【正文】 設(shè)計(jì)過程中有些地方具有自己的獨(dú)特見解和新意，但整體創(chuàng)新性一般。定稿（ 5 月份）： 30學(xué)時(shí)。 開題（ 12 月、 1 月）： 8 學(xué)時(shí)； 1 稿（ 2 月份）： 30 學(xué)時(shí)； 2 稿（ 3 月份）： 30 學(xué)時(shí) 。 2．論文內(nèi)容與工作量 本設(shè)計(jì)的以 MCS51 系列單片機(jī) 89C52RC 為主控芯片，設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，包括最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路，同步信號(hào)檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路，晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤輸入/LCD 顯示電路，旁路接觸器電路，霍爾測(cè)速電路 ，根據(jù)軟 起動(dòng)控制系統(tǒng)原理，通過 MATLAB/SIMULINK 仿真平臺(tái)搭建了軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真模型。論文寫作比較規(guī)范，格式基本符合要求，結(jié)構(gòu)較合理，層次清楚，表述較準(zhǔn)確。感謝陪伴我的電氣班的同學(xué)們，感謝他們?cè)诖髮W(xué)期間在學(xué)習(xí)和生活上給予我的幫助。特別要感謝我的部門主管，感謝他對(duì)我的關(guān)懷和教導(dǎo)。除此之外，還對(duì)我的生活給予關(guān)懷，使我可以順利的完成在校外的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。同時(shí)也要感謝養(yǎng)育我的父母，是他們?yōu)槲仪髮W(xué)和生活付出巨大的犧牲和努力，在這里僅表達(dá)我對(duì)他們的深深地思念和感恩。 致謝 32 致 謝 本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文即將完成，意味著我們大學(xué)四年的大學(xué)生活就將結(jié)束了。從更長(zhǎng)期來看，變頻軟起動(dòng)將成為軟起動(dòng)的主流。 電機(jī)軟起動(dòng)器將來的發(fā)展方向是更加智能化和多功能化。通過 PI 控制實(shí)現(xiàn)了限流軟起動(dòng)的仿真驗(yàn)證。 (2) 以 MCS51 系列單片機(jī) 89C52RC 為主控芯片，設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，包括最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路，同 步信號(hào)檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路，晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤輸入 /LCD 顯示電路，旁路接觸器電路，霍爾測(cè)速電路。 本文在查閱有關(guān)中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)晶閘管移相交流調(diào)壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了主要的研究，而對(duì)于軟件方面由于實(shí)驗(yàn)條件等方面的原因未作深入探討，總結(jié)本課題研究的內(nèi)容如下。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)存在著降壓效果不明顯、耗能大、有機(jī)械觸點(diǎn)或不能平滑調(diào)節(jié) 電壓等缺點(diǎn)。但由于維持起動(dòng)電流的電壓不是額定電壓，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程較直接起動(dòng)要慢的多，同時(shí)，起動(dòng)過程中，電流隨著轉(zhuǎn)速上升出現(xiàn)震蕩，轉(zhuǎn)矩也不穩(wěn)定可以看出，本設(shè)計(jì)任存在很大的缺陷。在 時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1500r/min。 （ a）轉(zhuǎn)矩波形 （ b）電流波形 （ c）轉(zhuǎn)速波形 圖 恒流軟起動(dòng)效果 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 30 由圖可以得知，起動(dòng)時(shí)定子電流迅速上升至設(shè)定限流值 30A，并保持相對(duì)穩(wěn)定。起動(dòng)時(shí)交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)迅速上升，在 后達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 1500r/min，電流最大值可達(dá)到 85A，是額定電流的 6~7 倍，隨著轉(zhuǎn)速上升，定子電流逐漸減小，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，電流降低到穩(wěn)定運(yùn)行電流。 為了更好的比較軟起動(dòng)和直接起動(dòng)的區(qū)別，圖 給出了直接起動(dòng)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形，如圖所示。 圖 PID 調(diào)節(jié)模塊 軟起動(dòng)仿真結(jié)果分析 假設(shè)電機(jī)控制起動(dòng)。 (6) PI 調(diào)節(jié)模塊 PID 調(diào)節(jié)模塊根據(jù)電流偏差信號(hào)經(jīng) PID 調(diào)節(jié)得出晶閘管觸發(fā)角。 圖 異步電機(jī)模塊及其參數(shù)設(shè)置 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 28 (5) 電流檢測(cè)模塊 實(shí)際應(yīng)用的軟起動(dòng)系統(tǒng)，通常是采用電流互感器取反饋信號(hào)，經(jīng)直流、濾波等信號(hào)處理環(huán)節(jié)，以獲得如實(shí)反映起動(dòng)電流（一般為有效值）的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)起來并不簡(jiǎn)單。輸入 A、 B、 C 對(duì)應(yīng)定子的三相線路，Tm 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入， m 為測(cè)量口。 圖 三相交流調(diào)壓模塊內(nèi)部模型 (4) 異步電動(dòng)機(jī)模塊 Matlab 電氣系統(tǒng)模塊庫中提供了多種異步電機(jī)模型。內(nèi)部模型圖如圖 所示。該模塊及脈沖觸發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。該電路由同步、鋸齒波形成和移相控制等環(huán)節(jié)組成。 圖 三相交流電源模塊及其參數(shù)設(shè)置 (2) 同步脈沖發(fā)生模塊 同步脈沖觸發(fā)模塊由同步電壓測(cè)量和脈沖觸發(fā)模塊組成。和 240176。 圖 三相交流電源模塊及其參數(shù)設(shè)置 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 26 (1) 三相交流電壓源 三相交流電源模塊 由三個(gè)單相交流電壓源按星形鏈接構(gòu)成，雙擊模塊即可設(shè)置各相電壓的幅值、頻率和相位等量。 依據(jù)軟起動(dòng)系統(tǒng)原理圖，組成智能軟起動(dòng)軟仿真模型，如圖 所示。但是對(duì)于電路和電機(jī)系統(tǒng)，若只用 Simulink 提 供的基本模塊來構(gòu)造模型比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 Simulink 中的電氣系統(tǒng)模塊庫 (power System Blockset)涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)中常用的基本元件和模塊 ,該模塊庫是在電機(jī)仿真時(shí)經(jīng)常使用的。 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 25 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 軟起動(dòng)主要環(huán)節(jié)仿真模型 系統(tǒng)試驗(yàn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)成功與否意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否，試驗(yàn)效果體現(xiàn)著系統(tǒng)性能 系統(tǒng)仿真采用 Matlab 及其工具箱 simulink。 (3) 微分作用系數(shù)的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制 偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。第 5 章 軟起動(dòng)器控制算法 24 取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮， P、 I、 D 參數(shù)的作用如下： (1) 比例系數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。為書寫方便，將 簡(jiǎn)化表示成 內(nèi)。以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下近似變換： (k=0,1,2,3? ) (52) 式 (52)中 是采樣周期。由于本文的 PID 控制算法的輸出量要控制晶閘管的輸出電壓，此類對(duì)象適合用增量式 PID 控制算法，所以下面主要介紹增量式 PID 控制算法。它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。偏差變化越快，反饋校正量則越大。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器對(duì)偏差量的控制規(guī)律可由下面公式解釋： (51) 第 5 章 軟起動(dòng)器控制算法 23 式中 為比例時(shí)間常數(shù)； 為 積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)間常數(shù)。將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，稱為 PID 控制器。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， PID 控制技術(shù)也在不斷的完善。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，將難以建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型和滿足實(shí)時(shí)控制的要求。但它的控制質(zhì)量還存在一些問題，如在某一狀態(tài)下整定為最優(yōu)的一組 PID 參數(shù)在另一種狀態(tài)下不一是最好的，因此普通的 PID 調(diào)節(jié)器不能滿足實(shí)時(shí)控制的動(dòng)態(tài)要求。具體通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來使電動(dòng)機(jī)的端電壓漸增，起動(dòng)電流得到控制。其起動(dòng)過程控制程序流程圖如圖 所示。軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)遵循異步電機(jī)起動(dòng)要求：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩夠大，沖擊電流最小，保證電機(jī)正常起動(dòng)；起動(dòng)平滑迅速、無沖擊；起動(dòng)設(shè)備操作方便。同步信號(hào)中斷程序流程圖如圖 所示。 圖 鍵盤輸入程序流程圖 圖 LCD 顯示程序流程圖 開機(jī) 有鍵按下？ 讀取鍵值，判斷系統(tǒng)狀態(tài) 轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理程序 修改存儲(chǔ)相應(yīng)參數(shù)，顯示相應(yīng)信息 輸出 N 第 4 章 軟起動(dòng)器控制軟件設(shè)計(jì) 21 同步信號(hào)中斷程序 同步信號(hào)作為晶閘管觸發(fā)的基準(zhǔn)信號(hào)，的那個(gè)同步信號(hào)進(jìn)入中斷后，調(diào)整觸發(fā)延遲角 并換算成定時(shí)器 1 的初值，延遲 角對(duì)應(yīng)時(shí)間后，開啟 60176。字符型 LCD1602 通常有 14 條引腳線或 16 條引腳線，多出來的 2 條線是背光電源線 VCC(15 腳 )和 GND(16 腳 )。鍵盤掃描程序流程圖如圖 所示。電路中設(shè)置了設(shè)計(jì)起動(dòng)鍵、停機(jī)鍵、增鍵、減鍵、設(shè)定鍵和確認(rèn)鍵。電角度時(shí)間對(duì)應(yīng)時(shí)間，由定時(shí)器 0 完成 依次發(fā)觸發(fā)脈沖信號(hào)，同時(shí)向前補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，即g5(g4)， g6(g5)， g1(g6)，g2(g1)， g3(g2)， g4(g3)，每發(fā)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)延時(shí)60176。電角度對(duì)應(yīng)時(shí)間，關(guān)定時(shí)器 1 中斷 計(jì)算觸發(fā)角 依次發(fā)觸發(fā)脈沖信號(hào)，同時(shí)向前補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，即g1(g6)， g2(g1)， g3(g2)，g4(g3)， g5(g4)， g6(g5)，每發(fā)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)延時(shí)60176。即當(dāng)端口輸出為低電平時(shí)，經(jīng)外加反相器變?yōu)楦唠娖胶笥|發(fā)晶閘管導(dǎo)通。 ~ 分別用于輸出晶閘管的觸發(fā)信號(hào) ,~ 用于模擬量的采樣。 同步信號(hào)檢測(cè)信號(hào)在發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，向單片機(jī)的 INT0 口提供同步指令。 主程序流程圖如圖 所示： 圖 控制系統(tǒng)的主流程圖 系統(tǒng)檢 測(cè) 故 障？ 參數(shù)的輸入域顯示 啟動(dòng)？ 開相應(yīng)中斷 故障？ 發(fā)觸發(fā)脈沖 啟動(dòng)完成 吸合旁路接觸器 結(jié)束 輸出故障信息 Y N Y N 初始化 第 4 章 軟起動(dòng)器控制軟件設(shè)計(jì) 19 脈沖觸發(fā)程序 用單片機(jī)產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖后經(jīng)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到晶閘管驅(qū)動(dòng)電流后，晶閘管開通。根據(jù)以上的要求設(shè)計(jì)軟件，軟件有主程序、脈沖觸發(fā)程序、鍵盤輸入程序。它是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示兩行，每行可以顯示 16 個(gè)字符。液晶顯示器按功能分為段位式 LCD、字符式 LCD 和點(diǎn)陣式 LCD，前兩者只能顯示有限字符，而點(diǎn)陣式 LCD 不僅能顯示字符，還可以顯示漢字及各種圖形。 顯示電路采用 LCD 液晶顯示器，其具有體積小、外形薄、重量輕、耗能小、工作電壓低、無輻射，特別是視域?qū)?、顯示信息量大等優(yōu)點(diǎn)。 鍵盤輸入 /LCD顯示電路 鍵盤輸入采用獨(dú)立方式的鍵盤接口，采用查詢的方式進(jìn)行工作。 單個(gè)晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示： 圖 單個(gè)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路 第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 17 觸發(fā)電路工作原理為：當(dāng)單片機(jī)輸出口根據(jù)控制規(guī)律計(jì)算出的指定時(shí)刻有觸發(fā)脈沖信號(hào)輸出時(shí)，相應(yīng)端口置 1，光電隔離 TLP524 截止， +5V 電源加在三極管 Q的基極，因此三極管導(dǎo)通，此時(shí)脈沖變壓器 T 原邊和電源構(gòu)成回路，其副邊向有脈沖輸出，在晶閘管門極形成滿足晶閘管門極觸發(fā)條件的觸發(fā)脈沖。為了使晶閘管在每一周波都能重復(fù)在相同的相位上觸發(fā)，觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須保持某種 固定相位關(guān)系，這正好由電壓同步電路實(shí)現(xiàn)。電感性負(fù)載脈寬不應(yīng)小于 100us，與負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)，一般用到 1ms，相當(dāng)于 50Hz正弦波 181