中心議題：

• 異步電動機智能軟起動硬件係統設計
• 異步電動機智能軟起動軟件係統設計
• 異步電動機智能軟起動係統試驗結果

解決方案：

• 采用脈衝觸發電路
• 采用斷相保護電路
• 單片機分析和處理實現電機的限流起動

近(jin)年(nian)來(lai)

，隨(sui)著(zhe)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)的(de)飛(fei)速(su)發(fa)展(zhan)，國(guo)內(nei)外(wai)都(dou)十(shi)分(fen)重(zhong)視(shi)三(san)相(xiang)異(yi)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)開(kai)發(fa)。軟(ruan)起(qi)動(dong)控(kong)製(zhi)旨(zhi)在(zai)降(jiang)壓(ya)以(yi)限(xian)製(zhi)電(dian)機(ji)起(qi)動(dong)電(dian)流(liu)，減(jian)小(xiao)起(qi)動(dong)電(dian)流(liu)對(dui)電(dian)網(wang)的(de)衝(chong)擊(ji)。目(mu)前(qian)電(dian)動(dong)機(ji)軟(ruan)起(qi)動(dong)方(fang)式(shi)有(you)很(hen)多(duo)

，如(ru)液(ye)阻(zu)軟(ruan)起(qi)動(dong)
、磁控軟起動

、晶閘管軟起動和變頻軟起動等。從起動時間、控製方式的多樣性、節能效果和價格等多方麵綜合比較，以晶閘管軟起動方式最優，是當前軟起動的主流方式。
　
本文設計以AT89C51單片機為核心的異步電動機智能軟起動器，該裝置可根據電動機負載的特性來調整起動過程中的各種參數
，是集電動機軟起動、軟停車
、輕載節能和多種保護功能於一體的電機控製裝置。

1硬件係統設計

異步電動機智能軟起動器硬件係統結構如圖1所示。本設計采用AT89C51單片機作為整個控製係統的核心。零電壓檢測電路用於檢測相電壓的過零點;觸發電路用其作為同步信號;斷duan相xiang檢jian測ce電dian路lu用yong於yu判pan斷duan斷duan相xiang故gu障zhang。觸chu發fa電dian路lu采cai用yong全quan數shu字zi化hua移yi相xiang控kong製zhi電dian路lu，與yu零ling電dian壓ya檢jian測ce電dian路lu配pei合he，在zai單dan片pian機ji的de控kong製zhi下xia，產chan生sheng移yi相xiang觸chu發fa脈mai衝chong來lai調tiao節jie電dian機ji端duan電dian壓ya；電流檢測電路采用霍爾電流傳感器將電流信號轉換為電壓信號送入A/D轉換器

，實現電機定子電流的檢測，提供軟起動和過載保護的依據;顯示控製器用來控製LED
，用以顯示工作參數和狀態;鍵盤電路用於輸入係統的參數和控製單片機程序的走向。主要電路的設計說明如下。


1.1觸發電路
　
觸發電路如圖2所示。AT89C51的晶振為6MHz
，自動在其30引腳輸出頻率為晶振頻率1/6(即1MHz)的脈衝。本係統將此脈衝用作外部時鍾源和作為定時脈衝使用。該脈衝經過2個CD4013分頻器(每個CD4013接成二分頻器
，2個串聯組成四分頻器)分頻後，輸出頻率為250kHz的脈衝
，此脈衝一方麵送入觸發板的計數器CD4040作為其時鍾脈衝，另一方麵送入單片機的14引腳（P3.4口）作為計數器T0的計數輸入時鍾脈衝，用於定時中斷。


晶閘管觸發信號的產生：在每1相都串入光耦TLP521，以A相為例
，2個光電耦合器TLP521按圖2所示接入。另一光電耦合器MOC3020的輸出1個腳接主回路A相雙向晶閘管的1個陽極
，另一腳接觸發極。光耦TLP521和MOC3020都起到了控製回路與主回路相隔離的作用。計數器CD4040是12位計數器
，將其Q5~Q12輸出端與74HC682輸入端P0~P7相連。A相電壓在1個周期有2個過零點，過零時2個光耦內部的發光二極管均不導通，CD4040的RST端為高電平，CD4040清零並開始計數，計數頻率由其時鍾端(CLK)輸入脈衝控製(來自四分頻器),由程序傳送給單片機的P2口1個設定數，P2口與74HC682的Q0~Q7端相連。74HC682是數值比較器，當由P0~P7組成的二進製數大於由Q0~Q7組成的二進製數時，其P>Q非端輸出低電平
，光耦MOC3020導(dao)通(tong)，晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)觸(chu)發(fa)回(hui)路(lu)便(bian)有(you)觸(chu)發(fa)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)，雙(shuang)向(xiang)晶(jing)閘(zha)管(guan)導(dao)通(tong)。該(gai)觸(chu)發(fa)電(dian)路(lu)沒(mei)有(you)采(cai)用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)觸(chu)發(fa)脈(mai)衝(chong)調(tiao)製(zhi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)
，設(she)計(ji)和(he)實(shi)施(shi)上(shang)更(geng)為(wei)簡(jian)單(dan)。
　
觸發角的計算：令計1個數的時間為t1，則t1=16/(250×103)s，設觸發角α占1個周期內的時間段為t，則該觸發角對應單片機P2口的十進製數γ=t/t1。將γ傳送至單片機P2口，則可控製雙向晶閘管在電源電壓的正
、負半波對應α角時被觸發導通。B、C二相晶閘管的觸發原理同A相。
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1.2電流檢測和A/D轉換電路

軟起動的主要任務是控製主電路的電流，因此要對電流進行檢測和監控。電流檢測和A/D轉換電路如圖3所示。本裝置采用LEM電流傳感器進行主回路電流的檢測
，其主要優點是LEM電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)任(ren)意(yi)波(bo)形(xing)的(de)電(dian)流(liu)及(ji)瞬(shun)態(tai)峰(feng)值(zhi)

，副(fu)邊(bian)電(dian)流(liu)能(neng)真(zhen)實(shi)地(di)反(fan)映(ying)原(yuan)邊(bian)電(dian)流(liu)的(de)波(bo)形(xing)，原(yuan)邊(bian)電(dian)路(lu)與(yu)副(fu)邊(bian)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)完(wan)全(quan)絕(jue)緣(yuan)，可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)
，而(er)且(qie)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)好(hao)，精(jing)度(du)高(gao)，因(yin)此(ci)能(neng)夠(gou)很(hen)好(hao)地(di)滿(man)足(zu)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)應(ying)用(yong)的(de)需(xu)要(yao)。為(wei)減(jian)小(xiao)誤(wu)差(cha)保(bao)證(zheng)轉(zhuan)換(huan)精(jing)度(du)，沒(mei)有(you)采(cai)用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)橋(qiao)式(shi)二(er)極(ji)管(guan)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)對(dui)LEM模塊輸出的電流進行整流，而是采用由2個運放組成的精密全波整流電路進行整流並濾波，得到與交流電流成比例變化的0~5V的直流電壓信號送入A/D轉換器TLC0834轉換成二進製數送入單片機


，以此信號作為改變晶閘管觸發角大小的依據
，並用於數碼管顯示。TLC0834是8位串行控製模數轉換器，以5V作為基準電壓，通過與控製處理器相連的串行數據鏈路傳送控製命令
，用軟件對通道選擇和輸入端進行配置。多路器尋址通過TLC0834的DI端移入轉換器。TLC0834的DI
、CLK、DO和/CS分別與單片機的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

，並對轉換器初始化；然後從處理器接收1個時鍾，在每個時鍾的上升跳變時
，DI端的數據移入多路器地址移位寄存器。在轉換過程中，轉換數據同時從DO端輸出。這樣TLC0834將輸入電壓轉換成二進製數送入單片機後進行處理和顯示。


1.3顯示電路

顯示電路如圖4所示，由高性能的多位LED顯示驅動器PS7219控製。PS7219內部具有15×8BRAM功能控製器寄存器,尋址方便
；其複位引腳與單片機的複位端連接

，LOAD、DIN和CLK端分別與單片機的P1.5、P1.6和P1.7端口連接。LOAD腳的功能是裝載數據輸入，當它為高電平時，串行輸入數據的最後16位被鎖定。串行數據的傳送格式為D15~D0,其中D15~D12為無關位

，D11~D8為寄存器地址，D7~D0為數據位；DIN腳的功能是串行數據輸入,發送到DIN端的16位數據在每個CLK的下降沿被移入到內部16位寄存器中

；然後
，在LOAD的上升沿
，數據被鎖存到數值或控製寄存器中。

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1.4斷相保護電路

斷相是對電動機危害較大的一種故障，為此係統單獨設置了如圖5所示的斷相保護電路
，主要由摩托羅拉單穩態觸發器MC14548和3隻二極管組成的“或門”電路實現。斷相保護示意圖如圖6所示。MC14548由上升沿觸發，產生1個脈寬由外加定時元件電阻R1和電容C決定的輸出脈衝。當MC14548的A端出現1個上升沿、B端為高電平時，Q端(平時輸出低電平)輸出1個由低到高的脈衝，經過時間τ(τ=R1×C)後從高變低。分別來自A
、B、C相觸發電路中計數器CD4040的RST端的3個信號經“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個雙光耦TLP521每60°就有1次過零
，過零時3個計數器CD4040的RST端一定有1個呈高電平,經過“或門”後MC14548的4腳每60°就有1個上升沿脈衝。若設定時間常數τ的值在大於60°而小於120°所對應的時間為:3.3ms<τ<6.6ms
，則不缺相時，單穩態觸發器將始終處於暫態，MC14548的Q端始終輸出高電平
，此時觸發器的工作狀態如圖6(a)所示
；若斷相，MC14548的A端將出現隔120°才出現下一個脈衝的情況，此時MC14548的Q端將從暫態回到穩態，呈現低電平，此時觸發器的工作狀態如圖6(b)所示。將MC14548的Q端連至單片機的P3.0端口，由程序檢查P3.0端口，如為零則說明斷相，然後進行斷相處理。




2軟件係統設計

軟件係統采用模塊化設計，主要組成部分如下：

(1)係統初始化模塊：主要完成AT89C51單片機內部定時器、中斷係統、堆棧指針、RAM和各I/O口等單元的初始化。

(2)故障檢測模塊：主要完成電動機起動前後的異常故障檢測，如斷相和過流等。

(3)軟起動模塊：根據電動機電流檢測信號，經單片機分析和處理後得到當前晶閘管觸發角的大小，以實現電機的限流起動。以起動電流限定為2倍的額定電流為例，觸發角控製算法如下：



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

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3樣機試驗結果

對1台樣機進行了試驗。主回路采用1000V

、200A雙向晶閘管。以5.5kW鼠籠式異步電動機帶動4kW直流電機進行PI電流閉環控製的軟起動試驗

，5.5kW電動機額定電流為12.6A，試驗中設限定電流約為2倍的額定電流，取為25A。
圖8為電機起動過程實測電流波形，圖8(a)為直接起動過程電流波形，圖8(b)為軟起動過程電流波形。可見整個軟起動過程中電流的變化很平穩，沒有出現振蕩現象，電機軟起動時的起動電流是其穩定運行電流的2倍左右，而直接起動非常迅速
，啟動電流很大，直接起動時的起動電流是其穩定運行電流的5~7倍。試驗結果表明，所設計的軟起動器係統效果良好，起動過程平穩
，無衝擊和振蕩。


本文提出了一種以AT89C51單片機為核心的新型異步電動機智能軟起動器的設計方法，本裝置集電動機軟起動
、軟ruan停ting車che和he多duo種zhong保bao護hu功gong能neng於yu一yi體ti，還hai可ke以yi實shi現xian電dian動dong機ji的de輕qing載zai節jie能neng運yun行xing。經jing試shi驗yan運yun行xing表biao明ming
，該gai裝zhuang置zhi設she計ji合he理li，運yun行xing可ke靠kao，具ju有you較jiao好hao的de實shi用yong價jia值zhi。