電機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目 錄2. 方案論證41概述電機(jī)是工農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè)中重要設(shè)備，應(yīng)用的行業(yè)十分廣泛。電機(jī)作為重要的動(dòng)力裝置，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積可大可小、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、易于制造的特點(diǎn)，所以電機(jī)廣泛的應(yīng)用于日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)中。在交流電機(jī)的啟動(dòng)控制上，常用的啟動(dòng)方式有：全壓直接啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)。直接啟動(dòng)是傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式，應(yīng)用很廣泛，但直接啟動(dòng)有許多弊端。近年來(lái)得益于變頻技術(shù)和軟啟動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，變頻啟動(dòng)和軟啟動(dòng)的降壓?jiǎn)?dòng)方式廣泛應(yīng)用于電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，從根本上解決了電機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大的難題，造成對(duì)電網(wǎng)沖擊的影響。特別軟啟動(dòng)技術(shù)在解決中、大容量的電機(jī)啟動(dòng)問(wèn)題有著卓越的作用

2、，這將是替代直接啟動(dòng)的趨勢(shì)。1.1研究的背景和意義電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中啟著非常重要的作用，若直接啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)的電流可達(dá)額定電流的47倍，這樣啟對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)電壓及其他設(shè)備都會(huì)造成很大的影響。由此提出了“軟啟動(dòng)”的概念，現(xiàn)在主要有限流軟啟動(dòng)、電壓斜坡啟動(dòng)，變頻啟動(dòng)等幾種軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)是一種近年來(lái)發(fā)展非常迅猛的電機(jī)啟動(dòng)新技術(shù)，采用串聯(lián)晶閘管在主回路電路中，來(lái)調(diào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流，對(duì)保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)不受磨損、維護(hù)電網(wǎng)質(zhì)量穩(wěn)定等方面有突出的作用，是一種理想的軟啟動(dòng)方式。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛運(yùn)用，使得無(wú)電弧開(kāi)關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流技術(shù)的成熟運(yùn)用。半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)具有無(wú)磨損、功耗小、壽命長(zhǎng)的特性，以

3、及現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù)的密切結(jié)合，加之微機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛運(yùn)用，為電機(jī)軟啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)提供了全新的思路和解決方案，從而電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)得以迅速的發(fā)展與廣泛運(yùn)用。軟啟動(dòng)技術(shù)具有傳統(tǒng)啟動(dòng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性，軟啟動(dòng)技術(shù)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的研究具有重大意義。軟啟動(dòng)器是一種集軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能和多種保護(hù)為一體的新型電機(jī)啟停控制裝置。它不僅使電機(jī)在啟動(dòng)（停車(chē)）階段無(wú)沖擊平滑啟動(dòng)（停止），還能根據(jù)電機(jī)負(fù)載的需求來(lái)改變啟動(dòng)（停車(chē)）階段的相關(guān)參數(shù)，如啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)時(shí)間、限流值等。同時(shí)，它還具有保護(hù)電機(jī)的功能，這從根本上解決了傳統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的諸多問(wèn)題。1.2傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的介紹傳統(tǒng)的電機(jī)啟動(dòng)方式有：直接啟

4、動(dòng)、串聯(lián)電抗啟動(dòng)、星形-三角形(Y-)啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)。電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流是額定電流的47倍，對(duì)電網(wǎng)和傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定造成沖擊，造成電網(wǎng)不平穩(wěn)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)啟動(dòng)方式都同屬于機(jī)械式啟動(dòng)方式，在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二次沖擊轉(zhuǎn)矩和電流，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.3軟啟動(dòng)的技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀軟啟動(dòng)是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)程。電機(jī)軟啟動(dòng)的意義有：減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和縮短啟動(dòng)電流的沖擊時(shí)間；減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于軟啟動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)和軟停車(chē)，所以減小了對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和負(fù)載啟動(dòng)沖擊能量，從而延長(zhǎng)了傳動(dòng)設(shè)備和負(fù)載的使用壽命。軟啟動(dòng)器在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)電流限定在預(yù)設(shè)值內(nèi)，從而使沖擊電流減小

5、，還可以通過(guò)控制軟啟動(dòng)器使轉(zhuǎn)矩平滑上升，保護(hù)機(jī)械設(shè)備和傳動(dòng)設(shè)備，以及保護(hù)工作人員的人身安全。由于采用微控技術(shù)，可以在電機(jī)啟動(dòng)前對(duì)主電路進(jìn)行故障檢查，數(shù)字化的控制具有較穩(wěn)定的靜態(tài)特性，不易受電壓、溫度以及時(shí)間變化的影響，因而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而使系統(tǒng)更易維護(hù)。同時(shí)，軟啟動(dòng)器還可以與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，這將為自動(dòng)化控制和智能控制的實(shí)現(xiàn)提供完美的方案。以下是軟啟動(dòng)的幾大主要優(yōu)點(diǎn)：（1）電機(jī)平滑啟動(dòng)，無(wú)沖擊電流。電機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制晶鬧管的導(dǎo)通角，使電機(jī)的啟動(dòng)電壓逐漸升高，電機(jī)啟動(dòng)電流限制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。電機(jī)轉(zhuǎn)速平緩上升，減少對(duì)負(fù)載的沖擊轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大的電機(jī)及拖動(dòng)設(shè)備的使用壽

6、命。（2）有軟停車(chē)功能。是軟啟動(dòng)的逆過(guò)程，使電機(jī)轉(zhuǎn)速平緩降低，直到停止。避免了瞬間斷電停機(jī)對(duì)系統(tǒng)的沖擊損害。（3）系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)?？梢园凑肇?fù)載的需求，改變啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)電流相關(guān)參數(shù)，使電機(jī)達(dá)到最佳的軟啟動(dòng)效果。（4）智能保護(hù)作用。可以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載、相序混亂和缺相等保護(hù)的功能，并發(fā)出報(bào)警，同時(shí)停止電機(jī)。2方案論證2.1軟啟動(dòng)方式目前有多種軟啟動(dòng)器的控制方式，主要采用電壓斜坡啟動(dòng)、限流啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)等。電壓斜坡啟動(dòng)是按照電機(jī)的電壓由小到大按照設(shè)定的斜率線性上升。因?yàn)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與輸入定子相電壓平方成正比，若輸入電壓過(guò)低，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足以克服啟始轉(zhuǎn)矩，從而使電機(jī)堵轉(zhuǎn)，造成

7、電機(jī)發(fā)熱過(guò)快，可能燒毀電機(jī)。由于以上原因，電機(jī)斜坡啟動(dòng)的初始電壓不是從零開(kāi)始的，而是從合適的初始電壓開(kāi)始的。其缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性曲線呈拋物線型上升，不利于啟動(dòng)；且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。故一般情況下采用雙斜坡啟動(dòng)，如圖2-1所示。以適當(dāng)高斜率的斜坡電壓?jiǎn)?dòng)，能減小電機(jī)發(fā)熱，增加轉(zhuǎn)速提升率。當(dāng)電壓增加到預(yù)定值時(shí)，電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，然后改用斜率較小的斜坡電壓?jiǎn)?dòng)，直到電機(jī)電壓達(dá)到額定電壓，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，然后切換到旁路電路中去，電機(jī)啟動(dòng)完成。這種軟啟動(dòng)方式減少了電機(jī)的額沖擊電流。電壓斜坡啟動(dòng)的特征是啟動(dòng)電流相對(duì)較大，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。 2-1電壓斜坡啟動(dòng)特性曲線 2-2限流啟動(dòng)特性曲線限流啟動(dòng)顧

8、名思義，就是在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)啟動(dòng)電流預(yù)設(shè)一個(gè)限流值。主要用于輕載啟動(dòng)的負(fù)載的降壓?jiǎn)?dòng)。如圖2-2所示。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電壓從零迅速增大，直到電流達(dá)到限定值，并在不超過(guò)的情況下，緩慢增加電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸轉(zhuǎn)快，直到啟動(dòng)完成。限流啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，且可根據(jù)需求來(lái)調(diào)節(jié)限流值。它的缺點(diǎn)是難以知道啟動(dòng)壓降，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不能充分利用壓降空間，損失啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)是按照電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平滑、柔性好、對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，使最優(yōu)的重載啟動(dòng)方式。其缺點(diǎn)就是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。主要用于重載啟動(dòng)。變頻啟動(dòng)是采用調(diào)節(jié)頻率的方式使電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，這樣能減小啟動(dòng)

9、電流，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，還可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。其特點(diǎn)：（1）效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；（2）應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；（3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；（4）技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難；（5）適用于精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。但也存在一些缺點(diǎn)，如開(kāi)關(guān)損耗較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。特別是變頻器的價(jià)格昂貴。以及變頻啟動(dòng)多用于對(duì)電機(jī)啟動(dòng)要求很高工作環(huán)境和電機(jī)調(diào)速中。故一般情況下不采用變頻啟動(dòng)。軟啟動(dòng)控制的方式還有很多，一般是在上述幾種軟啟動(dòng)控制的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，如突跳軟斜坡啟動(dòng)、突跳限流軟啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩加突跳軟啟動(dòng)。顧名思義，這三種都是在原來(lái)控制的基礎(chǔ)上，加上一定的跳躍。目前最常用的軟啟動(dòng)方式是

10、在主電路中串聯(lián)晶閘管，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。晶閘管主要啟調(diào)節(jié)電壓的作用，所以采用電壓斜坡啟動(dòng)。2.2晶閘管調(diào)壓原理由三組反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成調(diào)壓電路，RC構(gòu)成保護(hù)電路的軟啟動(dòng)器。如圖2-3所示。晶閘管調(diào)壓電路分為相控調(diào)壓和斬波調(diào)壓。相控調(diào)壓是通過(guò)加到晶閘管門(mén)極脈沖相位改變輸出電壓；而斬波調(diào)壓是交替接通和關(guān)斷幾個(gè)周期內(nèi)的電源電壓，通過(guò)改變接通和關(guān)斷的電源電壓來(lái)改變輸出電壓的有效值。但斬波調(diào)壓通斷交替的頻率不能太低或者太高，因?yàn)轭l率太低會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的抖動(dòng)，每次接通電流都相當(dāng)于電機(jī)的重新啟動(dòng)；頻率太高，采用整周斬波調(diào)壓的控制方式會(huì)使調(diào)壓不夠平滑，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用相控調(diào)壓技術(shù)。2-3晶閘管的調(diào)壓

11、原理2.3.1單相晶閘管輸出電壓分析為達(dá)到電機(jī)的平滑啟動(dòng)的目的，需要調(diào)節(jié)電機(jī)定子端輸入電壓按從小到大逐漸增大。通過(guò)調(diào)整三組反向并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)角，就能達(dá)到該目的。晶閘管調(diào)壓獲得的電壓是非正弦的，但每相電壓的正負(fù)半周是對(duì)稱的。單相晶閘管導(dǎo)通電壓波形如圖2-4所示。是晶閘管的觸發(fā)角，是晶閘管的導(dǎo)通角，是負(fù)載的功率因素角（也叫晶閘管的續(xù)流角）。圖2-4晶閘管的導(dǎo)通波形由上圖可知、的關(guān)系： （2-1）輸出電壓有效值： （2-2）= （2-3）其中，為電源相電壓的有效值。由是式（2-3）可知，負(fù)載電壓既是功率因素角的函數(shù)，也是觸發(fā)角的函數(shù)。在調(diào)壓時(shí)，每一相負(fù)載上所得到的電壓與電流波形在不同的時(shí)是不同的，

12、隨著觸發(fā)角增大，負(fù)載電流不連續(xù)程度的增加，負(fù)載所得電壓也隨之而降低。通過(guò)改變的值，就能改變晶閘管的輸出電壓，從而改變電機(jī)的輸入電壓。為使電壓按照逐漸升高的規(guī)律變化，可以通過(guò)單片機(jī)控制晶閘管的觸發(fā)角來(lái)達(dá)到目的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于固定的負(fù)載來(lái)說(shuō)，功率因數(shù)角是常量，導(dǎo)通角僅與觸發(fā)角有關(guān)，所以可以通過(guò)單片機(jī)改變晶閘管的觸發(fā)角就可改變晶閘管的輸出電壓。但在異步電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，功率因素角是變量，隨著轉(zhuǎn)速的改變，功率因素角也在變化。所以，在改變晶閘管的觸發(fā)角的同時(shí)也要考慮功率因素角的變化，這樣才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輸入電壓按照預(yù)定的規(guī)律逐漸升高。2.3.2三相晶閘管移相觸發(fā)原理主電路采用三組反向并聯(lián)的晶閘管，采用Y型接線法連

13、接到三相電機(jī)上，如圖2-3所示。這種連接方式的簡(jiǎn)單可靠，產(chǎn)生的諧波也比較少，調(diào)壓性能優(yōu)越。因?yàn)殡娐分袥](méi)有中線，必須保證至少兩相構(gòu)成通路才能使負(fù)載電流流通，而且是一相正向?qū)?，另一相反向?qū)āＫ砸笥|發(fā)電路能過(guò)產(chǎn)生雙窄脈沖或者大于的寬脈沖，從而避免了<時(shí)，調(diào)壓電路可能只有一個(gè)方向的晶閘管導(dǎo)通的情況。六只晶閘管按照VT1VT6的順序觸發(fā)，其中VT1、VT3、VT5觸發(fā)相位依次滯后，VT4、VT6、VT2觸發(fā)相位又分別依次滯后于VT1、VT3、VT5觸發(fā)相位。這樣就形成了VT1VT6的觸發(fā)相位依次滯后。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用雙窄脈沖觸發(fā)，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管觸發(fā)兩次間隔為的觸發(fā)脈沖。2.2

14、.3晶閘管的觸發(fā)方式對(duì)于三相晶閘管調(diào)壓電路，觸發(fā)方式有三路觸發(fā)和六路觸發(fā)，每組的兩個(gè)反向并聯(lián)晶閘管共用一組觸發(fā)脈沖，稱為三路觸發(fā)；6個(gè)晶閘管都各自有都有一組獨(dú)立觸發(fā)的觸發(fā)脈沖，稱為六路觸發(fā)。對(duì)于三路出發(fā)而言，雖然每個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)觸發(fā)脈沖，但語(yǔ)氣反向并聯(lián)的晶閘管的觸發(fā)脈沖出現(xiàn)在它的電壓負(fù)半周期，因而不能導(dǎo)通，所喲每個(gè)周期內(nèi)，每組晶閘管只有一個(gè)導(dǎo)通。三路觸發(fā)電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；六路觸發(fā)方式可以減少晶閘管控制極的損耗，同時(shí)可避免正向（反向）脈沖對(duì)負(fù)向（正向）晶閘管的誤觸發(fā)，一般用于要求較高的觸發(fā)電路中。這里采用三路觸發(fā)方式。2.2.4晶閘管的選型和保護(hù)電路晶閘管是主電路中控制電機(jī)軟啟動(dòng)的重要器件，正

15、確的選擇的晶閘管是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。主要通過(guò)晶閘管的額定電流、電壓、成本、耐用性等方面來(lái)考慮。在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中存在著較大的過(guò)電壓和過(guò)電流，這對(duì)晶閘管的損壞是很大的，所以選型時(shí)要對(duì)晶閘管的額定電壓、額定電流留有一定的裕量。并且附加保護(hù)電路。一般情況下，晶閘管的額定電壓選擇電機(jī)正常工作的電壓峰值的23倍，即： （2-4）其中為晶閘管額定電壓，為電機(jī)額定電壓。三相異步電機(jī)啟動(dòng)電流是額定電流的47倍，本系統(tǒng)的電機(jī)額定電為6.8A,晶閘管正向?qū)ǖ碾娏饔行е礗為： （2-5）電流平均值與I的關(guān)系： （2-6）通常要考慮晶閘管的裕量，通態(tài)平均電流一般選擇電機(jī)平均電流的36倍： （2-7）由式（1-4

16、）和式（1-7）的結(jié)果，晶閘管可選擇的型號(hào)KP100P，其參數(shù)如下表2-1所示。表2-1KP100P參數(shù) 由于晶閘管擊穿電壓接近工作電壓，耐熱性較差，難以承受過(guò)電壓、過(guò)電流，這都可能造成晶閘管的損壞。過(guò)電流可能會(huì)造成晶閘管損毀、觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)的等故障。針對(duì)這些問(wèn)題，除了通過(guò)軟件來(lái)保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，還必須串聯(lián)快速熔斷器來(lái)保護(hù)晶閘管。為保障晶閘管安全運(yùn)行，可以和晶閘管并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的原理來(lái)限制電壓上升過(guò)快。因?yàn)殡娐分写嬖陔姼?，所以電容C串聯(lián)電阻R可啟阻尼作用，這樣可以防止R、L、C電路在過(guò)渡時(shí)，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓損壞晶閘管。同時(shí)，避免電容放電電流過(guò)大，損壞

17、晶閘管。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖在主電路中把軟啟動(dòng)器串聯(lián)三相電源和被控電機(jī)之間，主要由三組反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的調(diào)壓電路。該系統(tǒng)采用通過(guò)89C52單片機(jī)為核心組成的控制電路，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)和輸入同步信號(hào)，來(lái)計(jì)算并輸出晶閘管的觸發(fā)指令，通過(guò)觸發(fā)脈沖按照一定的觸發(fā)方式觸發(fā)三相調(diào)壓電路的6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通，使電機(jī)的電壓逐漸升高，從而為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到合適的轉(zhuǎn)速時(shí)，然后驅(qū)動(dòng)旁路電路，并切斷啟動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)3.2主電路和控制電路主電路和控制電路如圖3-2所示。電機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電

18、動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到電機(jī)達(dá)到額定速度，切斷KM1，閉合KM2，接入旁路電路，電機(jī)啟動(dòng)結(jié)束。電機(jī)軟停過(guò)程剛好與軟啟動(dòng)過(guò)程相反。圖3-2主電路和控制電路3.3單片機(jī)的選擇在本系統(tǒng)中采用AT89C52單片機(jī)來(lái)控制，89C52是高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大；AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。89C52主要性能參數(shù)如表3-1所示。表3-1 AT89C52主要性能參數(shù)3.4電源電路在本系統(tǒng)中采用+5V直流電源給單片機(jī)

19、及相關(guān)芯片供電，保證控制電路的正常工作。采用+12V直流電源給中間繼電器供電，電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)楸人枰闹担缓蠼?jīng)過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般10%左右的波動(dòng)）負(fù)載和溫度的變化而變化。 因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。選用輸出電壓固定為+5V的三端集成穩(wěn)壓器LM7805。電容C1用來(lái)濾除波紋，電容C2和C4用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器LM7805產(chǎn)生高頻自激和抑制電路引入的高頻干擾，C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾.電阻R1和LED組成+5V電源的工作指示電路，電源正常工作，LED就會(huì)點(diǎn)

20、亮，可以根據(jù)這個(gè)LED來(lái)判斷整個(gè)電源部分是否正常工作。+12V電源采用78L12穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。+5V直流電壓電源電路圖如圖3-3所示。圖3-3電源電路3.4檢測(cè)電路3.4.1同步信號(hào)檢測(cè)同步信號(hào)的檢測(cè)是三相電源的過(guò)零時(shí)刻，將它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的基準(zhǔn)。只有準(zhǔn)確測(cè)量出相電壓為了保證晶鬧管的陽(yáng)極電壓與觸發(fā)脈沖信號(hào)相續(xù)一致，在電路系統(tǒng)中要設(shè)計(jì)同步信號(hào)電路。同步信號(hào)檢測(cè)電路和輸入單片機(jī)的電位如圖3-4所示。三相交流電壓經(jīng)電壓互感器降壓后輸出，U、V、W三相電壓經(jīng)電阻，光耦，二極管匯集于一點(diǎn)，這一點(diǎn)即為中性點(diǎn)，二極管的作用是啟反向?qū)ǖ淖饔?。光耦電壓輸出的就是一個(gè)同步電壓相位，分別接入單片機(jī)的P2.

21、1，P2.2，P2.3口。通過(guò)這個(gè)電路還可以檢測(cè)電壓的相序以及是否缺相。圖3-4同步信號(hào)檢測(cè)電路及輸入單片機(jī)的電位3.4.2電流檢測(cè)回路電流檢測(cè)回路包括了電流檢測(cè)回路和保護(hù)回路兩方面。通過(guò)電流互感器降壓后，將三相電流經(jīng)整流橋后，得到合適的電流，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)。二極管D1、D2起穩(wěn)壓的作用，限制取得的電壓在5V以內(nèi)。電流檢測(cè)回路如圖3-4所示。單片機(jī)通過(guò)輸入的電流值，進(jìn)行比較后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定電流值過(guò)電流值和欠電流值，報(bào)警上限（過(guò)電流報(bào)警）和報(bào)警下限（欠電流報(bào)警）。電流一旦超過(guò)或低于，單片機(jī)就發(fā)出報(bào)警指令，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)并中斷。圖3-4 電流檢測(cè)電路3.4.3電壓檢測(cè)電

22、壓檢測(cè)電路與電流檢測(cè)電路基本類似。如圖3-5所示。三相電壓經(jīng)電壓互感器后，得到三個(gè)低電壓，再經(jīng)三相整流分壓得到一個(gè)直流信號(hào)，取其中一部分，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)。單片機(jī)得到的這個(gè)信號(hào)，可以通過(guò)編程來(lái)設(shè)置中斷來(lái)處理過(guò)電壓和欠電壓。過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)和過(guò)電流、欠電流保護(hù)的方法一樣。圖3-5電壓檢測(cè)電路3.5觸發(fā)電路通過(guò)單片機(jī)輸出的脈沖來(lái)控制晶閘管的觸發(fā)，這里采用的三組雙窄脈沖觸發(fā)信號(hào)。以U相上的一組晶閘管為例，觸發(fā)電路如圖3-6所示。當(dāng)P2.4輸入高電平時(shí)，光電耦合器P521導(dǎo)通，三極管基極帶上正電，并導(dǎo)通。從而使電源、脈沖變壓器、三極管、大地形成一個(gè)閉合的回路。觸發(fā)電路必須把控制電路和主電路隔離

23、開(kāi)，這里采用脈沖變壓器和光電耦合器。脈沖變壓器還具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)功能，對(duì)晶閘管的觸發(fā)電壓起增大的作用。二極管D9和電阻R33起續(xù)流作用，防止脈沖變壓器的飽和。圖3-6觸發(fā)電路3.6旁路電路當(dāng)前國(guó)內(nèi)外使用的電機(jī)控制系統(tǒng)電路如圖3-7所示，這種控制系統(tǒng)稱為繼電接觸器控制系統(tǒng)。當(dāng)P1.1給光電耦合器P521一個(gè)低電平，光電耦合器P521導(dǎo)通，使三極管導(dǎo)通，繼電器KA通電，其觸頭1和3，2和4吸合，接觸器KM2通電，由主電路可知，由于KM1和KM2是互鎖鏈接的，此時(shí)KM1斷開(kāi)，電機(jī)軟啟動(dòng)結(jié)束，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。圖3-7旁路電路3.5故障報(bào)警電路故障報(bào)警電路根據(jù)檢測(cè)電路，通過(guò)單片機(jī)處理，分析得出電路是否發(fā)

24、生過(guò)流、過(guò)壓、缺相、欠流、欠壓、超速等情況，然后在通過(guò)單片機(jī)輸出報(bào)警信號(hào)，經(jīng)光電耦合后，發(fā)出報(bào)警。電機(jī)正常工作時(shí)，KA常閉觸點(diǎn)閉合，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，綠燈亮；故障時(shí)KA常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，蜂鳴器報(bào)警，紅燈亮。故障報(bào)警如圖3-8所示。圖3-故障報(bào)警3.6轉(zhuǎn)速測(cè)定通過(guò)霍爾傳感器A3144測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖3-8所示。該電路部分是整個(gè)測(cè)速系統(tǒng)的核心。通過(guò)差分放大器和反相器調(diào)節(jié)滿足單片機(jī)輸入脈沖的方波脈沖信號(hào)。當(dāng)三極管的輸入為1時(shí)，三極管的發(fā)射極、集電集都正偏，三極管處于飽和狀態(tài)。其輸出電壓約為0.7V；反之，三極管截止，輸出的電壓是5V，經(jīng)電阻分壓后輸入P2.5口。P2.5口每接受依次低電位，記

25、錄一次，再通過(guò)單片機(jī)處理后由LED顯示出來(lái)。圖3-8轉(zhuǎn)速測(cè)定3.7鍵盤(pán)和顯示SB1作為啟動(dòng)按鈕，SB2作為停止按鈕，詳見(jiàn)圖2-1的控制電路。單片機(jī)采用按鍵電平復(fù)位，K2用于外部中斷，在電機(jī)中做急停按鍵，K3作為解除故障按鍵，解除故障后，就取消了報(bào)警系統(tǒng)。如圖3-9所示作為對(duì)于照明燈的開(kāi)關(guān)用旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)控制，接在主電路中的控制電路回路中了，這里就不通過(guò)單片機(jī)控制照明了。 圖3-9 復(fù)位鍵和鍵盤(pán)在電壓互感器處接一個(gè)電壓表直接測(cè)出三相電壓，在電流互感器處接一個(gè)電流表直接測(cè)出電流，如圖3-10所示。速度顯示采用動(dòng)態(tài)顯示接口，采用4個(gè)共陰極數(shù)碼管，轉(zhuǎn)速顯示4位。如圖附錄所示。由于速度顯示和A/D轉(zhuǎn)換共用單片

26、機(jī)的P0口，所以74HC244和74HC373的片選端通過(guò)一個(gè)與非門(mén)與單片機(jī)的P1.6相連，如圖3-11所示。通過(guò)控制P1.6口輸出的脈沖信號(hào)來(lái)控制數(shù)碼管的顯示和A/D的輸入，這樣顯示的速度就是一閃一閃的。通過(guò)輸出50HZ的上下翻轉(zhuǎn)的脈沖來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)碼管閃爍，使人眼分辨不出來(lái)。圖3-10電壓表測(cè)電壓電流表測(cè)三相電流圖3-10LED顯示電電路及單片機(jī)外圍電路3.8通信設(shè)計(jì)這里采用MAX232通信接口，如圖3-11所示。MAX232芯片由兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器IC芯片構(gòu)成，適用于短距離和帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合。用MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通信。圖3-11通信電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

27、主流程圖軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)主程序如圖4-1所是示。程序開(kāi)始啟動(dòng)后，首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化過(guò)程，判斷外部中斷是否按下，若按下，則報(bào)警；電壓電流檢測(cè)和同步信號(hào)檢測(cè)，判斷是否故障，若故障則故障報(bào)警及處理并返回；若無(wú)故障，則進(jìn)行鍵盤(pán)掃描并進(jìn)入操作界面，判斷是否啟動(dòng)，若沒(méi)有啟動(dòng)，則反回等待；若啟動(dòng)則選擇啟動(dòng)方式并調(diào)用啟動(dòng)子程序，開(kāi)始軟啟動(dòng)，若軟啟動(dòng)沒(méi)有結(jié)束，則返回等待；若結(jié)束，則切換旁路電路，正常運(yùn)行，當(dāng)收到停機(jī)指令時(shí)，調(diào)用軟停車(chē)子程序，若有故障則報(bào)警并處理；若無(wú)故障，則停機(jī)結(jié)束，并回到初始化前一階段，等待下一個(gè)指令。4-1主流程圖4.2系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)為了保證系統(tǒng)的正常和安全運(yùn)行，在進(jìn)入軟啟動(dòng)程序前，必須要

28、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。系統(tǒng)初始化程序主要完成系統(tǒng)的初始化和子模塊的初始化。初始化流程圖如圖4-2所示。包括I/O口模塊、A/D模塊、時(shí)鐘模塊、寄存器模塊、看門(mén)狗模塊等。4-2系統(tǒng)初始化流程圖4.3軟啟動(dòng)子程序設(shè)計(jì)電壓斜坡啟動(dòng)程序是通過(guò)單片機(jī)按照給定的觸發(fā)脈沖，是電壓隨時(shí)間變化而按照相應(yīng)的需求逐漸的改變。晶閘管的觸發(fā)脈沖要及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出，所以要求晶閘管觸發(fā)子程序必須在中斷子程序里執(zhí)行，并且其優(yōu)先級(jí)優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)先級(jí)。其原理是：當(dāng)電壓過(guò)零時(shí)，同步信號(hào)給單片機(jī)外部中斷信號(hào)，引起脈沖觸發(fā)子程序。脈沖觸發(fā)子程序的主要作用是把單片機(jī)輸出的晶閘管導(dǎo)通角換算成定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間，時(shí)間中斷溢出給晶閘管發(fā)出觸發(fā)

29、信號(hào)。程序運(yùn)行后，經(jīng)定時(shí)器初始化后，根據(jù)初始電壓和啟動(dòng)斜率以及時(shí)間計(jì)算出觸發(fā)角與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)電壓增大到設(shè)定的電壓值后，斷開(kāi)軟啟動(dòng)器并接入旁路電路，電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。電壓斜坡啟動(dòng)控制子程序如圖4-3所示。 4-3軟啟動(dòng)子程序流程圖 4-4軟停車(chē)子程序流程圖4.4軟停車(chē)子程序設(shè)計(jì)軟停車(chē)與預(yù)案啟動(dòng)過(guò)程剛好是相反的，將電壓逐漸降低，電流也隨之而減小，軟停車(chē)同樣具有保護(hù)電網(wǎng)和電機(jī)的作用，一般也采用電壓斜坡軟停車(chē)方式。可以參軟啟動(dòng)理解，這里就不詳細(xì)介紹。軟停車(chē)子程序流程圖如圖4-4所示。4.5故障處理子程序設(shè)計(jì)如圖4-5所示，電機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)電壓、電流的信號(hào)，在程序中設(shè)定過(guò)電壓值、欠電壓、

30、過(guò)電流值、欠電流值和過(guò)載值，當(dāng)一旦電流電壓超過(guò)這些數(shù)值后，單片機(jī)發(fā)出報(bào)警指令，報(bào)警系統(tǒng)做出反應(yīng)，并中斷程序。單片機(jī)還可以通過(guò)輸入的同步信號(hào)檢測(cè)電源是否缺相，相序混亂的情況，一旦出現(xiàn)這種情況，單片機(jī)立即發(fā)出外部中斷信號(hào)。4-5故障檢測(cè)子程序流程圖結(jié)論本系統(tǒng)主要研究電機(jī)保護(hù)與軟啟動(dòng)控制的設(shè)計(jì)。該軟啟動(dòng)器在主電路中串聯(lián)三組反向并聯(lián)的晶閘管，來(lái)控制電機(jī)軟啟動(dòng)（軟停車(chē)）過(guò)程。以89C52單片機(jī)為核心控制芯片，通過(guò)單片機(jī)輸出的觸發(fā)脈沖來(lái)控制晶閘管的觸發(fā)，從而能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)完成后，切換到旁路電路中去。在檢測(cè)電路中，電流、電壓經(jīng)A/D輸入單片機(jī)后，在單片機(jī)中設(shè)置欠電壓、過(guò)電壓、欠電流、過(guò)電流中斷程

31、序，一旦超過(guò)這些范圍，單片機(jī)發(fā)出中斷指令，并發(fā)出報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)（軟停車(chē)）的目的，并且一旦發(fā)生故障，單片機(jī)也會(huì)發(fā)出中斷指令，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。該系統(tǒng)是合理的！致謝我在這里首先應(yīng)該感謝我的導(dǎo)師王燕平教授，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)在她3個(gè)月的精心指導(dǎo)和幫助下完成的。為了給我指導(dǎo)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，王老師放棄了許多休息時(shí)間。在這期間，王老師嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)的態(tài)度、博學(xué)的專業(yè)知識(shí)、優(yōu)良的工作作風(fēng)，精心呵護(hù)和關(guān)懷學(xué)生。這一切都給留下了深刻的影響，使我終生受益。王老師根據(jù)我設(shè)計(jì)的方案，提出了許多質(zhì)疑，并耐心的給我提出一些建議。每當(dāng)我遇到不懂得問(wèn)題時(shí)，王老師都循序漸進(jìn)的給我講解。參考文獻(xiàn)1張迎新，單片微型計(jì)算機(jī)原

32、理、應(yīng)用及接口技術(shù)，國(guó)防工業(yè)出版社，2閻石，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，2006.53王兆安，劉進(jìn)軍，電力電子技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.54李靜，單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)Y-啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)，科技信息，2013年11期5陳育中，霍爾傳感器測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，科學(xué)技術(shù)與工程，2010.106馮明遠(yuǎn)，師修廣，晶閘管觸發(fā)脈沖變壓器的設(shè)計(jì)，煤礦機(jī)電，2009年第5期7王金艷，劉晶維，三相交流電壓相位同步檢測(cè)電路，電氣儀表，2001年第4期8楊紀(jì)平，李海峰，謝東力，基于AT89S52單片機(jī)的三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，大眾科技，2010年第10期9齊智文，曲兵妮，袁觀娜，李祁琪，于亞運(yùn)，基于單片機(jī)的軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)工礦自動(dòng)化，（）：.10杜襄南，傅華明，基于單片機(jī)的電機(jī)軟啟動(dòng)裝置的硬件設(shè)計(jì)，電子元器件應(yīng)用，2008.311王曉軍，徐鵬，