【正文】 它是逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。 天津理工中環(huán)信息學院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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，用于限流控制、過流保護、過載保護。 電流檢測為控制部分提供一個與主電路工作電流大小成比例的取樣值，一是為限電流起動提供反饋信號；二是為過電流保護、缺相保護、過載保護等提供反饋信號；三是用 于運行狀態(tài)的指示。 電壓檢測是為了得到感應式異步電動機軸端的交流電壓。如圖 ，圖中 v1為輸出級功率 放大晶體管，電阻 R2和電容 C構(gòu)成一個微分電路，用來提高脈沖前沿的陡度；電阻 R1和二極管 Dl起保護作用，防止在晶體管 V1關(guān)斷的瞬間在脈沖變壓器的原邊感應出的高壓擊穿三極管 V1，提供放電回路；二極管 D2用于防止三極管 V1關(guān)斷時在脈沖變壓器的副邊感應出的高壓加在晶閘管的門極；發(fā)光二極管 D4電阻 R3用于燈光指示，在脈沖回路正常工作時，該路發(fā)光管將點亮：脈沖變壓器 T起電氣隔離作用，防止由于晶閘管的損壞而將高電壓串至脈沖回路； P端接脈沖控制信號。 圖 三相同步信號產(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，應使觸發(fā)電路與主電路隔離。 三相同 步信號采集電路 三相同步信號作為觸發(fā)脈沖計數(shù)的起始點，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?，形成觸發(fā)電路所需的同步信號。 2864擦寫時問不超過 10ms，而讀取時間只有 150ns，擦寫次數(shù)達 10萬次，滿足本系統(tǒng)參數(shù)存儲的要求。用戶起動電機時設(shè)定了起動參數(shù)，希望掉電后重新上電使能恢復掉電前的狀態(tài)。當系統(tǒng)正常工作時，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信號經(jīng)邏輯運算后接 CPLD的片選信號 ； 圖 單片機控制電路 Figure singlechip microputer control circuit 單片機 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，觸發(fā)角產(chǎn)生信號根據(jù)此值大小控制晶閘管導通角。 INT0外部中斷作為電路外部故障信號的輸入腳。 AT89S51主要完成觸發(fā)角數(shù)字信號的傳輸、信息的讀取及故障檢測，單片機控制系統(tǒng)框圖如圖 。 單片機控制電路 AT89S51主要用于讀取按鍵信號，并能進行電流及故障的顯示，接收經(jīng) A／ D轉(zhuǎn)換的電流反饋量，根據(jù)不同的觸發(fā)方式，能對觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊傳輸不同的觸發(fā)角信號，并且可根據(jù)檢天津理工中環(huán)信息學院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 25 測到的電壓、電流信號進行故障檢測。 (2)過電流保護 快速熔斷器是晶閘管裝置中應用最廣泛的過電流保護措旃，它的熔斷時間在 lOms 以內(nèi)。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，同時電阻 R 可限制關(guān)斷的晶閘管再次導通時電容 c向晶閘管放電。器件側(cè)阻容保護主要是針對操作過電壓。 圖 壓敏電阻工具曲線 Figure thermistors tools curve 由圖 ，它對晶閘管的保護作用在于：當壓敏電阻兩端的電壓由于任何原 N： fI高到稍大于標稱電 )壓 UlmA 時， ZRI 作于 A～ B或 C～ D段，工作狀態(tài)近似于穩(wěn)壓二極管的擊穿，此時流過很大的放電電流，從而限制電壓在某一安全值的范圍內(nèi)，保護晶閘管不因過電壓而損壞。針對以上兩種過電壓采用不同的保護措施。 (1)過電壓保護 凡是超過晶閘管在正常工作時承受的最大峰值電壓 uN 的都算過電壓。 2．晶閘管的保護電路 晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，很短時間的過 電壓和過電流就能把器件損壞。時，電流容量 ITa由下式確定： ITa=(2～ 3)I／ Kf 其中， ITa 為 晶閘管流過每相回路的電流有效值； Kf 為波形系數(shù)，此時等于 1． 57；電機啟動時的最大電流為 7IN，而系統(tǒng)可限制啟動電流在 2． 5～ 3． 6 IN，即 I=2． 5～ 3． 6 IN (2)晶閘管的耐壓選擇 精確設(shè)計晶閘管的耐壓值比較困難，這是因為它不僅和回路的接法有關(guān)，同時還與電動機的容量、勵磁電流等數(shù)值有關(guān)。～ 180。 40C 和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻性負載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導通 f導通角不小于 1706)而穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時所允許的最大平均電流。 天津理工中環(huán)信息學院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 圖 軟啟動系統(tǒng)總 電路 Figure soft start the system total circuit 觸發(fā)電路如圖 。理 論上講，本起動器可起動各種容量的三相異步電動機，針對不同的容量， CPLD 實現(xiàn)的電路 (包括軟件控制思想 )均可不變，只要重新設(shè)計一下主電路即可，其中各元件的選擇取決于被控電動機的容量。三相調(diào)壓起動其實質(zhì)是降壓起動，與傳統(tǒng)降壓起動不同之處是無機械觸點，起動電壓和起動電流任意可調(diào)。在每一瞬間，在三相交流調(diào)壓電路中，至少要有兩個器件導通，它們應處于不同的相，其中至少有一個是流天津理工中環(huán)信息學院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 向負載端，同時有另一個流向電源。隨著輸出電壓的增加，電機轉(zhuǎn)速不斷上升。觸發(fā)角越小，輸出越大。這種做法既能保證電機的軟起動／軟停車，又能在電機正常運行使用接觸天津理工中環(huán)信息學院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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)運行的可靠性。當需要停車時，由控制器發(fā)出停車信號后，反并聯(lián)晶閘管迅速投入工作，真空接觸器斷開。在發(fā)出起動命令后，單片機調(diào)用 E2PROM 中的運行參數(shù)并進行相關(guān)計算，確定觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊的控制數(shù)字值，通過單片機總線送到 CPLD 觸發(fā)器，觸發(fā)器發(fā)出脈沖經(jīng)隔離整形電路來觸發(fā)可控硅。外圍電路主要包括鍵盤控制和顯示、 A／ D轉(zhuǎn)換等模塊。整個系統(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、單片機控制電路，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、脈沖隔離整形電路、人機接口等組成。設(shè)計工具選擇 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。凡 Altera公司生產(chǎn)的 CPLD 可編程邏輯器件名稱后帶 s的芯片，均支持在線現(xiàn)場可編程操作，只要用一根專用電纜接到 芯片的特定引腳上，無需拆下芯片，不需要編程器及芯片適配器，通過上位機打印口就可對芯片編程。 (6)100％功能可測，全兼容 PCI 接口標準 。該型號的芯片主要特征簡單描述如下： (1)系統(tǒng)的時鐘頻率可達 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 個觸發(fā)器、 2500 個用戶可編程 I39。考慮到本天津理工中環(huán)信息學院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 系統(tǒng)所需的 FO口數(shù)，以及價格等方面的因素，故選用 Altcra 公司的 MAX 7000 系列器件EPM7128SLC84— 15，封裝為 PLCC． 84針。由于在本系統(tǒng)設(shè)計中，可編程邏輯器件主要完成數(shù)據(jù)接收鎖存、計數(shù)器、計數(shù)比較輸出等邏輯功能，對時序要求比較高，通過比較它們各自的優(yōu)勢，認為選擇 CPLD 器件更加合適。 并且由于 CPLD 在中小規(guī)模范圍內(nèi)價格比較便直，能奇接用于系統(tǒng)，上市 3I 速度快，市場風險??；開發(fā) CPLD 的 EDA軟件比較容易得到； CPLD 的結(jié)構(gòu)大多為 E2PROM 或 Flash ROM 形式，編程后即可屈定下載的邏輯功能，使用方便，電路簡單；目前常用的 CPLD 多 為在系統(tǒng)可編程的硬件器件，編程方式極為便捷； CPLD 中有專門的布線區(qū)和許多塊，無論實現(xiàn)什么樣的邏輯功能，或采用怎樣的布線方式，引腳至引腳間的信號延時幾乎是固定的，與邏輯設(shè)計無關(guān)，這使得設(shè)計調(diào)試比較簡單，邏輯設(shè)計中的毛刺現(xiàn)象比較容易處理，廉價得 CPLD 就能獲得比較高速的性能。 在設(shè)計周期上， CPLD 的互連路由結(jié)構(gòu)使得布放設(shè)計任務容易進行，軟件編譯比 FPGA 快，延時可預測，而對 FPGA，除了邏輯設(shè)計外，還要進行延時設(shè)計，而邏輯布局和延時又是相互關(guān)聯(lián)的。當然，新一代 CPLD 和 FPGA 芯片在制造工藝上相互取長補短，二者之問的界限也不是 絕對的了。 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粒結(jié)構(gòu)； CPLD 集總式的互連結(jié)構(gòu)使其具有延時可預測性，同時限制了其規(guī)模； FPGA 分布式的互連結(jié)構(gòu)使其延時與邏輯布局有關(guān)可預測性較差；在編程工藝方面 CPLD 編程工藝類型有 EPROM 型、 E2PROM 型和 Flash型，可以反復編程，但一經(jīng)編程，片內(nèi)邏輯就被固定，除非擦除重寫，具 有可靠性高，可以加密的優(yōu)點，同時也具有占用面積大，功耗大，相同集成規(guī)模芯片中觸發(fā)器數(shù)目較少，編程信息在使用時不能變化等缺點； FPGA 編程工藝類型有 SRAM 型和反熔絲型，對于 SRAM 型來說，掉電后信息不能保存，必須與存儲器聯(lián)用來存放編程數(shù)據(jù)，具有通過更換存儲器來實現(xiàn)不同邏輯和觸發(fā)器數(shù)目多，功耗低等優(yōu)點以及每次上電時必須先對芯片進行配置才可以使用的缺點。 CPLD 和 FPGA 在靈活的用戶可編程特性、快速的設(shè)計和診斷能力上極其 相似，因此常相提并論。 圖 單片機的電路連接圖 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)項目，必須作出最佳的選擇。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，值位無效。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令時 ALE 才起作用。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。一般情況下， ALE 端以不變的頻率周期輸出固定的脈沖信號，此頻率為其頻率的 1／ 6。 ALE／ PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 P3 口： P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙 I／ 0 口。對端口 P2 寫 ?1’，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為低 8位地址接受。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。 P1 口： P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I／ 0口， P1口輸出緩沖級可 驅(qū)動 4個 1139。對端口 PO 寫“ 1“時，可作為高阻抗輸入端用。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(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位。 AT89S51 單片機是一種低功耗、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 8 位 CPU、振蕩器和時鐘電路、 4K 字節(jié)的 Flash 片內(nèi)程序存儲器、 128 字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 2 個外部雙向輸入，輸出 (I／ O)口， 5個中斷優(yōu)先級和 2層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位 J 編程定時器／計數(shù)器， 2個全雙上串行通信口，看門狗 (WDT)電路。 AT89S51 兼容標準 MCS． 51 指令系統(tǒng)及 89C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，體積小，功能全，適合于機電一體化的智能控制。 單片機的選型 本系統(tǒng)中單片機主要用來作數(shù)據(jù)處理及讀取按鍵信號和故障信號顯示的功能，所以我們只要考慮它的運算速度、存儲容量以及 I／ O口的數(shù)量即可。 圖 電機軟啟動系統(tǒng)原理方框圖 Figure motor soft startup system principle charts 硬件設(shè)計 該系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機 AT89S51 和 Altera 公司的 CPLD 器件 EPM7128 SLC84— 15為核心器件，輔以外圍電路。單片機產(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。這樣 , 既能保證電動機的軟啟動與軟停止 , 又能在電動機正常運行時用繼電器短接晶閘管裝置 , 從而去除晶閘管裝置的附加能耗 , 提高系統(tǒng)的可靠性。該晶閘管裝置采用反并聯(lián)方式。 天津理工中環(huán)信息學院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 第三章 軟啟動 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 電機軟啟動系統(tǒng)原理方框圖 基于單片機的電機軟啟動系統(tǒng)原理方框圖如圖 所示。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的 高八位。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLA