平均电流的选择应根据电动机的起动电流来选取。若设限制起 动电流倍数为 K 电动机额定电流为定值，同时考虑到波形系统和留有一定的裕量， f K 则晶闸管的通态平均电流为： )(AVT I （1） NT IKI)225. 1 ( (2) 晶闸管耐压选择 精确设计晶闸管的耐压值比较困难，这是因为它不仅和回路的接法有关，同时还 与电动机的容量、激磁电流等数值有关，为了安全起见，额定电压必须使用时的正常

22、 工作电压峰值有 23 倍的裕量，在考虑有过电压吸收回路的情况下，所选用的晶闸管 额定电压为 （2）2202)32( N U 在选择双向反并联的晶闸管时，应仔细考虑其参数的选择。同时由于双向反并联 晶闸管多用于交流电路，因而通态时额定电流是指有效值电流，也就是说在选择晶闸 管时要加大安全裕量，此外为了使晶闸管能够正常工作而不受损坏，还必须对过电压、 过电流以及过高的电流引起的器件或电动机温升等进行适当的保护和抑制1。 3.3 软启动器控制电路的设计 3.3.1 软启动器电机线电压检测电路设计 三相异步电动机定子侧的相电压、相(线)电流是分析异步电动机的两个重要参数， 电子软起动器通过缓慢调节定

23、子侧的相电压，使得定子侧电流在一定范围内缓慢上升 并最终达到额定状态，电动机的电磁转矩与定子侧相电压的平方成正比，而定子侧相 电流反映了电机及电网所承受的冲击程度，在提高电机电磁转矩的同时尽可能减小定 子电流，是软起动器设计的首要目标。在下图的电压检测电路中，电网电压经电压互 感器缓冲转换成同比例的 0-10V 电压，再经有效值电路转换为相对应的有效直流分量 0-200mV,最后经 A/D 转换器以数字信号的形式送到单片机处理显示。软启动器电机线 电压检测电路如图 7。 TR1 TRSAT2P2S R14 10k R15 10k 11 10 13 312 U2:D LM339 R16 10k

24、C4 10uF R17 10k R18 10k D4 DIODE C5 10uF C6 1nF C7 1nF D5 DIODE D6 DIODE R19 10k R20 R21 10k RV1 RES-VAR C8 1nF 图 7 软启动器电机线电压检测电路 3.3.2 软启动器晶闸管触发驱动电路设计 晶闸管驱动电路的功能是将控制器送来的控制信号转化成为满足晶闸管所需要的 触发信号。软启动器晶闸管触发驱动电路如图 8。 晶闸管对门极触发电路产生的脉冲应能满足一些基本要求: (1) 触发信号可以是交流、直流或脉冲，但触发信号只能在它使控制极为正、阴 极为负时起作用。由于晶闸管在触发导通后控制极就

25、失去控制作用，为了减少控制极 损耗，故一般触发信号常采用脉冲形式。使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻， 降低晶闸管门极功耗；还可通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号间的绝缘隔 离和同步传输。 (2) 触发脉冲必须有足够的电压和电流。晶闸管属于电流控制器件，为保证足够 的触发电流，考虑裕量，一般可取两倍左右门极触发电流。 (3) 触发脉冲宽度应要求触发脉冲消失前阳极电流已大于掣住电流，以保证晶闸 管的导通。对于单相电阻负载，由于一般晶闸管开通时间为 6us，应要求脉宽大于 10us，最好有 2050us。电感性负载脉宽不应小于 100us，与负载功率因数有关，一般 用到 1ms，相当于

26、50Hz 正弦波 18。 (4) 触发脉冲与主回路电源电压必须同步并有一定的移相范围。为了使晶闸管在 每一周波都能重复在相同的相位上触发，触发脉冲与主回路电源电压必须保持某种固 定相位关系。同时，触发延迟角应能根据控制信号的要求改变，即控制角应有一定 的移相范围1。 3.3.3 软启动器晶闸管导通角检测电路设计 在 3.3.9 中电机的功率因数是根据线电压和线电流进行计算的，另一种方法就是 利用硬件电路测出晶闸管的导通角,再利用晶闸管的导通角计算出电机的功率因数，其 中功率因数角的计算方法是，cos便是电机的功率因数。晶闸管导通角 检测电路如图 9。 6 5 4 1 2 U2 OPTOCOUP

27、LER-NPN R4 10k TR2 TRAN-2P2S R5 10k D3 DIODE Q1 NPN R6 10k R7 10k D4 DIODE D5 DIODE R8 10k G1-G6 K1-K6 图 8 软起动器触发驱动电路 C1 1nF C2 1nF D1 DIODE D2 DIODE D3 DIODE D4 DIODE C3 1nF R1 10k 6 5 4 1 2 U1 OPTOCOUPLER-NPN R2 10k R3 10k R4 10k C4 1nF 图 9 晶闸管导通角检测电路 3.3.4 软启动器同步电路设计 要使三相交流调压主回路各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持

28、严格的同步相 位关系，软起动器必须在一个电压周期内控制晶闸管的导通，通过确定电压波形的过 零点，延时一段时间输出触发信号来控制其导通角，故在系统中必须设置同步电路。 在本设计中，对于主回路中的晶闸管导通控制的同步信号采用 1 个同步变压器，输出 电压经过过零比较器 LM339 后得到同步方波信号，方波跳变点对应于自然换流点。同 步信号检测电路图如图 10。 3.3.5 软启动器电机转速检测电路设计 电机转速的检测通过安装在异步电动机转子处霍尔元件产生的霍尔脉冲信号进行 检测，霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器，安装于异步电动机转 子上的永磁铁随转子转动，经过霍尔元件一次，可在信号

29、端产生一个计量脉冲，单片 机通过在一定时间内对霍尔脉冲次数的采集来得到异步电动机的转速6。转速检测的 原理图如图 11。 TR1 TRAN-2P2S R1 15k R2 15k D1 DIODE D2 DIODE 7 6 1 312 U1:A LM339 R3 2k C1 1000pF C2 0.01F 图 10 同步信号检测电路图 IP+ 4 IP- 5 VIOUT 3 VCC 1 GND 2 U3 ACS755XCB-050 5 4 2 312 U2:B LM339 R5 10k R6 10k C2 10uF R7 10k D3 DIODE R8 10k R9 10k 9 8 14 312

30、 U2:C LM339 C3 10uF R10 10k R11 10k R12 10k R13 10k 图 11 软启动器电机转速检测电路 3.3.6 软启动器相序检测电路设计 软起动装置中不可缺少相序检测的功能。应用微机控制的软起动装置，同步信号 通常只有一路，其它脉冲信号都以此信号为基准，因此只有确定相序，才能正确地发 出脉冲来控制晶闸管的导通顺序，起到相序自适应的作用。下图是相序检测电路。在 电路中先将三相电源电压分压，经 RC 滤波后送到差动过零比较器 LM339，过零比较 器将经过分压的三相正弦波整形成三相方波信号，经过光耦合隔离后送到单片机入口。 整形后的方波送入单片机的三个入口，

31、直接循环采样相应接口的状态检测三相电源电 压的相序和相位。若检测到的数据顺序为 1-2-3-4-5-6，同为下相序，若检测到的数据 顺序 1-6-5-4-3-2，则为负相序。软启动器相序检测电路如图 12。 3.3.7 软启动器保护电路的设计 (1) 三相异步电动机普遍运行在恶劣的工业环境中，由于环境温度、负载过大、 电动机老化、电网波动等因素在成电动机损坏。本系统通过控制继电器，进而控制接 触器动作来对电动机提供过压、欠压、过流、缺相、掉相等电气保护，防止电动机因 为过热而烧毁。保护电路的原理图如图所示，通过二极管 D2、D5、D8 取得三相电中 电压最高的一相，通过二极管 D3、D6、D9

32、 取得三相电中电压最低的一相，当电网电 压出现故障时，电压比较器 ICI 输出高电平，经过 Rp2 和 C9 组成的延时电路延时一小 段时间后再经过比较器 IC2 控制继电器 J，进而控制交流接触器，切断电网，保护电动 机。 (2) 同时由于在单片机对电动机定子侧线电压、线电流采样的过程中，AD 转换及 数据处理等环节需要耗费一定的时间，此后单片机才能做出相应动作，不能保证系统 的实时性，软起动器在初始设定时会要求用户输入系统过流值，根据不同的电机容量 输入的过流值不同，但是为防止用户的操作失误，过流保护硬件电路是必不可少的。 在系统出现异常导致主回路电流急剧增加的情况下，系统能够立即采取动作

33、，为此设 计了反应迅速、无软件延迟的过流保护硬件电路6。软启动器相序检测电路如图 13。 R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k R5 10k R6 10k R7 10k R8 10k R9 10k 7 6 1 312 U1:A LM339 C1 1nF 1 2 6 4 U2 MOC3052 R10 10k R11 10k R12 10k 5 4 2 312 U1:B LM339 9 8 14 312 U1:C LM339 C2 1nF C3 1nF C4 1nF 1 2 6 4 U3 MOC3052 1 2 6 4 U4 MOC3052 R13 10k R14 10k R15

34、 10k A B C 图 12 软启动器相序检测电路 TR1 TRAN-2P2S D2 DIODE C1 1nF C2 10uF D1 DIODE D3 DIODE TR2 TRAN-2P2S D4 DIODE C3 1nF C4 10uF D5 DIODE D6 DIODE TR3 TRAN-2P2S D7 DIODE C5 1nF C6 10uF D8 DIODE D9 DIODE RV1 RP1 R1 10k D10 DIODE-SC C7 1nF C8 10uF 7 6 1 312 U1:A LM339 R3 RES-VAR R2 10k RP2 RES-VAR 5 4 2 312 U

35、1:B LM339 RP3 RES-VAR R3 10k R4 10k C9 1nF R5 10k Q1 2N2369 J A B C 图 13 三相异步电动机缺相、掉相、三相不平衡保护电路 3.3.8 软启动器电流检测电路设计 异步电动机起动时，若起动电流太大，则对电网冲击大；若起动电流过小，则起 动时间长。因此，在起动过程中，需要限流调节和过流保护。而且，在有的场合，希 望能控制电动机恒流起动。所以在软起动控制器中，应有电流检测环节。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

36、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 15 所示。电机定子侧接入霍尔电流互感器 ACS755，霍尔元件检测定子侧两相电流，定子侧第三相电流用软件来实现，以减少硬 件系统的外围电路，最后输入 A/D 的转换器。A/D 将转换得到的数值输入单片机，由 软件比较检测电流与给定电流的差值，按照 PID 调节算法完成限流调节和过流保护1。 软启动器电流检测电路如图 14。 IP+ 4 IP- 5 VIOUT 3 VCC 1 GND 2 U1 ACS755XCB-050 R1 7 6 1 312 U2:A LM339 R

37、2 R3 D1 DIODE D2 DIODE R4 C1 图 14 软启动器电流检测电路 3.3.9 软启动器电机功率因数检测电路设计 功率因数角的定义:在正弦电压作用下，负载的功率因数角等于电压与电流的相 位差。由于晶闸管调压电路的工作特点是对正弦电压进行斩波。这决定了晶闸管的输 出 电压，即负载获得的电压是非正弦的，电流也是非正弦的，此时按定义测功率角已无 实 际意义。从对晶闸管导通状况的影响方面看，控制系统真正需要的是负载的续流角度， 有的文献称其为可测功率因数角。电机功率因数是对电机节能控制的重要指标，功率 因数低时说明电动机为轻载运行，通过降低电动机的端电压或在三相电的线电压之间 投

38、放电容可以提高功率因数，实现节电效果。交流异步电动机的功率因数基本是和它 的负载率成一一对应关系，适当调整功率因数，使其随负载的变化而变化，可以提高 异步电机的节电率。 功率因数检测电路主要完成异步电动机定子侧相电流、相电压过零点的检测，单 片机通过计算它们过零点的时间差，计算出电机的功率因数值。三相异步电动机为感 性负载，因此定子侧相电流滞后相电压一个角度，即电压与电流过零点相差的延迟角， 该角度的余弦值即为功率因数。对于晶闸管移相调压方式起动，由于电动机定子加载 的线电压和电流己不是正弦波，因此此种方式下将检测起动后加载在电动机上的电网 电压。 通过电压、电流互感器将定子侧相电压、相电流同

39、比例缩小为可处理的交流电压 弱信号，其次利用比较器将线电压、线电流对应的弱信号分别与一个设定的很小的基 准电压进行比较，转换成两路矩形波送入单片机的 INTO、INTI 口，利用单片机定时 器功能即可测定出电机的功率因数6。功率因数检测电路原理图如图 15。 R1 10k R2 10kC1 1nF R3 10k 3 2 1 411 U1:A LM324 R4 10k R5 10k R6 10k 5 6 7 411 U1:B LM324 R7 10k R8 10k R9 10kC2 1nF R10 10k R11 10k R12 10k 来来自自电电压压检检测测电电路路 来来自自电电流流检检测测

40、电电路路至至单单片片机机IO口口 至至单单片片机机IO口口 图 15 软启动器电机功因数检测电路 3.3.10 软启动器键盘及 LCD 显示电路的设计 键盘接口按不同标准可有不同分类方法，按键盘排布方式可分为独立方式和行列 方式。按读入键值的方式可分为直读方式和扫描方式;按是否进行硬件编码可分成非编 码方式和硬件编码方式；按 CPU 响应方式可分成中断方式和查询方式。将以上各种方 式组合可构成很多不同的键盘接口方式。键盘接口采用独立方式的键盘接口，采用查 询的方式进行工作。根据需要可设计起动键、停机键、增一键、减一键、设定键等。 显示电路部分采用显示器件 LM016L，其核心组成部分为 HD4

41、4780，基于 HD44780 的字符型液晶显示模块是一种常用的液晶显示器件，主控制驱动电路为 HD44780（HITACHI） ，其他一些公司的电路与之全兼容。由其控制的液晶显示器可以 提供若干个 57 或 510 点阵块组成的显示字符群，每个点阵块为一个字符位，字符 间距和行距都为一个点的宽度，具有 64 B 的自定义字符 RAM，可自定义 8 个 58 点 阵字符或 4 个 511 点阵字符。可以提供 81404（字符数行数）各种显示屏规格， 广泛应用于智能仪表、通讯、办公自动化及军工等领域。其按键及显示电路如图 16。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PS

42、EN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P2.7/A15 28 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 P1.0 1 P1.1 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/

43、INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 U1 80C51 C1 1nF C2 1nF X1 CRYSTAL D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD1 LM016L 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 开开始始 停停止止 增增 减减 设设置置 编编程程 复复位位 取取消消 图 16 软启动器键盘及 LCD 显示电路 4 软启动器软件设计 软启动器系统的软件控制着内核微处理器单片机的动作

44、，其中中断比较多，软件 结构复杂，故采用模块化设计。程序模块包换：系统初始化程序模块、斜坡电压电起 动程序模块、电压检测程序模块、电流检测程序模块、功率因数计算模块、保护电路 程序模块、键盘扫描程序模块、LCD 显示程序模块、同步电路程序模块、晶闸管触发 驱动电路、电机转速检测程序模块等。电动机软起动器控制程序的设计应考虑以下问 题: (l) 键盘扫描、外部输入信号的识别和电源、故障和起动完成后的指示； (2) 主回路电流的采样，数字滤波； (3) 脉冲触发的产生和控制； (4) 数据处理，包括定点数和浮点数的转换、加、减、乘、除等； (5) 故障报警和处理； (6) 显示电路显示系统信息 4

45、.1 系统主程序流程图 在主程序中首先要检测三相电源的同步信号，根据同步信号判断电机是否缺相、 掉相、三相不平衡等，如发现故障，将故障信息送到单片机并使 LCD 显示故障系统停 机；若无故障，当控制系统的开始按键按下时，设立允许触发晶闸管的标志，为相关 的中断程序提供状态信息；通过检测停止按键是否按下，决定程序是否断续运行或重 新开始，并设立相关的状态标志4。系统初始化内容包括： (1) 将工作内存初始化清零； (2) 设置中断屏敝控制字； (3) I/O 口初始化； (4) 初始化显示部分； 异步电机软启动器控制系统的主程序原理图如图 17。 开机 程序初始化 运行开关 开 关 寄存器初始化

46、 故障检测故障显示 是 检测初始设定值 启动？ 否 否 开中断调用相关子 程序 是 检测电机各相数据 输出电机信息 有按键按下？ 编程/停止 停机 图 17 系统主程序流程图 4.2 软启动器晶闸管触发脉冲产生程序设计 用单片机产生晶闸管触发脉冲后经晶闸管驱动电路，当驱动电流达到晶闸管驱动 电流后，晶闸管开通。依照三相桥式全控整流电路晶闸管导通的时序要求，输出触发 脉冲分为 3 种情况: (1) 当移相触发延迟角，此时以 A 相同步信号为基准，并按延迟角时间定 60 时实现的第一个脉冲输出，应该是 A 相 VT1 晶闸管的触发信号，触发延迟时间和触发 脉冲的时序无需调整，之后每隔时间依次输出

47、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6 晶闸 60 管的触发信号。 (2) 当移相触发延迟角时， 为保证触发脉冲不遗漏，应将触发延迟 12060 角的定时时间调整在时间之内， 即减去一个 60时间。同时输出触发脉冲的时序 60 也要进行调整，此时第一个输出触发脉冲信号应该是 B 相，VT6 晶闸管的触发信号， 之后每隔时间依次输出 VT1、VT2、VT3、VT4、VT5 晶闸管的触发信号。 60 (3) 当移相触发延迟角时，要将触发延迟角的定时时间调整在时间内，从 120 而保证触发脉冲不遗漏，则需减去一个时间，并且对触发脉冲时序进行相应调整， 120 此时第一个输出触发脉冲信号应该是 C 相

48、 VT5 晶闸管的触发信号，之后每隔时间 60 依次输出 VT5、VT6、VT1、VT2、VT3、VT4 晶闸管的触发信号。单片机产生晶闸管 触发脉冲程序流程图流程图9如图 18。 主程序 初始化并设置初值 电角度时间关定时器 计算同步信号周期和 60 依次发触发脉冲信号 g1,g2,g3,g4,g5,g6 ？延迟角 120 60延迟角 读入触发延迟指令。 依次发触发脉冲信号 g5,g6g1,g2,g3,g4, 依次发触发脉冲信号 g6,g1,g2,g3,g4,g5, Y N Y N 看门狗信号处理 图 18 晶闸管触发脉冲程序流程 4.3 软启动器触发脉冲延时程序设计 在捕捉到同步信号，经过

49、延时计算得到晶闸管 VT1 的触发子程序。为了保证第一 个时刻都至少有两相导通，除了 VT1 外，还需要补发脉冲来保证至少两相导通，且要 有正、反相的导通来构成回路。由交流调压电路工作状态知识知，交流调压电路工作 模式会出现三相或者两相导通以及不导通的情况，这就需要知道何时补发脉冲以及补 发脉冲的个数，给程序设计带来了难度。经分析，补发晶闸管的触发脉冲，可以按照 都是三相导通情况来设计而不会影响到电路的正常工作，简化了程序的设计1012。 4.3.1 对晶闸管门极触发的要求 对晶闸管门极触发的要求一般应满足： (1) 触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压、电流应大于晶闸管要求的数值， 并留有

50、一定的余量； (2) 触发脉冲的相位应在规定范围内移动； (3) 触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步、同频，且具有固定的相位关系，使 第一周期能在同样的相位上触发； (4) 触发波形一定要满足要求，对感性负载，一般大于 50HZ 的。 18 虽然同步信号捕捉的是两相电压的自然换相点，但各相电压由负变正的过零点是 三相三线交流调压电路的门极起始控制点（即0 的点）触发相位自 VT1VT6 依 次滞后。当改变时，电路有三类不同的工作状态，理论上移相范围为 0， 60 179 由于异步电动机是感性负载，设其续流角。当时，负载电流连续，晶闸管失 去调压作用。再考虑触发波形的要求，移相范围应满足。 15

51、0 4.3.2 触发脉冲延时触发的次序 在软启动器主回路中，发现需要对六只晶闸管通过延时循环导通。延时部分利用 定时器中断实现，延时触发角中断程序如下图所示。由于系统设计中采用一个 I/O 为 口控制两个晶闸管的触发信号，即一路触发脉冲控制在一相上的两个晶闸管。从主回 路图中可以看出 VT1 与 VT4 同相，VT3 与 VT6 同相，VT5 与 VT2 同相。所以在程序 中在触发完 VT3 后，只要将之前触发 VT1、VT2、VT3 的程序循环一次就可以了7。 软启动器触发脉冲延时触发次序流程图如图 19。 4.4 软启动器电压斜坡启动程序设计 电压斜坡起动控制方式是在起动过程中，控制晶闸管

52、导通角，使电机端电压从初 始电压（由用户设置）开始平滑无级上升至电源电压，其起动方式的数学模型为： )( maxminii UUK 式中第 i 次触发角； i 最小触发角； min 电源相电压，=220V； max U max U 斜坡上升的电压值。 i U 该公式显示是晶闸管输出电压从初始电压经过一次斜坡后达到全压，电机冲击仍 是很大。系统中分成三段斜坡实现，每段斜坡斜率不同，且每段起动时间可控，经过 系统优化，最终电机起动平稳，效果显著814。电压斜坡起动的流程图如图 20。 延时触发中断 发出VT1触发信号，同时补发 VT6触发信号 中断返回 延时60度发出VT2触发信号， 同时补发VT

53、1触发信号 延时60度发出VT6触发信号， 同时补发VT5触发信号 延时60度发出VT5触发信号， 同时补发VT4触发信号 延时60度发出VT4触发信号， 同时补发VT3触发信号 延时60度发出VT3触发信号， 同时补发VT2触发信号 开始 第一段斜坡 达到接近全压 第三段斜坡 第二段斜坡 起动结束 图 19 触发脉冲延时触发的次序流程图 图 20 软启动器电压斜坡启动程序流程图 4.5 软启动相序检测程序设计 相序检测能过对单片机 I/O 口的循环检测数据顺序来判断相序的是否正确。检测 I/O 口数据并与预期值进行比较，如相符，则相序正确，执行后续程序，如不符，则重 复检测数次，如仍不相符，

54、则不执行后续程序，同时显示部分显示相序信息。相序检 测程序流程如图 21。 4.6 软启动器同步信号程序设计 系统中同步信号采集采用外部中断控制的方式，来提高系统的实时性能。触发模 块与电源周期的同步在脉冲的产生中有着非常重要的作用，只有正确的同步信号才能 保证可靠、有效的触发晶闸管，从而保证软起动的顺利完成。流程图中的相应控制子 程序主要是通过定时器延时控制得到不同的触发角相应的触发脉冲，这些控制子程序 根据不同的起动方式而不同。同步信号程序流程如图 22。 开始 初始化有关寄存器 采样I/O口 等于预期值？ 出错标志加2 无效标志位置 出错标志减1 返回 I/O口等于采样值？ 循环次数到？

55、 大于预期值？ 出错标志为0？ 故障 是 否 是 是 是 调用子程序 中断初始化 启动延时中断 中断返回 图 21 软启动相序检测程序 图 22 软启动器同步信号程序流程图 4.7 软启动器键盘程序设计 键盘部分是按照独立式键盘接口方式，软件设计为扫描方式。按键程序中加入延 时消抖程序，以防止外部干扰对系统的影响。键盘处理模块的主要功能和程序流程图 如图 23。 4.8 软启动器 LCD 显示程序设计 液晶显示部分采用 LM0616L，它总共包括 14 个端口。其端口分配如下： Vss：电源地 。 Vcc：电源(+5V)。 Vee：对比调整电压。 RS：0=输入指令 1=输入数据。 R/W：0=向 LCD 写入指令或数据 1=从 LCD 读取信息。 E：使能信号，1 时读取信息, 10(下降沿)执行指令 。