56F8346的電動機(jī)軟啟動器設(shè)計(jì)

引言
    電動機(jī)直接啟動時(shí)產(chǎn)生的電流很大，一般為額定電流的4～7倍，最高可達(dá)15倍，嚴(yán)重影響了電動機(jī)的啟動性能。晶閘管門極脈沖相位的變化可以改變輸出端電壓的幅值，以此改變負(fù)載端的電壓?；诖嗽恚芯苛艘环N基于Freescale公司的DSP芯片56F8346的軟啟動器，它可以降低啟動電流，并且啟動時(shí)間比傳統(tǒng)的單純降壓啟動要短，可以替代傳統(tǒng)降壓啟動方式，解決了電動機(jī)控制中存在的一些難題。

1 軟啟動器總體方案
    通過研究軟啟動的基本原理和對電動機(jī)啟動電流的分析，設(shè)計(jì)出軟啟動控制策略。硬件設(shè)計(jì)主要包括主電路和控制電路。采用DSP控制完成系統(tǒng)信號檢測、數(shù)據(jù)運(yùn)算、指令傳輸、觸發(fā)信號產(chǎn)生等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的軟啟動。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化方法，并且選用C語言進(jìn)行編程，這樣既便于軟件調(diào)試和運(yùn)行，又兼顧了源程序面向過程、節(jié)省存儲空間的優(yōu)越性。該軟啟動器可達(dá)到以下的技術(shù)指標(biāo)：
    ◆啟動過程時(shí)間為0～60 s(可調(diào))。
    ◆兼有對被制動的電動機(jī)正常啟停(非制動停止)的功能。
    ◆兼有對被制動的電動機(jī)短路保護(hù)、過載保護(hù)、過壓、欠壓保護(hù)功能。
    ◆環(huán)境溫度為-40～150℃時(shí)均能正常工作。

2 軟啟動器硬件設(shè)計(jì)
    軟啟動器硬件包括主電路和控制電路兩部分。主電路通過控制反并聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通角來改變加載在電動機(jī)兩端的電壓，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動。控制電路包括DSP控制電路、觸發(fā)驅(qū)動電路、檢測電路、同步電路、鍵盤顯示電路等。需要檢測的物理量有電壓、電流、相位、溫度等，這些信息需送入DSP進(jìn)行處理，以形成對晶閘管的控制信號。系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。

2．1 同步觸發(fā)驅(qū)動電路
    為了使各個晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電源保持嚴(yán)格的同步相位關(guān)系，在系統(tǒng)中必須設(shè)置同步電路。本系統(tǒng)中，同步信號采用3個同步變壓器，同步變壓器輸出的信號經(jīng)過光電隔離及功率驅(qū)動后送入DSP，由DSP檢測同步信號狀態(tài)，以保證晶閘管觸發(fā)脈沖相位與主電路電壓相位精確可調(diào)。同時(shí)，由三相電源經(jīng)同步變壓器后輸出的電壓信號通過電阻、電容組成的限流移相電路移相30°后，再經(jīng)過光耦TLP250驅(qū)動后送到晶閘管集成觸發(fā)芯片TC787。
    TC787主要包括3路相同的部分：同步過零檢測和極性檢測、鋸齒波形成及比較電路，以及抗干擾鎖定、脈沖發(fā)生器、脈沖形成、脈沖分配和驅(qū)動電路。觸發(fā)電路接受DSP的控制，DSP根據(jù)控制的需要由PWM輸出轉(zhuǎn)換得到一個直流電壓。該電壓被加到TC787的第4腳，4腳的電壓與芯片內(nèi)部的鋸齒波比較，取得交相點(diǎn)，控制輸出脈沖。輸出脈沖通過脈沖放大整形后送出，作為晶閘管的觸發(fā)信號。晶閘管的輸入是采用光耦驅(qū)動。圖2為一路同步觸發(fā)驅(qū)動電路，光耦芯片采用TLP250。

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2．2 電壓電流檢測電路
    同步變壓器輸出的三相電壓分別經(jīng)過全橋整流、濾波和分壓后獲得一個直流電壓信號，將此信號作為反饋輸入到DSP的A／D引腳，A／D轉(zhuǎn)換器對此信號進(jìn)行采樣，然后取平均值作為此時(shí)電壓的反饋值，再根據(jù)值的大小進(jìn)行判斷和處理。電流互感器的輸出經(jīng)過全橋整流、濾波和分壓后獲得一個直流電流信號，將此信號作為反饋輸入DSP的A／D口，A／D轉(zhuǎn)換器對此信號進(jìn)行采樣，然后取平均值作為此時(shí)電流的反饋值，再根據(jù)值的大小進(jìn)行判斷和處理。電流檢測電路如圖3所示。電壓檢測電路與此類似，不再贅述。

2．3 硬件抗干擾措施
    繪制印刷電路板時(shí)，應(yīng)注意采用正確的方法，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。在測量電路中，通過RC低通濾波器消除由主電路感應(yīng)過來的尖峰電壓；在控制電路的數(shù)字部分，每一個集成電路都要配置一個高頻去耦電容，以消除數(shù)字線路上尖峰電流所造成的影響。

3 軟啟動器軟件設(shè)計(jì)
    軟啟動器各部分電路的協(xié)調(diào)工作需要軟件的配合，因此軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行、能否滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求。該系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能包括控制移相觸發(fā)角，以及數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、采集及處理等。系統(tǒng)的軟件流程包括：主程序、中斷處理和按鍵顯示三部分。
3．1 主程序
    主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理，包括系統(tǒng)自檢和初始化、相應(yīng)啟動程序和中斷處理部分。主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)的初始化包括I／O口初始化、A／D采樣模塊初始化、PWM模塊初始化、SCI通信模塊初始化、中斷系統(tǒng)狀態(tài)初始化以及DSP外設(shè)初始化等。軟啟動系統(tǒng)工作之前要進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路中存在的問題，保證軟啟動系統(tǒng)和電動機(jī)工作的安全。自檢的內(nèi)容包括電壓、電流、溫度、相位。系統(tǒng)啟動部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括判斷是否要求啟動，啟動是否完畢，以及系統(tǒng)是否穩(wěn)定運(yùn)行等。主程序完成初始化和自檢后如得到啟動命令則進(jìn)入一個循環(huán)，等待中斷發(fā)生，直到啟動完成。

3．2 中斷處理
    系統(tǒng)中斷響應(yīng)共4個中斷源，按優(yōu)先級從高到低包括：故障處理中斷、A／D采樣中斷、電壓環(huán)和電流環(huán)PI計(jì)算中斷、PWM重載中斷。電壓和電流反饋量是晶閘管軟啟動系統(tǒng)的重要反饋信息。在系統(tǒng)中，采用以電流作為反饋量的恒流啟動方式。A／D采樣中斷測得電流電壓反饋量，如果該值是故障值(過流、過壓、欠壓、缺相等)，則進(jìn)入故障處理中斷；否則進(jìn)入電壓環(huán)和電流環(huán)PI計(jì)算中斷，經(jīng)PI調(diào)節(jié)計(jì)算得到觸發(fā)角，觸發(fā)PWM重載中斷，輸出觸發(fā)信號，進(jìn)行調(diào)整。
    在56F8346中有兩個模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)，包括16路模／數(shù)轉(zhuǎn)換輸入口，使用4個采樣保持器。本系統(tǒng)使用兩路采樣保持器，對電流、電壓信號進(jìn)行同時(shí)采樣。ADc采樣時(shí)刻與PWM中心時(shí)刻調(diào)整成精確同步，這樣每次PWM正脈寬的中心時(shí)刻同步啟動ADC。
3．3 按鍵顯示
    本系統(tǒng)采用非編碼鍵盤，以掃描方式查尋鍵值。顯示部分采用5個共陰極的LED顯示器，前2位顯示參數(shù)或者故障類別，后3位顯示相應(yīng)參數(shù)的數(shù)值。鍵盤部分實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、參數(shù)設(shè)定與修改，顯示部分用來實(shí)現(xiàn)工作參數(shù)及故障類別顯示。
3．4 軟件抗干擾措施
    由于各種干擾源的存在，在系統(tǒng)硬件采取措施的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件抗干擾設(shè)計(jì)。在模擬輸入信號端采用硬件濾波后，再使用軟件濾波技術(shù)，保證數(shù)據(jù)信息的可靠和可信；對于狀態(tài)信號的抗干擾輸入，多次重復(fù)采樣，直到連續(xù)兩次或多次采集結(jié)果完全一致時(shí)為有效；在軟件設(shè)計(jì)中使用了軟件冗余、軟件陷阱和看門狗技術(shù)，有效地防止程序失效和陷入死循環(huán)，保證系統(tǒng)和程序正常運(yùn)行。

4 總結(jié)
    本文所設(shè)計(jì)的軟啟動器能實(shí)現(xiàn)以下功能：
    ①能克服直接啟動和傳統(tǒng)降壓啟動的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)平滑、無級加速的啟動，完善的保護(hù)功能可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的缺相、過壓、欠壓、過流、過載、短路保護(hù)等；
    ②根據(jù)所需的啟動技術(shù)參數(shù)和要求進(jìn)行啟動，對電網(wǎng)及設(shè)備的沖擊相對較弱；
    ③正常工作時(shí)顯示工作電壓、工作電流、最大電流等參數(shù)。故障時(shí)顯示故障原因及參數(shù)，并進(jìn)行故障報(bào)警。