基于80C196KC的電子軟起動(dòng)器的軟硬件實(shí)現(xiàn)

    全數(shù)字電子軟起動(dòng)器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，減緩電流對電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，還能在起動(dòng)和運(yùn)行過程檢測電流、電壓參數(shù)，對異常情況進(jìn)行處理、顯示及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)。

    三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高和工作特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但它有一明顯缺點(diǎn)，就是起動(dòng)電流過大(一般起動(dòng)電流為額定電流的5～7倍甚至更大)，這樣不論是對電動(dòng)機(jī)本身，還是對電網(wǎng)以及其他電氣設(shè)備，都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

    電子軟起動(dòng)器的誕生，已經(jīng)從很大程度上提供了解決這個(gè)技術(shù)難題的有效手段，而且近年來隨著電力電子技術(shù)以及智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電子軟起動(dòng)器已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的起動(dòng)方法，例如“Y－△”降壓起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)以及磁性調(diào)壓起動(dòng)等。所謂電子軟起動(dòng)器，就是使用晶閘管調(diào)壓技術(shù)，采用單片機(jī)控制的起動(dòng)器，在用戶規(guī)定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)自動(dòng)地將起動(dòng)電壓連續(xù)平滑地上升，直到達(dá)到額定電壓，從而達(dá)到有效控制起動(dòng)電流的目的。

    基本工作原理

    軟起動(dòng)器的控制原理圖如圖1所示，它采用三相平衡調(diào)壓式主回路，將3對反向并聯(lián)的大功率晶閘管串接于電動(dòng)機(jī)的三相電路上，通過控制其觸發(fā)角的大小來改變晶閘管的導(dǎo)通程度，由此控制電動(dòng)機(jī)輸入電壓的大小，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的過程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成并達(dá)到額定電壓時(shí)，閉合三相旁路接觸器KC，短接晶閘管，使電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，以避免晶閘管元件的持續(xù)損耗。其中，主回路的晶閘管和接觸器隨系統(tǒng)容量不同可以選用不同的器件。

    從圖1可以看出，主回路主要是晶閘管電子調(diào)壓裝置，由6個(gè)晶閘管V₁～V₆組成，另外，利用3個(gè)霍爾傳感器來完成三相定子的電流檢測。在起動(dòng)過程中，晶閘管V₁～V₆的觸發(fā)角由軟件控制，從而使加在交流電動(dòng)機(jī)三相定子繞組上的電壓由零逐漸平滑地升至全電壓。同時(shí)，電流檢測裝置檢測三相定子電流送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和判斷，當(dāng)起動(dòng)電流超過設(shè)定值時(shí)，軟件控制升壓停止，直到起動(dòng)電流下降到低于設(shè)定值之后，再使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)升壓起動(dòng)。若三相起動(dòng)電流不平衡并超過規(guī)定的范圍，則停止起動(dòng)。另外，由電動(dòng)機(jī)理論可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸入電源頻率不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟起動(dòng)不僅使電動(dòng)機(jī)定子電壓連續(xù)平滑地增加，實(shí)現(xiàn)了升壓限流起動(dòng)，而且避免了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的沖擊和不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

   
    圖1  軟起動(dòng)器主回路示意圖

    軟起動(dòng)的控制器采用16位的Intel  80C196KC芯片，這種芯片比一般的8位單片機(jī)有更高的運(yùn)算速度和較高的集成度，而對比DSP芯片來講，雖然運(yùn)算速度上稍微慢了點(diǎn)，但196芯片價(jià)格便宜這個(gè)特點(diǎn)又使其在性價(jià)比上占了一定優(yōu)勢，而且196芯片的CPU晶振頻率現(xiàn)在也已達(dá)到了16MHz，再加上它自身具有乘除法運(yùn)算指令，使其已經(jīng)能夠滿足軟起動(dòng)過程中數(shù)據(jù)運(yùn)算處理速度要求。另外，80C196KC芯片豐富的外圍部件功能，以及具有10位A/D高分辨率轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，可以在保證軟起動(dòng)器高可靠性的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

    硬件設(shè)計(jì)

    一個(gè)完整的軟起動(dòng)器一般由兩部分組成，即控制單元和功率單元。控制單元是核心部分，軟起動(dòng)器大部分功能都是在這一單元實(shí)現(xiàn)的，其中含有三相電源的電壓及工作電流的檢測、鍵盤輸入和液晶顯示輸出信號(hào)的接收和處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和故障診斷及報(bào)警等；功率單元?jiǎng)t擔(dān)負(fù)著形成所需觸發(fā)脈沖的職責(zé)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，下文也將從系統(tǒng)核心部分——觸發(fā)控制部分重點(diǎn)說明軟起動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)。

   
    圖2  軟起動(dòng)器總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    電壓同步信號(hào)檢測電路

    采用如圖3所示的電路作為電壓同步信號(hào)檢測電路。從圖中可以看出，這個(gè)電路的功能就是將由電源側(cè)來的線電壓正弦信號(hào)轉(zhuǎn)為低壓方波信號(hào)以供單片機(jī)進(jìn)行處理分析。由于這里的信號(hào)是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入單片機(jī)處理的，因此要利用一塊光耦P521對高低壓信號(hào)進(jìn)行隔離，這樣保證了這兩種信號(hào)可以互不干擾地分離處理。整個(gè)工作過程大致是這樣的：由電源側(cè)來的線電壓信號(hào)經(jīng)過2個(gè)電阻和1個(gè)二極管，變成半波交流信號(hào)，這個(gè)交流信號(hào)在正半波時(shí)觸發(fā)光耦導(dǎo)通，從而使得右側(cè)輸入到單片機(jī)的是高電平信號(hào)；而當(dāng)光耦左側(cè)交流信號(hào)處于低電平時(shí)，光耦則截止，那么右側(cè)輸入到單片機(jī)的信號(hào)也就是低電平。這樣周而復(fù)始，單片機(jī)所得到的就是幅值為5V(V_CC=5V)的方波信號(hào)，周期等同于電源的周期即工頻50Hz，而高低電平持續(xù)的時(shí)間也基本與電源側(cè)正負(fù)交流信號(hào)所持續(xù)的時(shí)間大致相同，雖然其間存在著一定的時(shí)延，但可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，又得到了與電源電壓同步的信號(hào)，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號(hào)提供了工作電壓零點(diǎn)的基準(zhǔn)。

    這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)就在于：一方面，在起動(dòng)未開始或是開始瞬間，線路還沒有負(fù)載電流時(shí)，這個(gè)電路仍可以檢測到器件電壓零點(diǎn)，這就比電流過零同步方式要優(yōu)越得多；另外，由于輸入的交流信號(hào)是直接從電源側(cè)獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號(hào)再進(jìn)行處理，這樣就既節(jié)省了線路板的空間，也節(jié)約了成本。

    同時(shí)，可以利用圖3這個(gè)電路(以下稱為電路I)和另一套與電路I基本相同的電路(以下稱為電路II)配合，進(jìn)行電源的相序判斷和缺相檢測。在這里也大致介紹一下工作原理。電路II和電路I結(jié)構(gòu)基本相同，存在的區(qū)別就是，假設(shè)電路I的輸入側(cè)U_1和U_2分別連接電源的A、B兩相，而電路II輸入側(cè)U_1'和U_2'連接的就是電源的B、C兩相，且輸出信號(hào)是送到80C196KC芯片的另一個(gè)HSI(高速輸入引腳)口的。這里利用到芯片HSI引腳，它特有的功能，一是這種引腳能夠無需CPU干涉而快速響應(yīng)事件，二是這種引腳不但可以設(shè)置事件發(fā)生產(chǎn)生中斷，還可以記錄事件發(fā)生時(shí)的時(shí)間和當(dāng)時(shí)引腳的狀態(tài)。這里我們假設(shè)電路I的U_1和U_2接的是電源的A、B相，而電路II的U_1'和U_2'接的是B、C相，這樣在三相電源正常工作時(shí)，當(dāng)AB線電壓發(fā)生正跳變(即從負(fù)半波轉(zhuǎn)為正半波)時(shí)，BC線電壓為負(fù)，那么電路II送入CPU的信號(hào)就為低電平；當(dāng)AB線電壓發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，BC線電壓為正，那么電路II送入CPU的信號(hào)是高電平(如果電路II的U_1'和U_2'接的是C、B相，那么兩次送入CPU的信號(hào)高低電平情況就相反)。

而當(dāng)電源發(fā)生缺相故障時(shí)，AB線電壓無論發(fā)生何種跳變時(shí)，BC線電壓都同為正或同為負(fù)，這樣電路II送入CPU的信號(hào)將同為高電平或低電平。設(shè)置電路I接入CPU的HSI0引腳在信號(hào)每次跳變時(shí)都產(chǎn)生中斷，并在每次跳變中斷時(shí)記錄下電路II接入CPU的HSI1引腳的狀態(tài)，通過兩次對比HSI1引腳的電平情況，從而判斷出所連入電路中三相電源的相序，為下一步產(chǎn)生正確的脈沖觸發(fā)信號(hào)序列奠定基礎(chǔ)。同時(shí)在電源缺相時(shí)，也能判斷出故障狀況，并封鎖脈沖信號(hào)及給出報(bào)警信號(hào)和顯示信息。

   
    圖3  電壓同步信號(hào)檢測電路

    觸發(fā)脈沖形成電路

    軟起動(dòng)器的工作原理就是通過改變主回路中晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電壓來實(shí)現(xiàn)的，那么如何按照要求形成所需的觸發(fā)脈沖信號(hào)就顯得尤為重要。晶閘管的觸發(fā)方式有很多種，在這個(gè)設(shè)計(jì)采用脈沖變壓器來產(chǎn)生符合要求的具有一定規(guī)律的脈沖，主要為的就是使觸發(fā)發(fā)生電路在同晶閘管相連接的同時(shí)，又可以使這兩部分電路之間具有電氣隔離。下面以單相觸發(fā)脈沖形成電路為例，具體說明是如何利用這個(gè)電路形成所需的六路觸發(fā)脈沖信號(hào)的。

    如圖4所示，電路中74LS02的2、3腳分別接Intel196KC芯片的PWM腳和HSO腳，而脈沖變壓器二次側(cè)輸出端GA1、KA1和GA2、KA2分別接的是某一相正反1對晶閘管的觸發(fā)極和陰極。這樣根據(jù)電路可分析得，由于PWM引腳是由軟件設(shè)置在不斷地產(chǎn)生一定占空比的脈沖信號(hào)，因此如果想在某一時(shí)刻觸發(fā)該相的晶閘管，只要在這個(gè)時(shí)刻通過軟件設(shè)置將連接到該電路的HSO引腳置為低電平，并保持一定寬度時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)，而究竟是正向晶閘管還是反向晶閘管導(dǎo)通，那就取決于外部施加在該相晶閘管兩端的電源正負(fù)了。同理，如果想不輸出觸發(fā)脈沖，只要將該HSO引腳置為高電平就可以了。同時(shí)，還可利用HSO引腳同時(shí)通過軟件設(shè)置電平變化的特點(diǎn)，在軟起動(dòng)過程中如有檢測到故障信號(hào)需停止軟起動(dòng)操作，就只要兩條指令便可以令HSO引腳迅速置為高電平，即同步立即    封鎖三相觸發(fā)脈沖信號(hào)，做到及時(shí)反應(yīng)外部故障。

   
    圖4  單相觸發(fā)脈沖形成電路示意圖

    另外，電路中晶閘管控制用的脈沖變壓器采用1∶1∶1三線圈型，這樣在減少變壓器個(gè)數(shù)的同時(shí)，也可以將原先可能需要的6根輸出信號(hào)控制線減少至3根。同時(shí)在脈沖變壓器二次側(cè)串聯(lián)1個(gè)電阻，這樣既可以用來降低晶閘管的維持電流，還可在這種接有2個(gè)晶閘管的三線圈變壓器的場合中用來平衡控制極電流，同時(shí)這個(gè)加接電阻還能夠在存在高噪聲電平的場合防止誤觸發(fā)。此外，在此電阻旁還串聯(lián)1個(gè)二極管，這是為了在脈沖變壓器輸出電壓瞬變或反向時(shí)防止反向控制極電流，并且二極管同樣也可以降低晶閘管的維持電流。至于在接到晶閘管控制極和陰極兩端的輸出端并聯(lián)1個(gè)RC回路，那則是為了在這種控制三相異步電動(dòng)機(jī)感性負(fù)載情況下使晶閘管正確換流。

   
    圖5  斜坡電壓起動(dòng)方式程序流程圖

    軟起動(dòng)器整體軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序、起動(dòng)程序以及中斷服務(wù)程序等幾個(gè)部分，主程序是完成各種參數(shù)的輸入、設(shè)定以及電壓、電流的檢測、采樣和計(jì)算，而起動(dòng)程序則和中斷服務(wù)程序一道完成按照外部所設(shè)定的參數(shù)和要求來實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，下面就以斜波電壓起動(dòng)方式的程序設(shè)計(jì)流程圖來簡要說明整個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)。

    全數(shù)字電子軟起動(dòng)器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，減緩電流對電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，還能在起動(dòng)和運(yùn)行過程檢測電流、電壓參數(shù)，對異常情況進(jìn)行處理、顯示及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)。當(dāng)務(wù)之急的就是開發(fā)國人產(chǎn)權(quán)自主型的產(chǎn)品，多吸收國外著名品牌的重要技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，不斷更新改進(jìn)，縮短差距，研制出性價(jià)比高的新型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)電子軟起動(dòng)器。