基于VC的三相異步電機(jī)啟停系統(tǒng)的設(shè)計

0 引言
    三相異步電機(jī)啟動方式由其功率決定，一般規(guī)定，電動機(jī)功率在10KW以下，可直接啟動(即電機(jī)全壓啟動，直接開啟開關(guān)，將三相接入電源)。10KW以上，要根據(jù)電動機(jī)容量和電源變壓器容量比值來確定，對于給定電動機(jī)功率，一般最大功率不大于變壓器容量的20％--30％則可以直接啟動，否則需降壓啟動以防止過大的起動電流會在線路上產(chǎn)生較大的壓降，使電網(wǎng)電壓波動很大，影響并聯(lián)在電網(wǎng)上的其它設(shè)備的正常運(yùn)行。
    針對小功率三相異步電機(jī)的啟停，當(dāng)前國內(nèi)外還較多地采用繼電器、接觸器等控制電器來實(shí)現(xiàn)自動控制。由于繼電接觸器控制系統(tǒng)是通過觸點(diǎn)的機(jī)械運(yùn)動來通斷主、控回路，然而觸點(diǎn)因?yàn)殡?、機(jī)械和化學(xué)的原因易于磨損，并且在高沖擊、振蕩的工作環(huán)境下，觸點(diǎn)容易發(fā)生誤動作。若主回路有感性負(fù)載，則易于產(chǎn)生觸點(diǎn)燃弧及回跳，對外界的電磁干擾較大，并且控制系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)多，必須確保每部分工作準(zhǔn)確，系統(tǒng)才能正確工作，所以它存在不少缺陷，必須改進(jìn)。本文介紹以三相交流固態(tài)繼電器作為單片機(jī)和三相電機(jī)接口器件，使用PC上位機(jī)軟件直接啟動或停止三相異步電機(jī)，減少中間環(huán)節(jié)，確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定工作，同時可視化的電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)設(shè)計思想
1．1 系統(tǒng)概述：
    該系統(tǒng)是一種基于PC機(jī)與AT89S51單片機(jī)串口通信的三相異步電機(jī)啟停系統(tǒng)，PC機(jī)以VC6.0為開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件的編制。上位機(jī)軟件通過串口通信發(fā)送控制命令給單片機(jī)AT89S51，AT89S51以交流固態(tài)繼電器為接口器件，通過控制交流固態(tài)繼電器輸入端電平的高低來控制三相異步電機(jī)的三相是否接入電源，從而啟動或停止電機(jī)。
1．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．2．1 單片機(jī)與PC機(jī)串口通信電路
    AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51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。芯片可以在系統(tǒng)編程，大大縮短單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)周期，此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e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)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。功能強(qiáng)大的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。
    鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)計目標(biāo)，特選用此款單片機(jī)。AT89S51單片機(jī)與PC機(jī)串口通信使用RS-232C串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口，RS-232C總線接口芯片有很多，本系統(tǒng)使用MAXIM公司的MAX232芯片完成TTL和EIA之間的雙向電平的轉(zhuǎn)換，從而使PC機(jī)可以與AT89S51單片機(jī)通信。AT89S51單片機(jī)和PC機(jī)的串行通信連接電路如圖1所示：該工作電路對電源噪聲比較敏感，在電路設(shè)計中，要注意提高器件的抗干擾能力。應(yīng)使用0.1uF或則1.OuF電容連接+5V電源去耦，選擇1.0uF／16V鉭電容作外接極性電容C1、C2、C3、C4，且讓電容盡可能靠近芯片。

1．2．2 AT89S51和三相異步電機(jī)的接口器件：
    當(dāng)前國內(nèi)外使用的電機(jī)控制系統(tǒng)電路如圖2所示，這種控制系統(tǒng)稱為繼電接觸器控制系統(tǒng)，它是一種有觸點(diǎn)的斷續(xù)控制，因?yàn)槠渲锌刂齐娖魇菙嗬m(xù)動作的。
    本系統(tǒng)采用三相交流固態(tài)繼電器作作為AT89S51和三相異步電機(jī)的接口器件。
    SSR(Solid state Relay)固態(tài)繼電器是用分離的電子元器件、集成電路(或芯片)及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)。具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點(diǎn)。固態(tài)繼電器按輸出負(fù)載電源分，有交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器。交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型和隨機(jī)導(dǎo)通型。過零導(dǎo)通型SSR是當(dāng)負(fù)載電源電壓過零區(qū)時才能導(dǎo)通，負(fù)載電流過零時才關(guān)斷，這是為了避免使負(fù)載受到峰值電壓的沖擊和干擾；隨機(jī)導(dǎo)通型SSR是只要輸入端加入信號，便導(dǎo)通。本系統(tǒng)使用過零導(dǎo)通型SSR。
    過零導(dǎo)通型SSR原理圖和應(yīng)用簡圖如圖3所示：應(yīng)用簡圖中1、2為控制端，加上一定大小的直流電壓，輸出端3、4便導(dǎo)通，負(fù)載便接入電源工作；當(dāng)控制端電壓低于一定大小時，輸出端3、4立刻斷開，負(fù)載停止工作。其小信號控制端和主回路在電氣上是隔離絕緣的，所需控制功率極小，開關(guān)速度很快。

    圖3所示的交流固態(tài)繼電器稱為單相交流固態(tài)繼電器，三相交流固態(tài)繼電器是集三只單相交流固態(tài)繼電器為一體，并以單一輸入端對三相負(fù)載進(jìn)行直接開關(guān)切換的固態(tài)繼電器，它可方便地控制三相交流電機(jī)、加熱器等三相負(fù)載。
    本系統(tǒng)受控的三相異步電機(jī)功率為3KW，額定電流為6.4 A，故選擇山東淄博其特電子公司生產(chǎn)的型號為3SSR30的三相固態(tài)繼電器。該產(chǎn)品過零觸發(fā)，無火花，介質(zhì)耐壓2500V AC，每相輸出最大交流電流有效值為30A(電機(jī)直接啟動瞬間電流為額定電流幾倍)，每相最大相電壓有效值為450V，工作頻率為50HZ，控制端信號必須滿足電壓達(dá)到4-24V DC，電流達(dá)到50mA輸出端才導(dǎo)通。則本系統(tǒng)AT89S51控制電機(jī)電路圖如4所示：圖4中線性光耦器件OPTOISO1工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)，其性能指標(biāo)CTR范圍為50％-200％。晶體管9013工作在放大區(qū)，為3SSR30的導(dǎo)通提供足夠大的輸入電流。由于電機(jī)是感性負(fù)載，所以在輸出回路中必須附加過流、過壓抑制元件RY820V壓敏電阻，用于保護(hù)SSR，它的選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻，380V時可選用800V-900V壓敏電阻。

1．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
1．3．1 PC機(jī)上位機(jī)軟件設(shè)計
    目前國內(nèi)外大多通過使用單片機(jī)按鍵或則開關(guān)按鈕來輸入控制命令，而本系統(tǒng)卻是在PC機(jī)上用VC6.0開發(fā)環(huán)境，使用微軟公司提供的Windows操作系統(tǒng)串口編程Activex控件MSComm對PC的串行接口進(jìn)行編程，編制出電機(jī)控制系統(tǒng)可視化軟件，通過軟件輸入控制命令。PC機(jī)上位機(jī)軟件界面如圖5所示：

    重要函數(shù)介紹:函數(shù)OnInitDialog()負(fù)責(zé)PC機(jī)串口的初始化和打開，函數(shù)OnMotoron()，OnMotoroff()是電機(jī)啟動，電機(jī)停止按鈕代碼。函數(shù)OnComm()負(fù)責(zé)串口事件捕獲和處理程。
1．3．2 PC機(jī)和AT89S51單片機(jī)串口通信軟件設(shè)計
    PC機(jī)和AT89S51單片機(jī)串口通信程序按它們之間的通信協(xié)議編寫，協(xié)議如下：
    PC：點(diǎn)擊軟件按鈕，則將對應(yīng)按鈕值發(fā)給單片機(jī)，等待單片機(jī)回復(fù)。若單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)與按鈕值相同，PC向單片機(jī)發(fā)送0x00，指示其完成按鈕值對應(yīng)的任務(wù)；否則，PC向單片機(jī)發(fā)送0xff，指示單片機(jī)不進(jìn)行任何操作，PC重新發(fā)送此按鈕值。單片機(jī)：等待PC發(fā)來數(shù)據(jù)，接收后馬上將其回發(fā)給PC，等待PC指示。若PC發(fā)來0x00，單片機(jī)完成先前接收的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的任務(wù)：若PC發(fā)來0xff，單片機(jī)不進(jìn)行任何操作，等待PC重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 結(jié)論
    由于本系統(tǒng)使用組件模塊化的三相交流固態(tài)繼電器直接控制三相電機(jī)，因此使歷來困難復(fù)雜的三相異步電機(jī)啟停問題變得簡單且實(shí)用，實(shí)踐證明本系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：1．使用軟件平臺控制電機(jī)啟停，對電機(jī)控制系統(tǒng)的可視化開發(fā)有參考意義。2．使用三相交流固態(tài)繼電器直接控制電機(jī)啟停，簡化電機(jī)控制系統(tǒng)。