一种新型的异步电动机软起动器

提出一种以AT89C51单片机为控制核心的新型异步电动机软起动系统，给出了单片机控制系统硬件电路结构、控制软件框图及其实现方法。试验结果表明，该系统能有效地降低起动电流，且起动过程平稳，无冲击和振荡。可实现电动机的软停车、轻载节能及保护功能。
关键词： 异步电动机； 软起动器； 单片机； 晶闸管

    近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，国内外都十分重视三相异步电动机软起动器的研究和开发。软起动控制旨在降压以限制电机起动电流，减小起动电流对电网的冲击。目前电动机软起动方式有很多，如液阻软起动、磁控软起动、晶闸管软起动和变频软起动等。从起动时间、控制方式的多样性、节能效果和价格等多方面综合比较，以晶闸管软起动方式最优，是当前软起动的主流方式[1-2]。
　本文设计以AT89C51单片机为核心的异步电动机智能软起动器，该装置可根据电动机负载的特性来调整起动过程中的各种参数，是集电动机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置。
1 硬件系统设计
   异步电动机智能软起动器硬件系统结构如图1所示。本设计采用AT89C51单片机作为整个控制系统的核心。零电压检测电路用于检测相电压的过零点;触发电路用其作为同步信号;断相检测电路用于判断断相故障。触发电路采用全数字化移相控制电路，与零电压检测电路配合，在单片机的控制下，产生移相触发脉冲来调节电机端电压；电流检测电路采用霍尔电流传感器将电流信号转换为电压信号送入A/D转换器，实现电机定子电流的检测，提供软起动和过载保护的依据;显示控制器用来控制LED，用以显示工作参数和状态;键盘电路用于输入系统的参数和控制单片机程序的走向。主要电路的设计说明如下。

1.1 触发电路
　触发电路如图2所示。AT89C51的晶振为6 MHz，自动在其30引脚输出频率为晶振频率1/6(即1 MHz)的脉冲。本系统将此脉冲用作外部时钟源和作为定时脉冲使用。该脉冲经过2个CD4013分频器(每个CD4013接成二分频器，2个串联组成四分频器)分频后，输出频率为250 kHz的脉冲，此脉冲一方面送入触发板的计数器CD4040作为其时钟脉冲，另一方面送入单片机的14引脚（P3.4口）作为计数器T0的计数输入时钟脉冲，用于定时中断。

　晶闸管触发信号的产生：在每1相都串入光耦TLP521，以A相为例，2个光电耦合器TLP521按图2所示接入。另一光电耦合器MOC3020的输出1个脚接主回路A相双向晶闸管的1个阳极，另一脚接触发极。光耦TLP521和MOC3020都起到了控制回路与主回路相隔离的作用。计数器CD4040是12位计数器，将其Q5~Q12输出端与74HC682输入端P0~P7相连。A相电压在1个周期有2个过零点，过零时2个光耦内部的发光二极管均不导通，CD4040的RST端为高电平，CD4040清零并开始计数，计数频率由其时钟端(CLK)输入脉冲控制(来自四分频器),由程序传送给单片机的P2口1个设定数，P2口与74HC682的Q0~Q7端相连。74HC682是数值比较器，当由P0~P7组成的二进制数大于由Q0~Q7组成的二进制数时，其P>Q非端输出低电平，光耦MOC3020导通，晶闸管的触发回路便有触发电流通过，双向晶闸管导通。该触发电路没有采用传统的触发脉冲调制放大电路，设计和实施上更为简单。
　触发角的计算：令计1个数的时间为t1，则t1=16/(250×103)s，设触发角α占1个周期内的时间段为t，则该触发角对应单片机P2口的十进制数γ=t/t1。将γ传送至单片机P2口，则可控制双向晶闸管在电源电压的正、负半波对应α角时被触发导通。B、C二相晶闸管的触发原理同A相。
1.2 电流检测和A/D转换电路
    软起动的主要任务是控制主电路的电流，因此要对电流进行检测和监控。电流检测和A/D转换电路如图3所示。本装置采用LEM电流传感器进行主回路电流的检测，其主要优点是LEM电流传感器可以测量任意波形的电流及瞬态峰值，副边电流能真实地反映原边电流的波形，原边电路与副边电路之间完全绝缘，可靠性高，而且动态性能好，精度高，因此能够很好地满足工业现场应用的需要。为减小误差保证转换精度，没有采用传统的桥式二极管整流电路对LEM模块输出的电流进行整流，而是采用由2个运放组成的精密全波整流电路进行整流并滤波，得到与交流电流成比例变化的0~5V的直流电压信号送入A/D转换器TLC0834转换成二进制数送入单片机，以此信号作为改变晶闸管触发角大小的依据，并用于数码管显示。TLC0834是8位串行控制模数转换器，以5 V作为基准电压，通过与控制处理器相连的串行数据链路传送控制命令，用软件对通道选择和输入端进行配置。多路器寻址通过TLC0834的DI端移入转换器。TLC0834的DI、CLK、DO和/CS分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.6和P3.7端口连接。程序中置/CS为低，使TLC0834能够工作，并对转换器初始化；然后从处理器接收1个时钟，在每个时钟的上升跳变时，DI端的数据移入多路器地址移位寄存器。在转换过程中，转换数据同时从DO端输出。这样TLC0834将输入电压转换成二进制数送入单片机后进行处理和显示。

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1.3 显示电路
    显示电路如图4所示，由高性能的多位LED显示驱动器PS7219控制。PS7219内部具有15×8 B RAM功能控制器寄存器,寻址方便；其复位引脚与单片机的复位端连接，LOAD、DIN和CLK端分别与单片机的P1.5、P1.6和P1.7端口连接。LOAD脚的功能是装载数据输入，当它为高电平时，串行输入数据的最后16位被锁定。串行数据的传送格式为D15~D0,其中D15~D12为无关位，D11~D8为寄存器地址，D7~D0为数据位；DIN脚的功能是串行数据输入,发送到DIN端的16位数据在每个CLK的下降沿被移入到内部16位寄存器中；然后，在LOAD的上升沿，数据被锁存到数值或控制寄存器中。

1.4 断相保护电路
    断相是对电动机危害较大的一种故障，为此系统单独设置了如图5所示的断相保护电路，主要由摩托罗拉单稳态触发器MC14548和3只二极管组成的“或门”电路实现。断相保护示意图如图6所示。MC14548由上升沿触发，产生1个脉宽由外加定时元件电阻R1和电容C决定的输出脉冲。当MC14548的A端出现1个上升沿、B端为高电平时，Q端(平时输出低电平)输出1个由低到高的脉冲，经过时间τ(τ=R1×C)后从高变低。分别来自A、B、C相触发电路中计数器CD4040的RST端的3个信号经“或门”电路与MC14548的A端相连。因三相电源电压相位互差120°，故接入A、B、C三相回路的3个双光耦TLP521每60°就有1次过零，过零时3个计数器CD4040的RST端一定有1个呈高电平,经过“或门”后MC14548的4脚每60°就有1个上升沿脉冲。若设定时间常数τ的值在大于60°而小于120°所对应的时间为:3.3 ms<τ<6.6 ms，则不缺相时，单稳态触发器将始终处于暂态，MC14548的Q端始终输出高电平，此时触发器的工作状态如图6(a)所示；若断相，MC14548的A端将出现隔120°才出现下一个脉冲的情况，此时MC14548的Q端将从暂态回到稳态，呈现低电平，此时触发器的工作状态如图6(b)所示。将MC14548的Q端连至单片机的P3.0端口，由程序检查P3.0端口，如为零则说明断相，然后进行断相处理。

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2 软件系统设计
　 软件系统采用模块化设计，主要组成部分如下：
　 (1)系统初始化模块：主要完成AT89C51单片机内部定时器、中断系统、堆栈指针、RAM和各I/O口等单元的初始化。
　 (2)故障检测模块：主要完成电动机起动前后的异常故障检测，如断相和过流等。
    (3)软起动模块：根据电动机电流检测信号，经单片机分析和处理后得到当前晶闸管触发角的大小，以实现电机的限流起动。以起动电流限定为2倍的额定电流为例，触发角控制算法如下：
    　

　(4)A/D采样程序：该程序定时采集电流反馈量，主要在A/D中断服务程序中完成。
　主程序流程图如图7所示。

3  样机试验结果
    对1台样机进行了试验。主回路采用1 000 V、200 A双向晶闸管。以5.5  kW鼠笼式异步电动机带动4 kW直流电机进行PI电流闭环控制的软起动试验，5.5 kW 电动机额定电流为12.6 A，试验中设限定电流约为2倍的额定电流，取为25 A。
    图8为电机起动过程实测电流波形，图8(a)为直接起动过程电流波形，图8(b)为软起动过程电流波形。可见整个软起动过程中电流的变化很平稳，没有出现振荡现象，电机软起动时的起动电流是其稳定运行电流的2倍左右，而直接起动非常迅速，启动电流很大，直接起动时的起动电流是其稳定运行电流的5~7倍。试验结果表明，所设计的软起动器系统效果良好，起动过程平稳，无冲击和振荡。

    本文提出了一种以AT89C51单片机为核心的新型异步电动机智能软起动器的设计方法，本装置集电动机软起动、软停车和多种保护功能于一体，还可以实现电动机的轻载节能运行。经试验运行表明，该装置设计合理，运行可靠，具有较好的实用价值。
参考文献
[1]     刘建业,安曙明,付占稳. 异步电动机起动及节能智能控制技术综述[J]. 电工技术杂志, 2004(3):7-10.
[2]     徐甫荣.交流异步电动机起动调速节能保护控制综述[J]. 电工技术杂志, 2003(4):1-5.
[3]     赵相宾,郭保良.交流电动机电力电子软起动装置的技术要求及试验方法[J].电气传动,2004(6):59-62.
[4]     何立民．单片机应用文集[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[5]     戴茵茵，方瑞明.单片机控制的异步电动机软起动器研制[C].华侨大学学报,2007,28(2):120-123.