【正文】 電流檢測(cè)采用兩級(jí)電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一級(jí)瓦感器將主電路的大電流轉(zhuǎn)換成最大值為 5A的二次電流，第二級(jí)將 5A的電流轉(zhuǎn)換成最大值為 100mA的電流信號(hào)，小電流信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 26 工作原理如圖 。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由外部中斷輸入引腳的信號(hào)變化向 CPU提出中斷請(qǐng)求， CPU相應(yīng)中斷，并作一定的算法處理； P1． 7作為品閘管觸發(fā)脈沖的控制命令輸出。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇 R、 C、 PR，及 Uc 的值。一種是由于晶閘管裝置的拉閘、合閘和器件關(guān)斷等電磁過(guò)程引起的過(guò)電壓，叫操作過(guò)電壓；另一種是由于雷擊等原因從電網(wǎng)侵入的偶然性的浪涌電壓；它可能比操作過(guò)電壓還要高。根據(jù)實(shí)際電路考慮，在軟起動(dòng)器工作時(shí)，每相回路中兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角范圍分別為 O。在電路的正常工作狀態(tài)下， 6 個(gè)晶閘管按照 KPI、 K_PKP KP KP5 和 KP6 的順序循環(huán)觸發(fā)導(dǎo)通，而且相鄰的兩個(gè)晶閘管觸發(fā)時(shí)刻之間相差 600電角度。軟起動(dòng)器按預(yù)先設(shè)定的停止時(shí)間和停止方式實(shí)現(xiàn)停車(chē)。 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。 EPM7128sLc8 禾 15是 Altera 公司生產(chǎn)的第二代產(chǎn)品，以多陣列矩陣 (MAX)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，高性能 CMOSEEPROM 可電擦除。 在速度方面， FPGA 的細(xì)粒結(jié)構(gòu)決定其單元速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粗粒結(jié)構(gòu)的 CPLD，但對(duì)于多級(jí)邏輯來(lái)說(shuō)，隨著設(shè)計(jì)密度的增加， FPGA 互連結(jié)構(gòu)將使其路由延遲也快速增加，而 CPLD 的粗粒結(jié)構(gòu)和路由方式所帶來(lái)的互連速度能很好適應(yīng)這類(lèi)設(shè)計(jì)：在擅長(zhǎng)領(lǐng)域方面， CPLD 是粗粒結(jié)構(gòu)，扇入扇出都比較大，片內(nèi)邏輯門(mén)豐富，而且時(shí)延具有可預(yù)測(cè)性，這些特點(diǎn)使其正適合于輸入密集、邏輯復(fù)雜的控制密集型系統(tǒng)， FPGA 的邏輯塊扇入扇出都很小，片內(nèi)寄存器豐富，邏輯塊的單元速度也相當(dāng) 高，適合于邏輯級(jí)數(shù)少的數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 圖 AT89C51單片機(jī)引腳圖 Figure AT89C51 pins figure 單片機(jī)的連接電路圖 單片機(jī)的 連接電路圖如圖 所示。再 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I／ 0口， P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) rrL 邏輯電路。AT89s51 封裝及主要引腳功能說(shuō)明： PO 口： P0口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向加口，即地址，數(shù)據(jù)線復(fù)用口，每腳可吸收 81TL 門(mén)電流。其中單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和算法生成并完成數(shù)據(jù)處理工作，天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 CPLD 負(fù)責(zé)軟起動(dòng)器觸發(fā)脈沖及單片機(jī)邏輯擴(kuò)展。本系統(tǒng)以 89C51 單片機(jī)為核心組成晶閘管觸發(fā)控制系統(tǒng) , 該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法 , 從而完成復(fù)雜的控制任務(wù)。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 處理功能強(qiáng)，速度快。現(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十 分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。 可以說(shuō)，二十世紀(jì)跨越了三個(gè) “電 ”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。我們現(xiàn)在用的全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、 VCD 等等的家電里面都可以看到它的身影！ ......它主要是作為控制部分的核心部件。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80年代提高了數(shù)百倍。 INTEL 的 Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專(zhuān)用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。軟啟動(dòng)器在起動(dòng)電機(jī)時(shí)，通過(guò)逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)起動(dòng)電流從零線性上升至設(shè)定值。他經(jīng)過(guò)了三個(gè)發(fā)展階段，一是“ YΔ” 起動(dòng)器和自藕降壓起動(dòng)器，二是磁控式軟啟動(dòng)器，三是目前最先進(jìn)最流行的電子軟啟動(dòng)器。旁路型是為了延長(zhǎng)使用壽命，使電網(wǎng)避免諧波污染，減少軟啟動(dòng)器中的晶閘管發(fā)熱損耗，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到滿(mǎn)速運(yùn)行時(shí)用旁路接觸器取代已完成起動(dòng)任務(wù)的軟啟動(dòng)器。 軟啟動(dòng)常用的幾種停機(jī)方式 傳統(tǒng)的控制方式都是通過(guò)瞬間停電完成的，即慣性停車(chē)（斷電自停）。缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間；損失起動(dòng)力矩，起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)不利。 圖 Figure basic principle diagram 目前使用的軟啟動(dòng)器，基本上是以單片機(jī)作為中央控制器控制核心來(lái)完成測(cè)量及各種控制算法，用程序軟件自動(dòng)控制整個(gè)起動(dòng)過(guò)程。 看似 直接起動(dòng)方式起動(dòng)簡(jiǎn)單， 其實(shí) 電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)會(huì) 產(chǎn)生很大的瞬間電流沖擊，造成許多危害 ： A． 過(guò)大的熱應(yīng)力極易導(dǎo)致繞組損壞，造成繞組絕緣提前老化，從而降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命 B． 過(guò)大的起動(dòng)電流將使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩沖擊很大 C． 過(guò)大的起動(dòng)電流還造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，造成能源浪費(fèi)，傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方法無(wú)法從根本上解決這些問(wèn)題。單純起動(dòng)功能的軟起動(dòng)器產(chǎn)品已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，評(píng)選 “設(shè)計(jì)師最喜愛(ài)的軟起動(dòng)器品牌 ”活動(dòng)正是希望從一線設(shè)計(jì)師的工作中總結(jié)軟起動(dòng)器未來(lái)發(fā)展的方向。鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)電子軟啟動(dòng)器的誕生給技術(shù)人員解決了這個(gè)問(wèn)題。 國(guó)內(nèi)外軟啟 動(dòng)現(xiàn)狀 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的日新月異，智能控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。它甚至可以工作在有振動(dòng)和環(huán)境溫度較高的應(yīng)用場(chǎng)合。使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過(guò)流跳閘。 ：通過(guò)電子電路的組合，還可在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)其它種種聯(lián)鎖保護(hù)。 電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能型軟起動(dòng)器得到廣泛應(yīng)用。 圖 軟啟動(dòng)器 figure Soft starter 異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能及無(wú)需維護(hù)的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。軟起動(dòng)器將電力電子技術(shù)與微電腦控制技術(shù)相結(jié)合 (結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù) )，起動(dòng)時(shí)，由電子電路控制晶閘管的導(dǎo)通角使輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，自動(dòng)地將起動(dòng)電壓連續(xù)、平滑地上升，直至晶閘管全導(dǎo)通，達(dá)到額定電 壓，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊軟起動(dòng)；停機(jī)時(shí)，則控制晶閘管的關(guān)斷速度，使電機(jī)的端電壓由全電壓逐漸下降至零，實(shí)現(xiàn)軟停車(chē)；并能徹底的解決傳統(tǒng)起動(dòng)方式帶來(lái)的 “二次沖擊 ”的問(wèn)題。 交流電機(jī)軟啟動(dòng)存在 的問(wèn)題 我們都知道， 全壓?jiǎn)?dòng)有什么缺陷 ： 800%以 上。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方式，如星三角起動(dòng)、自耦變壓器起動(dòng)等，要么起動(dòng)電流和機(jī)械沖擊過(guò)大，要么體積龐大笨重、損耗大，要么起動(dòng)力矩小、維修率高等等，都不盡人意。因其直接起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流對(duì)電網(wǎng)及其負(fù)載造成沖擊，同時(shí)由于起動(dòng)應(yīng)力較大，使負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低，因此常采用降壓起動(dòng)方式來(lái)減少影響。 由上面可以看出全壓?jiǎn)?dòng)還是有蠻多缺陷的，所以就提出了降壓?jiǎn)?dòng)這個(gè)概念。 軟啟動(dòng)器于 20世紀(jì) 70年代末和 80 年代初投入市場(chǎng)，填補(bǔ)了星 三角啟動(dòng)器和 變頻器 在功能實(shí)用性和價(jià)格之間的鴻溝。這些方法雖然可以起到一定的限流作用，但沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。通過(guò)增加過(guò)載電流的設(shè)定和反時(shí)限控制模式，實(shí)現(xiàn)了過(guò)載保護(hù)功能，使電機(jī)過(guò)載時(shí)，關(guān)斷晶閘管并發(fā)出報(bào)警信號(hào) 。 ，可以避免長(zhǎng)期運(yùn)行使晶閘管發(fā)熱，延長(zhǎng)了使用壽命。該軟起動(dòng)器可不帶旁路持續(xù)在線運(yùn)行。軟起動(dòng)器特別適用于各種泵類(lèi)負(fù)載或風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載，需要軟起動(dòng)與軟停車(chē)的場(chǎng)合。作為重要驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它的控制方式受到廣大技術(shù)人員的高度重視。它能夠滿(mǎn)足起碼的軟起動(dòng)要求，售價(jià)低，維護(hù)雖然麻煩，但難度不大。發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的液態(tài)軟起動(dòng)產(chǎn)品，一般用在中壓繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)中。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 第二章 軟啟動(dòng)的基本原理和特點(diǎn) 軟啟動(dòng)原理 軟啟動(dòng)是指運(yùn)用串接于電源與被控電機(jī)之間的軟啟動(dòng)器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓的起動(dòng)方法。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 軟啟動(dòng)常用的幾種啟動(dòng)方式 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)器輸出電壓從零迅速增加，直到輸出電流上升到設(shè) 定的限流值 Iq，在輸出電流不大于 Iq 下，電壓逐漸上升，電機(jī)加速，直到起動(dòng)完成。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷，應(yīng)用時(shí)要特別注意。 圖 軟停車(chē)示意圖 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 Figure soft parking schemes 向電機(jī)輸入直流電流，從而加快制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間可調(diào)，主要用于慣性力矩大的負(fù)載或需快速停機(jī)的場(chǎng)合，在一定的場(chǎng)合代替了 反接制動(dòng)停車(chē)。所謂電子軟啟動(dòng)器，就是使用晶閘管調(diào)壓技術(shù)，采用單片機(jī)控制的起動(dòng)器，在用戶(hù)規(guī)定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)自動(dòng)地將起動(dòng)電壓連續(xù)平滑地上升，直到達(dá)到額定電壓，從而達(dá)到有效控制起動(dòng)電流的目的 。這些起動(dòng)方式都屬于有級(jí)減壓起動(dòng)，存在明顯缺點(diǎn)，即起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)二次沖擊電流。 單片機(jī)的介紹 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě) MCU 表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開(kāi)始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢(xún)r(jià)比不理想并未得到很 廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十 K 的尺寸！對(duì)于家用 PC的硬盤(pán)來(lái)講沒(méi)什么，可是對(duì)于單片機(jī)來(lái)講是不能接受的。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。單片機(jī)包括 CPU、 4KB 容量的 ROM（ 8031 無(wú)）、 128 B 容量的 RAM、 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 4個(gè) 8位并行口、全 雙工串口行口。 AT89C51 的主要特征： （ 1） 與 MCS51 兼容 （ 2） 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 （ 3） 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) （ 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz （ 6） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 （ 7） 128*8 位內(nèi)部 RAM （ 8） 32可編程 I/O 線 （ 9） 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 10） 5個(gè)中斷源 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 （ 11） 可編程串行通道 （ 12） 低功耗的閑置和掉電模式 （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （ 14） AT89C51 管腳說(shuō)明： （ 15） VCC：供電電壓。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。當(dāng) P3 口寫(xiě)入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。單片機(jī)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖經(jīng)光耦隔離后 , 可用于觸發(fā)主電路的晶閘管。 AT89S51 單片機(jī)是一種低功耗、高性能的 8位微控制器，其主要部分包括：內(nèi)部包含有 1 個(gè) 8 位 CPU、振蕩器和時(shí)鐘電路、 4K 字節(jié)的 Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、 128 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)， 2 個(gè)外部雙向輸入，輸出 (I／ O)口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)和 2層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位 J 編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器， 2個(gè)全雙上串行通信口，看門(mén)狗 (WDT)電路。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。對(duì) P3 口寫(xiě)入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令時(shí) ALE 才起作用。 CPLD的邏輯結(jié)構(gòu)屬于邏輯豐富型粗粒結(jié)構(gòu)； FPGA 則屬于寄存器豐富型細(xì)粒結(jié)構(gòu)； CPLD 集總式的互連結(jié)構(gòu)使其具有延時(shí)可預(yù)測(cè)性，同時(shí)限制了其規(guī)模； FPGA 分布式的互連結(jié)構(gòu)使其延時(shí)與邏輯布局有關(guān)可預(yù)測(cè)性較差；在編程工藝方面 CPLD 編程工藝類(lèi)型有 EPROM 型、 E2PROM 型和 Flash型，可以反復(fù)編程，但一經(jīng)編程，片內(nèi)邏輯就被固定，除非擦除重寫(xiě)，具 有可靠性高，可以加密的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有占用面積大，功耗大，相同集成規(guī)模芯片中觸發(fā)器數(shù)目較少，編程信息在使用時(shí)不能變化等缺點(diǎn)； FPGA 編程工藝類(lèi)型有 SRAM 型和反熔絲型，對(duì)于 SRAM 型來(lái)說(shuō)，掉電后信息不能保存，必須與存儲(chǔ)器聯(lián)用來(lái)存放編程數(shù)據(jù)，具有通過(guò)更換存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同邏輯和觸發(fā)器數(shù)目多，功耗低等優(yōu)點(diǎn)以及每次上電時(shí)必須先對(duì)芯片進(jìn)行配置才可以使用的缺點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可編程邏輯器件主要完成數(shù)據(jù)接收鎖存、計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)比較輸出等邏輯功能，對(duì)時(shí)序要求比較高，通過(guò)比較它們各自的優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為選擇 CPLD 器件更加合適。凡 Altera公司生產(chǎn)的 CPLD 可編程邏輯器件名稱(chēng)后帶 s的芯片，均支持在線現(xiàn)場(chǎng)可編程操作，只要用一根專(zhuān)用電纜接到 芯片的特定引腳上，無(wú)需拆下芯片，不需要編程器及芯片適配器，通過(guò)上位機(jī)打印口就可對(duì)芯片編程。在發(fā)出起動(dòng)命令后，單片機(jī)調(diào)用 E2PROM 中的運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，確定觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊的控制數(shù)字值，通過(guò)單片機(jī)總線送到 CPLD 觸發(fā)器，觸發(fā)器發(fā)出脈沖經(jīng)隔離整形電路來(lái)觸發(fā)可控硅。