低压电动机软启动器的设计

PAGEPAGE28低压电动机软启动器的设计摘要：了 STM32F103RBT6单片机及功率器件晶闸管为核心，完成了三相异步电动机软启动的系统设计。利用 32位单片机STM32F103RBT6对电机定子两端的电压调节， 解决了电动机启动时对电网和机械设备的冲击， 的寿命，同时能够实现软停车、故障保护、节能等功能。关键词： 软启动器；低压电动机；单片机；晶闸管DesignofSoft-starterinLow-voltageMotorAbstract:STM32F103microcontrollerandwereusedinthethree-phasemotorsoftstarteraimingatovercomingtherampantofitsstaringcurrent.voltageslopestart,currentstartandsoftparkingwereachievedbytheSTM32F103RBT6ofmicrocontroller.themotorstatorvoltagewasadjustedbythetriggeranglesofthetoavoidtheimpactofthestartingcurrentonmechanicalequipmentandgrids,thelifetimeofthepowereddevices,andachieveasoftstop,faultprotection,energysavingfunctionetc.Keywords:Soft-starter;low-voltagemotor;singlechip;thyristor目 录115三相异步电动机软启动器的国内外研究现状 5本设计主内容 56软启动器及其工作原理 667888软启动器硬件电路总体框图 899电路元件参数的选择 10软启动器控制电路的设计 12软启动器晶闸管触发驱动电路设计 12软启动器同步电路设计 13软启动器电机转速检测电路设计 14软启动器相序检测电路设计 15软启动器保护电路的设计 15软启动器电流检测电路设计 16软启动器电机功率因数检测电路设计 17软启动器盘及LCD显示电路的设计 18软启动器软件设计 19系统主程序流程图 软启动器晶闸管触发脉冲产生程序设计 22触发脉冲延时触发的次序 22软启动器电压斜坡启动程序设计 器 显示程序设计 5 25参考文献 26致 谢 错误！未定义书签。附录 28前言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， 采用晶闸管三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， 势 ［1］。90， ， 技术已趋于成熟。 的 AB公司生产的 315～2000KW的交流调压式电力电子软起动器，英国的 CT的 TE国 AEG公司及欧洲 ABB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原理的软起动产品做过对比试验，并得在 40％～ 50％， ， 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。本设计主要内容本课题要求以 STM32F103RBT6单片机为控制核心， 设计了一个三相低压异步动机软启动器控制系统，本文介绍了以下主要内容：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；软启动器的启动方式采用斜坡软启动；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；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；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；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；设计了晶闸管驱动电路 ,保证晶闸管可靠导通。软启动器原理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Y/软启动器采用三相反并联晶闸管（ ， 渐降低，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。软启动器启动方式软启动器一般有下面几种启动方式：斜坡升压软启动 输出电压由小到大斜坡线性上升， ； 起动时间长，对电机不利。改进的方法是采用双斜坡起动 :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， 起动时间相对较短 ［3］。斜坡升压软起动原理图如图 1。斜坡恒流软启动 这种启动方式是在电动启动的前阶段电流逐渐增加， 当率， 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， 、 泵类负载的启动 ［4］。斜坡恒流软起动原理图如图 2。转矩控制启动 这种启动方式主要用于重载启动， 同图 3。式 ， 的 在 0～2意 ［5］图 4。I(t)USImU1Int t图 1 斜坡升压软启动方式 图 2 斜坡恒流软启动方式gl ette g2 etutM(t)

M(t)MfMqMfMqMq1

MQ1Mft t图 3 转矩控制启动方式 图 4 转矩加突跳控制启动方式Fig3 uelgd Fig4 ueunupoleupmode软启动器的四种运行状态软启动器有 4种运行状态：跨越运行模式 式 ， 模式下，有可能用一台软启动器去启动多台电动机。式 ， 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。调压调速模式 软启动器既然是用晶闸管凋原理来实现， 它就可以进行调阻 ［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：自由停车 直接切断电源，电机自由停车。软停机 调。动 。 是， ， 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” 。直接制动 0～软启动器的设计方案软启动器的设计方案主要有带旁路接触器和不带旁路接触器 2种：不带旁路接触器设计方案 流于案 于 40%旁减少软启动器的晶闸管热损耗。软启动器硬件电路总体框图三相低压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， 即主电路路、 、 、 及 CPU等组成。该系统的总体框图如图 5。软启动器主电路的设计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。LCDLCD显示晶闸管触发电路STM32单片机电压检测功率因数检测电流检测转速检测M3~保护电路键盘电路图 5 软启动器硬件总体框图Fig5 Soft-starttheoverallhardwareblockdiagram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]:晶闸管电流容量（I 是在环境温度为T(AV)

IT(AV)）的选择40和规定的冷却条件下， 带电阻负载的单相工频正弦半波通 (角

170)而稳定结温不超过额定值时所允许的最大为 K，

K f则晶闸管的通态平均电流

I 为：T(AV)晶闸管耐压选择

I T

2)KIN

（1）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， 同时常2有 2～32U (2~N

220

（2）在选择双向反并联的晶闸管时， ， 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］软启动器控制电路的设计STM32F103RBT6/STM32F103是ST于 ARM新 Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，内置 128KB的 Flash、20K的 RAM、12位AD、4个 16位定时和3路， 达 72MHz。在本设计中采用该芯图 7到 中 多带 位 AD转换电路，节省了外围 AD转换电路的设计，降低了开发成本。外部中断接口可以随意选择 口，应用是只需在件上对端口进行复位和配置即可。该控制电路中采用 8MHZ晶振，由内部软件进行设置成九倍频，即 72MHZ，完全满足该设计的精度要求，处理速度快，精度显示高，运算能力强。 该芯片采用单独 3.3v电源供电， 能耗低， 抗干扰性强， 适合于工厂企业矿山企业等复杂的工矿环境。， ， LCD， ST的 C了程序的编写，提高了产品的开发效率，缩短了开发时间。图 7软启动器电机主控制电路g7 trnlu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， ， 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， 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,最后直接送至单片机处理显示。软启动器电机线电压检测电路如图 8。图 8软启动器电机线电压检测电路g8 trrevenu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 9。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 :， 。 ， ； 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。， 。 ， 为 6us，于 有 20～50us。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 50Hz正弦波 。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角 围 ［1］。软启动器同步电路设计

图 9 软起动器触发驱动电路Fig9 Softstartertriggerdrivecircuit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， ， 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。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传感器产生的脉冲信号进行速 ［6］。图 11。图 图 10 Fig10 Thesignaldetectioncircuit图 11 软启动器电机转速检测电路Fig11 Soft-startmotorspeeddetectioncircuit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。 ， 经 RC滤波后送到差动过零比较器 LM339，过零比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， 源电压的相序和相位。若检测到的数据顺序为 序 图 12。图 12 软启动器相序检测电路g2 teuenu软启动器保护电路的设计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，防止电动机因管 D2、D5、D8取得三相电管 D3、D6、D9电器 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 器 J，电动机。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转换数据处理等环节需要耗费一定的时间， ， 计了反应迅速、无软件延迟的过流保护硬件电路 ［6］图 13。图 13 三相异步电动机缺相、三相不平衡保护电路g3 eyusreut,euenu软启动器电流检测电路设计方法多种多样，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。 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， 求积而滤除交流成分。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。图 14 软启动器电流检测电路g4 tutnu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， 流， 。 ，， 压， 实现节电效果。 交流异步电动机的功率因数基本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、 ， ， ， ， 、 、 准电压进行比较，转换成两路矩形波送入单片机的 、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。图 15 软启动器电机功因数检测电路Fig15 Soft-startmotorpowerfactordetectioncircuit软启动器键盘及 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。 等。显示电路部分采用显示器件 LM016L，其核心组成部分为 HD44780，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 5×7 或 5×10 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 64B的自定义字符 RAM，可自定义 8个5×8点阵字符或 4个 5×11供 1～4（字符数×行数）各种显示屏如图16。软启动器软件设计

图 16 软启动器键盘及 显示电路Fig16 SoftstarterkeyboardandLCDdisplaycircuit、 、 晶闸管触题:(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；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 显示故障系相； 重新开始，并设立相关的状态标志 ［4］。系统初始化内容包括：将工作内存初始化清零；设置中断屏敝控制字；I/O口初始化；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。开机开机关开中断调用相关子程序程序初始化检测电机各相数据开运行开关输出电机信息寄存器初始化有按键按下？故障显示是故障检测否编程 /停止检测初始设定值否停机启动？是图 17 系统主程序流程图Fig17 Systemmainprogramflowchart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， 为 3况 :

60以 A相同步信号为基准，并按延迟角时间定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 VT2、VT3、VT4、VT5、晶闸管的触发信号。当移相触发延迟角

60

120时， 为保证触发脉冲不遗漏，应将触发延迟角的定时时间调整在

60时间之内， 即减去一个 时间。同时输出触发脉冲的时序也要进行调整，此时第一个输出触发脉冲信号应该是 B， VT6隔 出 VT1、VT2、VT3、VT4、VT5晶闸管的触发信号。当移相触发延迟角

120时，要将触发延迟角的定时时间调整在时间内，从而保证触发脉冲不遗漏， 则需减去一个

120时间，并且对触发脉冲时序进行相应调， 是 C相 VT5， 时间依次输出 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。

60主程序主程序初始化并设置初值60N读入触发延迟指令。延迟角 60Y延迟角120？N依次发触发脉冲信号g1,g2,g3,g4,g5,g6依次发触发脉冲信号g6,g1,g2,g3,g4,g5,Y依次发触发脉冲信号g5,g6g1,g2,g3,g4,看门狗信号处理图 18 晶闸管触发脉冲程序流程Fig18 triggerpulseprogramflow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：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一定的余量；触发脉冲的相位应在规定范围内移动；于 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自 VT1～依后 60变 时，电路有三类不同的由于异步电动机是感性负载，设其续流角作状态，理论上移相范围为当 ≤0～179，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4.3.2触发脉冲延时触发的次序≤≤150。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 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。从主回出 VT1与 VT4， VT3与 VT6， VT5与 VT2程完 VT3，发 VT1、VT2、VT3了 ［7］。图 19。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， 式中 ——第 i次触发角；i ——最小触发角；min

i

min

K

U)i

（3）U ——电源相电压，maxU——斜坡上升的电压值。i

U =220V；max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VT1触发信号延时60度发出VT3触发信号，同时补发VT2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VT5触发信号，同时补发VT4触发信号延时60度发出VT6触发信号，同时补发VT5触发信号

图 19 触发脉冲延时触发的次序流程图Fig19 Triggerpulsetriggerdelayoftheorderflowchart相序检测能过对单片机 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，图 21。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， ， 子， 图 22。开始开始第一段斜坡第二段斜坡第三段斜坡达到接近全压起动结束图 20 软启动器电压斜坡启动程序流程图Fig20 Thesoft-startvoltagerampstarttheprogramflow开始初始化有关寄存器开始初始化有关寄存器采样 I/O口是I/O口等于采样值？是等于预期值？是出错标志为0？否循环次数到？出错标志减1出错标志加2是故障大于预期值？无效标志位置返回中断初始化调用子程序启动延时中断中断返回图 21 软启动相序检测程序图 图 22 软启动器同步信号程序流图Fig21 Soft-startphase sequencedetectionprocess map Fig22 Program flow graphsignalofthesoftstarter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， 图 23。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)RS：0=输入指令 1=输入数据。R/W：0=向写入指令或数据 1=从 ， 1息 ,1→0(沿 )令 D0～D7为七个输入输出数据线。开机判断那个键按下判断系统什么状态转入相应处理程序修改存储相应参数显示相应信息输出液晶屏初始化开机判断那个键按下判断系统什么状态转入相应处理程序修改存储相应参数显示相应信息输出液晶屏初始化查询要显示的代码写入字代码结束图 23 软启动器键盘程序流程图图 图 24 软启动器 LCD显示程序Soft-starttheprogram SoftstarterLCDflowchartofFigure结论当前国内的软启动器技术已日趋成熟，与发达国家的差距拉近。用 SCR(晶闸管 起动器起动电动机，可将电流限制在规定范围内，达到起动平稳且有节能的效果。针对本系统主要完成的工作有：完成晶闸管调压电路中晶闸闸的选择参数、 六路触发脉冲的产生以及驱动路设计；

到 LCD序 ,， ：动时，三相不对称度较大，可能会造成误触发或不触发；， 响,。。 。 面 :或 闭环控制；管端电压转速法等，它们基于电压和电流的实时检测完成。［1］骆宝俊.异步电机软起动器研究[M［1］骆宝俊.异步电机软起动器研究[M].江苏：南京理工大学，［2］骆洪明,郎文辉 设计[J].电子科技大学学报,2001.10:476-479．［3］李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京 :清华大学出版社，2005.［4］唐介.电机学京 :，2003.［5］龚勋.三相异步电动机软起动器策略研究与起动装置设计[M].山东：大连理工大学，2009.6］王兆安，黄俊 电力电子技术 [M].京 机械工业出版社， 2000.7］厚 .交流电动机晶闸管调速系统 [M].北京 :机械工业出版社， 1988.8］沙占友，王彦朋，孟志勇 单片机外围电路设计 [M].北京：电子工业出版社， 2003.［10］郝浩.基于单片机的晶闸管触发脉冲的设计[J].电子设计工程.2009(2)：62-66．［11］林辉.电力电子技术[M].汉 工大学出版社，2002.［2］yVV，tltgfdMedn［10］郝浩.基于单片机的晶闸管触发脉冲的设计[J].电子设计工程.2009(2)：62-66．［11］林辉.电力电子技术[M].汉 工大学出版社，2002.［2］yVV，tltgfdMednethyristor[J].IEEETransactiononPower1997，12(6)：1041-1051．［13］.智能控制理论与技术1997：125-239．［14］.电机软起动器起动时间的计算[J].工矿自动化，2002(2)：［15］刘红樱，姜婷，周汉义.异步电动机软启动器设计[J].机电工程，2007，24(3)：74-76.［16］.智能型电动机保护装置[J].煤炭技术，2001，(6)．［17］王乐涛，金林.交流异步电动机性能测试系统[J].重庆：电工技术，［18］.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2005.［19］周希章，周全.电动机的启动、制动和调速[M].北京 :2002.［20］.变频驱动专用异步电动机的技术分析[J].电气传动自动化，2007(11).［21］汤蕴璎，史乃.[M].北京：机械工业出版社，2002.［22］徐安，陈耀，李玲玲.单片机原理与应用[M].北京：北京希望电子出版社，2003.25250450JS750PLCPLCX5040ZL50传深松旋耕茶籽含油量高光谱检测技术研究柴油活塞加夹拨叉加夹丁切制构条切制构JN338LED专铣专与仿真与仿真与仿真灭火器外注塑农铺膜衡臂械手普通车床数控化改造汽车上前盖注塑上下楼梯搬运器Th物质秸秆切碎手持激光距手器人手外壳注塑手推草坪修剪手推割草数回转作双活塞浆泵液力缸水稻育秧播种流水水力切割除草试验太阳能路灯万材料试微硫化卸胎装置卧式离心式剥壳卧式推杆减速地吸干小型便捷式除雪小型动绞肉小型雕刻结构小型扫雪小型载货动三轮车新型潜污泵盖烟草基质覆填镇一种柴箱体加工工艺及夹具一种花Th摘果异型管接头模具易拉罐有偿回收器杯冷冲模具圆锥滚筒式水稻种子清选轧钢板厚度自轧位伺服与仿真流电小车电气智能搬运器人中吨位叉车总体结中心孔打孔轴流缩增速箱人控制的适应平衡调整1621826498附录附录 附录 2：部分程序清单附录 1#include<stm32f10x_lib.h>#include"sys.h" /