【正文】 息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 第三章 軟啟動(dòng) 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)原理方框圖 基于單片機(jī)的電機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)原理方框圖如圖 所示。 圖 電機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)原理方框圖 Figure motor soft startup system principle charts 硬件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機(jī) AT89S51 和 Altera 公司的 CPLD 器件 EPM7128 SLC84— 15為核心器件，輔以外圍電路。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能自至外中斷激活或硬件復(fù)位。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為低 8位地址接受。 ALE／ PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，值位無效。當(dāng)然，新一代 CPLD 和 FPGA 芯片在制造工藝上相互取長補(bǔ)短，二者之問的界限也不是 絕對(duì)的了?？紤]到本天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 系統(tǒng)所需的 FO口數(shù)，以及價(jià)格等方面的因素，故選用 Altcra 公司的 MAX 7000 系列器件EPM7128SLC84— 15，封裝為 PLCC． 84針。設(shè)計(jì)工具選擇 Altera 公司的第三代軟件丌發(fā)環(huán)境 MAX+plus 11，設(shè)汁輸入 采用 VHDL 輸入方式。當(dāng)需要停車時(shí)，由控制器發(fā)出停車信號(hào)后，反并聯(lián)晶閘管迅速投入工作，真空接觸器斷開。在每一瞬間，在三相交流調(diào)壓電路中，至少要有兩個(gè)器件導(dǎo)通，它們應(yīng)處于不同的相，其中至少有一個(gè)是流天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 向負(fù)載端，同時(shí)有另一個(gè)流向電源。 40C 和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導(dǎo)通 f導(dǎo)通角不小于 1706)而穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時(shí)所允許的最大平均電流。 (1)過電壓保護(hù) 凡是超過晶閘管在正常工作時(shí)承受的最大峰值電壓 uN 的都算過電壓。在器件側(cè)并聯(lián)上 RC 串聯(lián)回路，可顯著減 dxdi／ dt，從而抑制過電壓，同時(shí)電阻 R 可限制關(guān)斷的晶閘管再次導(dǎo)通時(shí)電容 c向晶閘管放電。 INT0外部中斷作為電路外部故障信號(hào)的輸入腳。 三相同 步信號(hào)采集電路 三相同步信號(hào)作為觸發(fā)脈沖計(jì)數(shù)的起始點(diǎn)，其精確性決定了觸發(fā)脈沖的精確性，本系采用了以光耦為中心的同步電路，由光耦隔離傳輸?shù)酱渭?jí)，形成觸發(fā)電路所需的同步信號(hào)。 電流檢測為控制部分提供一個(gè)與主電路工作電流大小成比例的取樣值，一是為限電流起動(dòng)提供反饋信號(hào)；二是為過電流保護(hù)、缺相保護(hù)、過載保護(hù)等提供反饋信號(hào)；三是用 于運(yùn)行狀態(tài)的指示。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 圖 電流檢測電路 Figure current detection circuit A／ D 轉(zhuǎn)換電路 P2口作為 A／ D采樣輸入口，采樣主電路中的工作電流信號(hào)，用于限流控制、過流保護(hù)、過載保護(hù)。 圖 三相同步信號(hào)產(chǎn)生電路 Figure threephase sync signal circuit 脈沖放大整形電路 為保證觸發(fā)電路的工作安全，應(yīng)使觸發(fā)電路與主電路隔離。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出低電平，通過與非門后，連接到 CPLD的 EN引腳，釋放脈沖 ； P1． 6與／ WR信號(hào)經(jīng)邏輯運(yùn)算后接 CPLD的片選信號(hào) ； 圖 單片機(jī)控制電路 Figure singlechip microputer control circuit 單片機(jī) 通過數(shù)據(jù)總線向 CPLD觸發(fā)角產(chǎn)生單元送數(shù)據(jù)信號(hào)，觸發(fā)角產(chǎn)生信號(hào)根據(jù)此值大小控制晶閘管導(dǎo)通角。 (2)過電流保護(hù) 快速熔斷器是晶閘管裝置中應(yīng)用最廣泛的過電流保護(hù)措旃，它的熔斷時(shí)間在 lOms 以內(nèi)。針對(duì)以上兩種過電壓采用不同的保護(hù)措施?！?180。三相調(diào)壓起動(dòng)其實(shí)質(zhì)是降壓起動(dòng)，與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)不同之處是無機(jī)械觸點(diǎn)，起動(dòng)電壓和起動(dòng)電流任意可調(diào)。這種做法既能保證電機(jī)的軟起動(dòng)／軟停車，又能在電機(jī)正常運(yùn)行使用接觸天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 器短接可控硅裝置，從而去除了可控硅裝置的附加能耗，減少散熱器的體積，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。整個(gè)系統(tǒng)主要由三相晶閘管主電路、電壓、電流檢測電路，同步電壓采集電路、單片機(jī)控制電路，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、脈沖隔離整形電路、人機(jī)接口等組成。該型號(hào)的芯片主要特征簡單描述如下： (1)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率可達(dá) 178MHz； (2)采用 CMOS E2PROM 工藝，傳輸延遲僅為 5ns； (3)內(nèi)部具有豐富的 資源一 128 個(gè)觸發(fā)器、 2500 個(gè)用戶可編程 I39。 在設(shè)計(jì)周期上， CPLD 的互連路由結(jié)構(gòu)使得布放設(shè)計(jì)任務(wù)容易進(jìn)行，軟件編譯比 FPGA 快，延時(shí)可預(yù)測，而對(duì) FPGA，除了邏輯設(shè)計(jì)外，還要進(jìn)行延時(shí)設(shè)計(jì)，而邏輯布局和延時(shí)又是相互關(guān)聯(lián)的。 圖 單片機(jī)的電路連接圖 Figure MCU circuit connection diagram 可編程邏輯器件的選型 目前， CPLD／ FPGA 是兩種常用的可編程邏輯器件，兩者在價(jià)格、性能、邏輯規(guī)模和封裝等方面各有千秋，不同的開發(fā)項(xiàng)目，必須作出最佳的選擇。一般情況下， ALE 端以不變的頻率周期輸出固定的脈沖信號(hào)，此頻率為其頻率的 1／ 6。對(duì)端口 P2 寫 ?1’，通過內(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)端口 PO 寫“ 1“時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。 單片機(jī)的選型 本系統(tǒng)中單片機(jī)主要用來作數(shù)據(jù)處理及讀取按鍵信號(hào)和故障信號(hào)顯示的功能，所以我們只要考慮它的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量以及 I／ O口的數(shù)量即可。該晶閘管裝置采用反并聯(lián)方式。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的 高八位。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 單片機(jī)的選擇 AT89C51是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞 ——“智能型 ”，如智能型洗衣機(jī)等。不過，這種電腦，通常是指個(gè)人計(jì)算機(jī)，簡稱 PC 機(jī)。 它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。汽車上一般配備 40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不 僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。目前，高端的 32 位單片機(jī) 主頻 已經(jīng)超過300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至 1美元，最高端[1]的型號(hào)也只有 10 美元。 早期的單片機(jī)都是 8 位或 4位的。對(duì)電機(jī)無沖擊，提高了供電可靠性，平穩(wěn)起動(dòng)，減少對(duì)負(fù)載機(jī)械的沖擊轉(zhuǎn)矩，延長機(jī)器使用壽命。電子軟啟動(dòng)器一般都是采用 16位單片機(jī)進(jìn)行智能化控制，他既能保證電動(dòng)機(jī)在負(fù)載要求的起動(dòng)特性下平滑起動(dòng)，又能降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)直接計(jì)算機(jī)通訊控制，為自動(dòng)化智能控制打下良好的基礎(chǔ)。旁路型電路復(fù)雜化，系統(tǒng)可靠性降低。 如圖 所示，在停車信號(hào)發(fā)出后，軟啟動(dòng)器輸出電壓從額定電壓 Ue 迅速降到跌落電壓 Usd，再按所設(shè)定的時(shí)間降到起始電壓 Ui，軟啟動(dòng)器停止輸出。 圖 限流起動(dòng)示意圖 Figure current limiting start schemes 指輸出電壓按預(yù)先設(shè)定的斜坡線性上升，即電壓由小到大斜坡線性上升，它是將傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)從有級(jí) 變成了無級(jí)。它通過單片機(jī)及相應(yīng)的數(shù)字電路控制晶閘管觸發(fā)脈沖的遲早來改變觸發(fā)角的大小，從而改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，最終改變加到電動(dòng)機(jī)三相繞組的電壓大小。 因此研究 交流 電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)器 控制系統(tǒng) ，以此來克服上述電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的缺點(diǎn)，是很有現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益的。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 從國外軟啟動(dòng)器的發(fā)展?fàn)顩r看，發(fā)達(dá)國家的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置和兼作軟起動(dòng)的變頻器。它既能改變電動(dòng)機(jī)的 起動(dòng)特性保護(hù)拖動(dòng)系統(tǒng)，更能保證電動(dòng)機(jī)可靠起動(dòng)，又能降低起動(dòng)沖擊 。如：智能大廈、無人值守泵站、無人值守供熱站、各種遙控調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)作業(yè)自動(dòng)化等等。當(dāng)該軟起動(dòng)器用于內(nèi)接時(shí)因可控硅模塊上承受的是三角形接法時(shí)的相電流，所以相同電流的軟起動(dòng)器在內(nèi)接時(shí)可以負(fù)載比外接時(shí)大 倍的電機(jī)。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。 它與變頻器有 的 區(qū)別 軟啟動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。智能型軟起動(dòng)器是一種集軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護(hù)于一體的新穎電機(jī)控制裝置，又稱為 SoftStarter。然而由于其起動(dòng)時(shí)要產(chǎn)生較大沖擊電流 (一般為 Ie 的 58倍 )，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。 軟啟動(dòng)器的簡單介紹 軟啟動(dòng)顧名思義， 就是不直接啟動(dòng)，而是慢慢的、一點(diǎn)一點(diǎn)的啟動(dòng)。 ，影響到其他負(fù)載 。軟啟動(dòng)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)在整個(gè)起動(dòng)過程中無沖擊而平滑地起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來調(diào)節(jié)起動(dòng)過程中的參數(shù) 如限流值、起停時(shí)間等，以達(dá)到最佳的起停狀態(tài)。 關(guān)鍵詞 : 交流電動(dòng)機(jī) 軟啟動(dòng)原理 單片機(jī) 軟啟動(dòng)程序 晶閘管 Ac motor soft starter control ABSTRACT Threephase asynchronous motor starting current is as high as rated current of 5 ~ 8 times of grid, cause bigger interference, especially in the industrial field, sometimes the overloading of equipment starting may pose a serious threat to security. The traditional stepdown start way, if star triangle starting, self coupling transformer starting etc, or starting current and mechanical shock is too large, or heavy, bulky or loss is big, small, maintenance starting torque rate high, etc., are unsatisfactory. Soft startup technology not only in the whole start process of realizing no impact and smoothly, and can according to starting motor load characteristics to adjust motor starting process of parameters such as the current limit value, starting and stopping time etc, so as to achieve the best of starting and stopping state. We from threephase asynchronous motor, based on the application of introduced control based on single chip microputer control motor soft start, gives the principle based on single chip microputer control motor soft starter design method. Use this method to control the motor soft startup system has control of simple structure, practical strong, etc. Key words： Ac motor Soft start principle Microcontroller Thyristor Soft startup procedures 目 錄 第一章 緒論 ..................