【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 c) d) 圖24 可變電抗器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 a)傳統(tǒng)電抗器 b)可變電抗變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 c)基于單相功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 d)基于三相功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖通過(guò)控制功率變換器的導(dǎo)通條件就可以改變控制線圈的電流大小，控制線圈上的電流產(chǎn)生相對(duì)主磁通的反向磁通并改變電抗器鐵芯磁阻，從而改變電抗器的電感值。當(dāng)控制線圈上的功率變換器完全導(dǎo)通時(shí)，控制線圈上的電流即達(dá)到最大值，這時(shí)主線圈上的電流同時(shí)達(dá)到最大，使電抗器的一次電抗減?。划?dāng)功率變換器關(guān)斷時(shí)，控制線圈上無(wú)電流，主線圈上的電流也降到最小，此時(shí)電抗器的一次電抗增大,因此，在一個(gè)電源周期內(nèi)可以通過(guò)調(diào)節(jié)功率變換器的導(dǎo)通角來(lái)改變電抗器的電抗值，對(duì)于三相電路來(lái)說(shuō)，若將可變電抗器接入電路,則可以平滑地調(diào)節(jié)電抗值。 控制電路原理設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)需求，采用Atmel的AT89S52作為軟起動(dòng)的微處理器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52還具有256字節(jié)RAM，32位 I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[9]。電路中還包括進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸入通道和模擬量輸出通道，以配合微處理器完成數(shù)據(jù)采集和給定信號(hào)輸出?？梢岳?279來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤的功能。另外還有一個(gè)控制電路專用的電源，保證控制電路的可靠性?？刂齐娐返目驁D如圖25所示。圖25 控制電路框圖 鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)8279是一種功能較強(qiáng)的鍵盤/顯示接口電路，可直接與Intel公司的各個(gè)系列的單片機(jī)接口，可以外接多種規(guī)格的鍵盤和顯示器。圖26是AT89S52與8279的一般接口框圖。圖中，8279外接44鍵盤，16位顯示器，由SL0~SL1譯出鍵掃描線，由416譯碼器對(duì)SL0~SL3譯出顯示器的位掃描線。圖26 鍵盤和顯示電路 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 電流檢測(cè)電路本文研究的電壓軟起系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓380V，電機(jī)工作電流較大。這些電壓與電流是起動(dòng)過(guò)程的重要參數(shù)，必須將其轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的量程范圍內(nèi)，才能將相應(yīng)數(shù)字量送到微處理器，進(jìn)行運(yùn)算和處理。所以設(shè)計(jì)了信號(hào)檢測(cè)模塊。圖27 電流檢測(cè)電路三相電流檢測(cè)電路如圖27所示。軟起動(dòng)電流信號(hào)取自軟起動(dòng)器起動(dòng)回路中，采用三個(gè)相同型號(hào)的電流互感器TATATA3，得到三相電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)三相全波整流、濾波和分壓后得到一個(gè)直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨器，由AI端接入A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809模擬量輸入端。因?yàn)锳DC0809量程最大為5V，所以在輸出端添加了限幅環(huán)節(jié)，以保證A/D轉(zhuǎn)換器的安全。 電壓檢測(cè)電路圖28 輸入端子圖三相電壓信號(hào)也要變換成A/D轉(zhuǎn)換器允許的量程范圍。電壓的測(cè)量采用電壓互感器，它是一次電氣系統(tǒng)與二次電氣系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互相聯(lián)絡(luò)的重要一次設(shè)備，其主要作用為：供給測(cè)量?jī)x表、繼電器等，正確地反映電氣系統(tǒng)的各種運(yùn)行情況；使測(cè)量?jī)x表、繼電器等二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)的高電壓隔離，保證工作人員和二次設(shè)備安全；將一次電氣系統(tǒng)的高電壓變換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的低電壓值(100伏，100/，100/3伏)，以利于儀表和繼電器的標(biāo)準(zhǔn)化。其接線方式有：?jiǎn)闻_(tái)接線，三臺(tái)單相三繞組的接線，兩臺(tái)單相按V/V接線，還有三相五柱三繞組接線。在這里，電壓互感器PT采用三相五柱三繞組接線方式，380V三相電壓經(jīng)該P(yáng)T后輸出五個(gè)端子，如圖28所示，A000、B000、C000為三相端子，N000為中性點(diǎn)，L000為和端子，當(dāng)高壓電網(wǎng)絕緣正常時(shí)，由于電網(wǎng)中的三相電壓是對(duì)稱的，其相量和為零，所以和端上的電壓為零。當(dāng)高壓電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，在和端上出現(xiàn)零序電壓，從而起動(dòng)接地堡裝置或接地故障信號(hào)回路。圖中，A000與N000之間，B000與N000之間，C000與N000之間均為100V。圖29 電壓檢測(cè)電路在軟起動(dòng)中，只需將100V電壓信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換即可。三相電壓檢測(cè)電路與三相電流檢測(cè)電路類似，如圖29所示(只畫(huà)出A相電路圖，B、C相類似)，電壓傳感器所得信號(hào)經(jīng)降壓整流濾波后，分壓得直流信號(hào)，通過(guò)調(diào)理后轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換器量程范圍內(nèi)直流電壓。 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此信號(hào)檢測(cè)模塊輸出的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，才能完成軟起動(dòng)信號(hào)的采集，所以設(shè)計(jì)中采用A/D轉(zhuǎn)換電路完成這一信號(hào)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器是A/D轉(zhuǎn)換電路的核心，本設(shè)計(jì)中采用的是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，它帶8個(gè)模擬量輸入通道，芯片內(nèi)帶通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器，啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)方式，第一通道轉(zhuǎn)換大約100μs。“或非”產(chǎn)生。這要求一條向ADC0809寫(xiě)操作指令來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。ALT與ST相連，即按打入的通道地址按通模擬量并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換?！盎蚍恰碑a(chǎn)生，即一條ADC0809的讀操作使數(shù)據(jù)輸出。A、B、C分別接地址鎖存器提供的低三位地址，只要把三位地址寫(xiě)入0809中的地址鎖存器，就實(shí)現(xiàn)了模擬通道選擇。對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，地址鎖存器是一個(gè)輸出口，為了把三位地址寫(xiě)入，還要提供口地址。圖210中使用的是線選法，同時(shí)和相或取反后作為開(kāi)始轉(zhuǎn)換的選通信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換后得到的是數(shù)字量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，才能進(jìn)行傳送。為此，可采用下述三種方式。1)定時(shí)傳送方式對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如，ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128μs，相當(dāng)于6 MHz的MCS51單片機(jī)的 64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用這個(gè)延時(shí)子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。2)查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此，可以用查詢方式，軟件測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可確知轉(zhuǎn)換是否完成，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。3)中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)(EOC)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在圖210中，EOC信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器后送到單片機(jī)的UMDJ，因此可以采用查詢?cè)撘_或中斷的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的傳送。不管使用上述哪種方式，一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)換完成，即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 圖210 A/D轉(zhuǎn)換電路 D/A轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)中，需要由微處理器系統(tǒng)提供控制信號(hào)給功率變換單元，該信號(hào)為0～10V直流電壓信號(hào)。為了把控制信號(hào)由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成符合觸發(fā)控制模塊需要的模擬電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了D/A轉(zhuǎn)換電路，采用典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832，DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5 V~+15 V均可正常工作。基準(zhǔn)電壓的范圍為177。10 V，電流建立時(shí)間為1μs，CMOS工藝，低功耗20 mw。DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。DAC0809中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)即輸入寄在器，第二級(jí)即DAC寄存器。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，故DAC0832可以工作在雙緩沖方式下，在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)可以采集下一個(gè)數(shù)字量。這樣能夠有效地提高轉(zhuǎn)換速度。另外，有了兩級(jí)鎖存器，可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用第二級(jí)鎖存信號(hào)實(shí)現(xiàn)多路D/A的同時(shí)輸出。單緩沖方式就是使DAC 0832的兩個(gè)輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而另一個(gè)處于受控的鎖存方式，或者說(shuō)兩個(gè)輸入寄存器同時(shí)受控的方式。在實(shí)際應(yīng)用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出時(shí)，就可采用單緩沖方式。雙緩沖方式，就是把DAC0832的兩個(gè)鎖存器都接成受控鎖存方式。為了實(shí)現(xiàn)寄存器的可控，應(yīng)當(dāng)給寄存器分配一個(gè)地址，以便能按地址進(jìn)行操作?？刹捎玫刂纷g碼輸出分別接和來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后再給和提供寫(xiě)選通信號(hào)，這樣就完成了兩個(gè)鎖存器都可控的雙緩沖接口方式。 雙緩沖方式用于多路D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)同步輸出的目的。本系統(tǒng)只有一路模擬量輸出，采用單緩沖方式，如圖211所示。圖211 D/A轉(zhuǎn)換電路 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出電路設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)量輸入電路開(kāi)關(guān)量輸入電路主要用于接受各設(shè)備狀態(tài)信號(hào)和工作人員的操作命令，包括：電機(jī)起動(dòng)、警報(bào)接觸、急停、故障報(bào)警、開(kāi)關(guān)和斷路器的反饋信號(hào)等。開(kāi)關(guān)量輸入電路原理圖如圖212所示。圖212 開(kāi)關(guān)量輸入電路原理圖開(kāi)關(guān)量輸入電源由+24V直流電源提供。輸入的開(kāi)關(guān)量IN1通過(guò)光耦TLP521隔離后由DI端輸送到微處理器，微處理器根據(jù)輸入開(kāi)關(guān)量進(jìn)行相應(yīng)的操作。圖中R35為限流電阻，取值為2kΩ。 開(kāi)關(guān)量輸出電路開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)主要用于控制微型繼電器，微型繼電器用于控制指示燈、蜂鳴器和中間繼電器的狀態(tài)，以完成對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的動(dòng)作。開(kāi)關(guān)量輸出電路原理圖如圖213所示，開(kāi)關(guān)信號(hào)由DO端輸入，繼電器提供O1AO1B常開(kāi)輸出節(jié)點(diǎn)。圖213 開(kāi)關(guān)量輸出電路原理圖電路中的I/O并不足以直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因此需要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使輸出的驅(qū)動(dòng)電壓、電流能夠適應(yīng)繼電器要求。還需要解決在負(fù)載動(dòng)作時(shí)，對(duì)電源的干擾以及斷開(kāi)電流時(shí)線圈電感在線圈兩端產(chǎn)生的極高的感應(yīng)電壓等問(wèn)題[8]。所以，設(shè)計(jì)使用了光電耦合器TLP521進(jìn)行了光電隔離，輸出信號(hào)通過(guò)控制三級(jí)管的開(kāi)關(guān)來(lái)控制繼電器的狀態(tài)。當(dāng)控制引腳為低電平時(shí)，PNP三極管基極為低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，繼電器吸合。同理當(dāng)控制引腳為高電平時(shí)，繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)。在繼電器線圈兩端并聯(lián)了續(xù)流二極管，使繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管流過(guò)，從而使三極管得到保護(hù)。在繼電器的觸點(diǎn)加入阻容消弧電路，用以消除繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)使產(chǎn)生的電弧。 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)集成觸發(fā)器具有可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便等特點(diǎn)。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。目前國(guó)內(nèi)常用的有KJ系列和KC系列，本系統(tǒng)以KJ系列設(shè)計(jì)觸發(fā)電路[10]。KJ004集成觸發(fā)器與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。圖214為三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路，由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可。KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門。本系統(tǒng)是由單片機(jī)控制的數(shù)字觸發(fā)電路，其脈沖對(duì)稱度很好，176。~176。圖214 觸發(fā)電路 輔助電源電路設(shè)計(jì)硬件電路工作離不開(kāi)電源。在整個(gè)弱電部分，輔助電源電路為其它電路提供工作電源，如觸發(fā)電路需要的+15V和15V直流電源。電源電路將18V交流電經(jīng)過(guò)整流電路、濾波環(huán)節(jié)，再經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器變成穩(wěn)定的直流電。輔助電源電路原理如圖215所示。其中，PU1為7815三端穩(wěn)壓器、PU2為7805三端穩(wěn)壓器、PU3為7915三端穩(wěn)壓器，對(duì)應(yīng)輸出的穩(wěn)定直流電壓值分別為+15V、+5V、15V 。圖215 輔助電源電路電路工作原理：兩組交流18V電分別經(jīng)PBlPB2， PB3PB4輸入。PB1PB2路經(jīng)整流、濾波后再經(jīng)PU1穩(wěn)壓輸出+15V直流電；再經(jīng)PU2后輸出穩(wěn)壓+5 V直流電壓。PB3PB4路經(jīng)整流、濾波后再經(jīng)PU3穩(wěn)壓輸出15V直流電。L1,L2,L3為三個(gè)發(fā)光二極管，分別組成三路電源的指示信號(hào)。電源電路開(kāi)始工作時(shí)，可以看到三個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光，這表明得到了所需的直流電壓。若三個(gè)發(fā)光二極管有任何一個(gè)或多個(gè)沒(méi)有發(fā)光則要進(jìn)行檢查硬件電路。3 軟起動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，然而要使系統(tǒng)能夠正常較好的運(yùn)行更要求有軟件這一靈魂來(lái)支持。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行、能否較好的滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在本軟起動(dòng)系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化硬件、提高系統(tǒng)的可靠性，提高軟起動(dòng)性能，很多功能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該軟件的任務(wù)是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、控制硬件系統(tǒng)采集信號(hào)、對(duì)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行判斷和處理、按要求輸出所需要的控制信號(hào)等。 主程序流程圖如圖31所示。圖31 軟起動(dòng)控制流程圖 軟件功能模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要功能模塊為初始化程序、人機(jī)交互子程序、軟起動(dòng)子程序。 初始化程序設(shè)計(jì)軟起動(dòng)控制器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將進(jìn)入初始化程序。該程序?qū)φ麄€(gè)軟起動(dòng)程序進(jìn)行初始化處理。其初始化流程如圖32所示。首先進(jìn)行MCU內(nèi)部各寄存器和設(shè)置的初始化，然后從存儲(chǔ)器中讀取控制參數(shù)并賦值給各變量，再將各開(kāi)關(guān)量輸出置初值，然后與人機(jī)交互模塊通信，完成該模塊初始化。初始化程序完成后將在LED上顯示結(jié)果，若初始化正常則顯示“初始化正常”，反之當(dāng)初始化錯(cuò)誤時(shí)通過(guò)報(bào)警燈和蜂鳴器聲光報(bào)警，并在LED上顯示錯(cuò)誤對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信息。圖32 初始化程序流程圖 看門狗程序設(shè)計(jì)因?yàn)檐泦?dòng)器是工作在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有時(shí)候突然強(qiáng)烈地干擾會(huì)使程序跑飛，系統(tǒng)“死機(jī)”，所以必須引入看門狗電路才能保證系統(tǒng)可靠工作。AT89S52自帶有看門狗電路，WDT是一種需要軟件控制的復(fù)位方式。WDT 由13位計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器中的看門狗定時(shí)器復(fù)位存儲(chǔ)器(WDTRST)構(gòu)成。WDT 在默認(rèn)情況下無(wú)法工作，為了激活WDT，戶用必須往 WDTRST 寄存器(地址：0A6H)中依次寫(xiě)入 01EH 和 0E1H。當(dāng)WDT激活后，晶振工作，WDT在每個(gè)機(jī)器周期都會(huì)增加。WDT計(jì)時(shí)周期依賴于外部時(shí)鐘頻率。除了復(fù)位(硬件復(fù)位或WDT溢出復(fù)位)，沒(méi)有辦法停止WDT工作。當(dāng) WDT溢出，它將驅(qū)動(dòng)RSR引腳一個(gè)高個(gè)電平輸出?？撮T狗程序所下所示：includesfr WDTRST = 0xA6。