单片机的软起动器研究和设计.docx

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单片机的软起动器研究和设计

交流异步电动机因其成本低，高可靠性和少维护等优点在各种工业领域中得到广泛的应用，但其固有的起动性能差。

传统的降压起动设备虽然能改善异步电动机的起动性能，但是同时也会带来二次冲击电流等新问题。

而采用晶闸管交流调压方式的电力电子软起动方式能平滑、无级地起动电动机，减小起动电流的冲击。

本课题是基于AT89C51单片机为主控制核心，采用AT89C51单片机控制的晶闸管交流调压方式，对电动机的软起动器硬件和软件设计。

通过控制电机的电流．使电机缓慢、平滑的加速，避免大电流对电机和电网的冲击，提高电网的工作效率和减少起动时对电机的冲击损伤，从而达到节能、保护设备的作用。

[关键词]软启动；AT89C51单片机；晶闸管；交流异步电机

BasedonSCMsoftstarterresearchanddesign

Abstract

Acinductionmotorbecauseofitslowcost,highreliabilityandlessmaintenanceinvariousindustrialareaswidelyapplied,butitsinherentstartingperformanceispoor.Thetraditionalstep-downstartequipmentalthoughcanimprovetheasynchronousmotorstartingperformance,butalsobringsnewproblemssuchassecondarycurrentimpulse.Whileusingthyristoracvoltageofpowerelectronicsoftstarterwaywaycansmoothwithoutlevelgroundstartingmotor,reducetheimpactofstartingcurrent.ThistopicismainlybasedonAT89C51single-chipmicrocomputercontrolcoreandadopttheAT89C51single-chipmicrocomputercontrolthyristoralternatingvoltageregulationway,tomotorsoftstarterhardwareandsoftwaredesign.Throughthecontrolmotorcurrent.Makemotorslow,smoothacceleration,avoidbigcurrentformotorandpowergrid,improvetheimpactofthepowergridworkefficiencyandreducetheimpactofmotorstarting,thusachievedtheenergy-saving,damagetheroleofprotectionequipment.

Keywords：

Softstart；AT89C51microcontroller；Thyristor；Acinductionmotor

一、引言4

（一）研究的背景4

（三）国内外研究的现状5

二、软启动的相关概述7

（一）软启动的基本概念和分类7

（二）软起的原理7

（三）软起运行方式8

三、系统硬件设计9

（一）系统设计的总体方案9

（二）系统的硬件设计9

1.单片机最小系统电路及介绍9

1.1AT89C51单片机简介10

1.2AT89C51单片机时序10

1.3AT89C51单片机引脚介绍11

2.同步信号电路13

3.晶闸管驱动电路13

4.相序检测电路14

5.电流检测电路14

6.AD转换电路15

四、系统软件设计16

（一）主程序流程图16

（二）中断程序流程图16

（三）触发脉冲中断程序流程图17

五、结束语19

参考文献20

致谢21

附件1：

系统设计程序22

（一）AD0809程序22

（一）触发角计算的部分程序：

24

一、引言

（一）研究的背景

随着国民经济的不断发展，许多工业企业的生产能力迅速提高，随之而来的是大型、重型生产设备不断涌现，其生产设备的驱动电机容量也越来越大，比如在钢铁和石油化工行业使用几千千瓦甚至1万千瓦以上的电机也越来越多。

三相异步电动机在直接启动时，电流能达到额定电流的5～7倍。

对于大功率的电机该电流将引起电网电压急剧下降，从而破坏同电网其它设备的正常运行，甚至引起电网失去稳定。

同时，电机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。

而在各种工业控制和应用系统中，技术发展轨迹几乎无一例外地遵循着由模拟电路的控制技术转向全数字微机控制技术。

由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。

随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域采用单片机设计的软起动控制器，在大功率电机起动过程中，追踪电机功率因数角，实现触发信号与电机电压的同相位。

电动机是工业、农业和交通运输的重要设备，而且，随着社会生产的日益发展，电动机的应用将会越来越广，与电机配套的控制设备的性能也必将成为用户关注的焦点。

电动机的控制主要包括电机的起动、调速和制动。

三相交流鼠笼式异步电动机因其结构简单，运行可靠和价格便宜而被广泛采用。

通过控制电机的电流,使电机缓慢、平滑的加速，避免大电流对电机和电网的冲击，提高电网的工作效率和减少起动时对电机的冲击损伤，从而达到节能、保护设备的作用。

（二）研究的目的和意义

在电动机运行过程中，对设备的使用寿命影响最大的是电动机的起动和制动。

传统的适用于中小功率鼠笼电动机的起动方式有直接起动、星三角降压起动、自藕变压器降压起动等起动方式，在起动泵、风机、压缩机、输送带等设备的时候会引起较大的冲击电流和冲击转矩，引起机械与电气的冲击。

这些起动方式在照顾了起动的某一方面的要求的同时，总要以牺牲另一方面性能为代价，不能兼顾到系统各方面的总体性能，仅适用于一些对起动要求不高的场合；另外，这些起动方式更谈不上兼顾其他方面。

电动机停车的要求。

转子回路串电阻和串频敏电阻起动方式也仅适用于绕线型转子，而且由于转子回路串入了电阻，使控制部分体积大为增加，维修复杂，费用高。

通过比较异步电动机的各种起动方式，如下图l所示，我们可以看到，当电机全压起动时，对电网的冲击最大，冲击时间也最长；而通常使用的降压起动也就是硬起动，对电网的冲击虽比较小，但是由于涉及到—个电机端电压切换过程，所以出现二次冲击的不利环节；软起动由于在起动前设定了一个不对电网产生影响的起动电流，电流是缓慢增大至设定电流。

单片机它有较强的控制功能和低廉的成本。

人们在选择电动机的控制时，常常是在先满足功能需要的同时，优先选择成本低的控制器，所以，单片机往往成为优先选择的目标。

因此，设计单片机控制的软启动器意义重大。

图1各种启动方式对电网的影响

（三）国内外研究的现状

电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机的软起动应用是在1970年由英国人发明的，由于采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以曾引起人们广泛的注意。

近二十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到应用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。

90年代以后，国外一些著名厂商推出了软起动系列产品，技术已趋于成熟。

如美国的AB公司生产的315～2000KW的交流调压式电力电子软起动器，英国的CT公司，法国的TE公司，德国AEG公司及欧洲ABB公司等均推出了软起动产品；德国的西门子公司推出一系列产品：

SIRIUS3RW30/31适用于55KW以下电机，SIKOSTART3RW22适用于710KW以下电机，SIKOSTART2RW34适用于1050KW以下电机。

从软起动出现在世界（1970年），就伴随着研究软起动器能否实现节约能源的问题。

英国人曾在八十年代初就对不同控制原理的软起动产品做过对比实验，并得出在40％～50％的额定负载下，软起动器有明显的节能效果的结论，从而使得这种控制器在轻载情况下大大被采用。

目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究已从对控制电压控制电机电流的开环、闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优。

如将原变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入，创立软起动技术的转矩控制。

国内在软起动器方面也有研究。

我国软起动技术起步于80年代初期，以后也推出了各种品牌的软起动器，但在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。

已推出JKR、NJR1、STR、JKB型软起动器和JQ、JQZ型固态节能软起动器等产品。

JQ型用于轻负载起动，JQZ型用于重负载起动，最大控制功率达800kW，并已在上海、广东、新疆、湖南等省市一些工程中应用10年。

有一些大专院校对于软起动器技术也有一定研究。

本文主要研究内容：

本课题是基于AT89C51单片机为主控制核心，采用AT89C51单片机控制的晶闸管交流调压方式，对电动机的软起动器硬件和软件设计。

通过控制电机的电流．使电机缓慢、平滑的加速，避免大电流对电机和电网的冲击，提高电网的工作效率和减少起动时对电机的冲击损伤，从而达到节能、保护设备的作用。

二、软启动的相关概述

（一）软启动的基本概念和分类

软起动器是一种用来控制交流异步电动机的新设备，它是集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。

软起动器的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。

运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。

软起动方式包括：

（1）电压斜坡软起动：

软起动器使电动机定子上的加载电压迅速上升至预先设定值，随后按照设定的软起时间，加载电压线性增加至最大。

（2）限流起动：

电动机起动后，软起动器的输出电流迅速增加至预先可自由设定的电流值，此后在输出电流不大于该电流。

的前提下，逐渐提升电压，完成软起动过程。

（二）软起的原理

软起动的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。

运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。

电动机软起动器是运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。

当然减小异步电动机起动电流大小可以通过降低定子电压或者增大电阻和漏抗来实现。

于是就有降压起动，串电抗起动和电阻调节等起动方法。

其中鼠笼式异步电动机因转子回路无法外接附加电阻，考虑到运行效率，也不宜设计成有较大的转子电阻，所以对于不需要很大起动转矩的机械负载，可用降压起动方法。

要实现给定起动电流和起动转矩的要求，在一定时间内平滑起动电机，只要控制定子外施电压，使其逐渐上升。

这是许多起动方式和起动设备所采用的理论根据。

电子软起动器就是接在电源与异步电动机之间，应用电力电子器件（晶闸管）实现负载电压有效值的调节，能够满足无级、平滑地调节输出电压，消除了传统降压起动装置中出现的二次电流和二次转矩的冲击问题。

（三）软起运行方式

软起动器完成起动电动机任务之后，可以有以下四种运行状态：

（1）跨越运行模式，晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，电压谐波分量可以完全忽略，这种方式常用于短时重复工作的电动机。

对于要求实现电机软起动、软停止、节能、故障保护、报警等功能的较完整的电机控制系统，则采用这种运行状态。

（2）接触器旁路工作模式在电动机达到满速运行时，用旁路接触器取代已完成起动任务的软起动器，这样可以降低晶闸管的热损耗，提高系统的效率。

在这种工作模式下，便有可能用一台软起动器起动多台电动机。

（3）节能运行模式当电动机负荷较轻时，软起动器自动降低施加于电动机定子上的电压，减少了电机电流的励磁分量，从而提高了电动机的功率因数。

（4）调压调速模式

软起动器既然是用晶闸管调压原理来实现的，因此也可以作调压调速运行。

通过改变导通角控制电机电压，达到改变电机速度的目的。

由于频率不变，电压降低时会引起电机中磁场饱和，因此这种方式调速效果有限。

三、系统硬件设计

（一）系统设计的总体方案

该方案中用AT89C51单片机作为软起动器的控制核心，可实现其较复杂的I/O控制算法。

主回路采用三相平衡调压式，在电源与被控电机之间的串联3对反向并联的大功率晶闸管，通过触发信号控制晶闸管触发角的大小来改变其导通程度，由此控制电机三相定子绕组上的电压从零逐渐平滑地升至额定电压。

另外，利用3个霍尔传感器来完成三相定子的电流检测。

在起动过程中，电流检测装置检测三相定子电流并送入单片机进行运算和判断，当起动电流超过设定值时，软件控制升压停止，直到起动电流下降到低于设定值时，才使电机继续升压起动；若三相起动电流不平衡并超过规定范围，则停止起动。

由电机理论可知，当电机的输入电源频率不变时，电机的输出转矩与输入电压的平方成正比。

因此，软起动不仅使电机定子电压连续平滑地增加，实现了升压限流起动，而且避免了电机起动转矩的冲击和不平稳的现象。

其系统的控制模块框图下图2所示：

图2系统控制模块结构框图

（二）系统的硬件设计

1.单片机最小系统电路及介绍

在课题设计的控制系统中，控制核心是AT89C51单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4KFLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS。

使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括：

复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择），电路如下图3所示：

图3单片机最小系统

本课题设计的控制系统主控制芯片选型为AT89C51单片机，其特点如下：

1.1AT89C51单片机简介

目前，51系列单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。

AT89C51单片机是ATMAL技有限公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。

每一个单片机包括：

一个8位的微型处理器CPU；一个512K的片内数据存储器RAM；4K片内程序存储器；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率是12MHZ。

以上各个部分通过内部总线相连接。

1.2AT89C51单片机时序

AT89C51单片机的一个执器周期由6个状态（s1—s6）组成，每个状态又持续2个震荡周期，分为P1和P2两个节拍。

这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。

若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为1／6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。

对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。

如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。

若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。

在加结束时完成指令操作。

多数AT89C51指令周期为1—2个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。

对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。

1.3AT89C51单片机引脚介绍

AT89C51单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。

（1）电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

接+5V电源正端；

Vss（20脚）：

接+5V电源正端。

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。

（3）控制信号或与其它电源复用引脚

控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。

（A）．RST/VPD（9脚）：

RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。

当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。

当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

（B）．ALE/P（30脚）：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低

（C）．PSEN（29脚）:

片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。

当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。

当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。

（D）．EA/Vpp（31脚）：

EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。

当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。

若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。

当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。

对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。

（4）输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

（A）.P0口（39脚～22脚）：

P0.0～P0.7统称为P0口。

当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。

它分时提供8位双向数据总线。

对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

（B）.P1口（1脚～8脚）：

P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：

P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

（C）.P2口（21脚～28脚）：

P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

（D）.P3口（10脚～17脚）：

P3.0～P3.7统称为P3口。

它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。

P3口的第2功能见下表

表1单片机P3.0管脚含义

引脚

第2功能

P3.0

RXD（串行口输入端0）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）

P3.3

INT1（中断1请求输入端，低电平有效）

P3.4

T0（时器/计数器0计数脉冲端）

P3.5

T1（时器/计数器1数脉冲端）

P3.6

WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

P3.7

RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：

1）.单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；

2）.单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。

2.同步信号电路

软起动器必须在一个电压周期内控制可控硅的导通角，即通过确定电压波形的过零点，延时一段时间后输出触发信号来控制其导通角。

电压波形的过零点通过同步信号电路检测获得。

所谓同步，就是通过供给各触发单元不同相位的交流电压，使得各触发器分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出触发脉冲，从而保证各晶闸管可以按顺序获得触发。

根据同步基准的不同触发方式分绝对触发方式和相对触发方式。

所谓绝对触发方式是指每一触发脉冲的形成时刻均由同步基准决定，这在三相交流调压电路中就需要有六个同步基准交流电压，需要一个专门的同步变压器；而相对触发方式仅需一个同步基准，当第一个脉冲由同步基准产生后，再以第一个触发脉冲作下一个触发脉冲的基准，以此类推。

本系统中，为减少外围电路和简单化，使用的是相对触发方式。

下图4是一种简单的单相同步信号电路，线电压Uab作为交流同步电压，通过变压器降压后，经过零比较器形成方波信号，方波信号送入AT89C51单片机的P3.2引脚正跳变产生外部中断。

R1、R2、和C1起滤波作用和限制流过二极管的电流。

D1、D2的作用是限幅比较器的差模输入信号以保护比较器。

R3是上拉电阻，C2是去耦电容。

由于所形成的方波信号的上跳沿超前于的基准30°，所以以线电压Uab作同步电压时就有30°的相位差，这在软件设计中要予以考虑并进行调整。

图4同步信号电路

3.晶闸管驱动电路

在本设计中，脉冲的同步由前面的同步信号电路产生，而脉冲的移相、形成和输出是由AT89C51单片机完成的。

其驱动电路如下图5所示，由单片机P1口的低六位输出脉冲通过触发电路送至晶闸管的控制极。

触发电路的功能是将控制器送来的控制信号转换成为晶闸管所需要的触发信号，该电路首先必须有隔离功能，把主控制器电路和主电路隔离开来，其次必须有较大的带负载能力，可以驱动晶闸管。

考虑到触发信号的电压隔离问题，采用了绝缘强度高、隔离效果好的脉冲变压器。

触发电路共有六路，一个周期内输出六路相角差为60°的六个驱动信号。

如下图5就是本系统中使用的触发驱动电路。

其中，光耦起着隔离控制电路与主电路的作用，晶体三极管可将CPU输出的脉冲信号放大，其工作在开关状态。

脉冲变压器一方面传递脉冲，另一方面对弱电和强电起隔离作用，脉冲变压器具有比光耦更大的驱动能力。

R4、