一種新型的異步電動機(jī)軟起動器

提出一種以AT89C51單片機(jī)為控制核心的新型異步電動機(jī)軟起動系統(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)能有效地降低起動電流，且起動過程平穩(wěn)，無沖擊和振蕩。可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的軟停車、輕載節(jié)能及保護(hù)功能。
關(guān)鍵詞： 異步電動機(jī)； 軟起動器； 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，國內(nèi)外都十分重視三相異步電動機(jī)軟起動器的研究和開發(fā)。軟起動控制旨在降壓以限制電機(jī)起動電流，減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊。目前電動機(jī)軟起動方式有很多，如液阻軟起動、磁控軟起動、晶閘管軟起動和變頻軟起動等。從起動時(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，以晶閘管軟起動方式最優(yōu)，是當(dāng)前軟起動的主流方式[1-2]。
　本文設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心的異步電動機(jī)智能軟起動器，該裝置可根據(jù)電動機(jī)負(fù)載的特性來調(diào)整起動過程中的各種參數(shù)，是集電動機(jī)軟起動、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)
?? 異步電動機(jī)智能軟起動器硬件系統(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。零電壓檢測電路用于檢測相電壓的過零點(diǎn);觸發(fā)電路用其作為同步信號;斷相檢測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；電流檢測電路采用霍爾電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的檢測，提供軟起動和過載保護(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 電流檢測和A/D轉(zhuǎn)換電路
??? 軟起動的主要任務(wù)是控制主電路的電流，因此要對電流進(jìn)行檢測和監(jiān)控。電流檢測和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，其主要優(yōu)點(diǎn)是LEM電流傳感器可以測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，而且動態(tài)性能好，精度高，因此能夠很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場應(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
??? 斷相是對電動機(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)故障檢測模塊：主要完成電動機(jī)起動前后的異常故障檢測，如斷相和過流等。
??? (3)軟起動模塊：根據(jù)電動機(jī)電流檢測信號，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。以起動電流限定為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1臺樣機(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鼠籠式異步電動機(jī)帶動4 kW直流電機(jī)進(jìn)行PI電流閉環(huán)控制的軟起動試驗(yàn)，5.5 kW 電動機(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)起動過程實(shí)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(gè)軟起動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)軟起動時(shí)的起動電流是其穩(wěn)定運(yùn)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(shí)的起動電流是其穩(wěn)定運(yùn)行電流的5~7倍。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的軟起動器系統(tǒng)效果良好，起動過程平穩(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機(jī)智能軟起動器的設(shè)計(jì)方法，本裝置集電動機(jī)軟起動、軟停車和多種保護(hù)功能于一體，還可以實(shí)現(xiàn)電動機(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。
參考文獻(xiàn)
[1] ?? ?劉建業(yè),安曙明,付占穩(wěn). 異步電動機(jī)起動及節(jié)能智能控制技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)雜志, 2004(3):7-10.
[2] ?? ?徐甫榮.交流異步電動機(jī)起動調(diào)速節(jié)能保護(hù)控制綜述[J]. 電工技術(shù)雜志, 2003(4):1-5.
[3] ?? ?趙相賓,郭保良.交流電動機(jī)電力電子軟起動裝置的技術(shù)要求及試驗(yàn)方法[J].電氣傳動,2004(6):59-62.
[4] ?? ?何立民．單片機(jī)應(yīng)用文集[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.
[5] ?? ?戴茵茵，方瑞明.單片機(jī)控制的異步電動機(jī)軟起動器研制[C].華僑大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(2):120-123.