【基于80C196鼠笼式交流异步电动机软启动器的设计】 三相鼠笼异步电动机

　　摘要:介绍三相交流调压电路的软启动的原理,提出一种具有双闭环控制结构的电机控制系统。该控制系统的核心是80C196KC单片机,通过控制晶闸管导通角的变化来调节电动机的起动电流,能实现连续无级调节电机启动。采样部分采用算数平均滤波,提高系统的抗干扰性能。
　　关键词:软启动 80C196KC 双闭环控制 (算数平均滤波)
　　
　　0 引言
　　 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。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,据统计,其耗电量约占全国发电量的30%以上,与电机配套的控制设备也必将成为大家关注的焦点。电动机的控制主要包括电机的启动、调速和制动。当电动机从投入电网时,电动机从静止状态升速到达稳定运行的转速,这一过程称为启动,鼠笼式异步电动机的启动性能最重要的参数是启动电流和启动转矩。传统的电机启动方法,除小功率的电机以采用直接启动外,大、中型电机一般采用定子串电抗启动、Y-Δ启动,自耦变压器启动,延边三角形启动4种方法。所有这些还有一个共同的缺点,就是电流幅值、启动时间不可调节,由于这些诸多因素的影响,造成许多电动机的损坏,甚至烧毁,每年给国民经济造成损失,其中重要的原因电动机的启动电流过大,一般是额定值的5至7倍。软启动器(soft starter)是一种基于交流调压器原理的电力电子设备,用于实现交流电机的软启动控制。目前软启动主要有以下五种启动方式:限流启动,斜坡电压启动,转矩控制启动,转矩加突跳控制启动,电压控制启动。本文利用80C196KC的HSO口输出的占空比可调的PWM波电流信号波形,通过控制晶闸管导通角的变化来调节电动机的启动电流,从而达到电动机软启动。
　　
　　1 软启动原理
　　利用三相晶闸管可以实现三相电压的调压,其电路图见图1。
　　调压原理为:晶闸管门极的触发相序是VT1、VT3、VT5,触发相序依次滞后120°,VT4、VT6、VT2的触发相序又分别滞后于 VT1、 VT3、 VT5180°,这样,VT1―VT6依次滞后60°。当触发角改变时,三相相电压也随之变化。
　　利用调压原理来实现平稳启动电动机,其主回路原理图见图2 。
　　其工作原理为:在电动机启动开始时,Q1闭合,控制晶闸管的触发角为最大,即180°,此时,电动机的启动电流为0,逐渐减小晶闸管的触发角,使启动电流逐渐平稳的上升,当达到电动机电流的额定值后,Q2闭合,Q1断开,晶闸管电路被旁路掉,软启动装置退出运行。
　　
　　2 单片机系统的硬件设计
　　系统采用三相分支双相控制电路,可控硅触发脉冲的产生与移相由微机控制输出,经过功放电路送到可控硅的门级,速度给定信号与速度的反馈信号的偏差作为速度控制器的输入信号,而速度控制器的输出信号与电流的反馈信号的偏差最为电流控制器的输入信号,电流控制器的输入信号经过光电隔离去驱动晶闸管达到调速的目的。图3以80C196KC单片机为核心的控制系统硬件结构。
　　80C196KC是CHMOS高性能16位单片机中第二代产品有68个引脚,5个8位I/O输出口,其中P0是只用于输入的口,与A/D转换器的模拟输入端共享引脚;P1是准双向口;P2是多功能口;P3和P4可作双向口或系统总线。6个HSO输出端口,4个输入端口。有3个PWM(脉宽调制)输出。
　　2.1 同步电路
　　同步电路的功能是,在对应的晶闸管承向正向阳极电压的初始点(即控制角α的起算点)发出一个CPU能识别是哪一相同步信号的中断脉冲Utp1,CPU根据Utp1和要求的α角,进行延时控制,输出相应的触发脉冲。同步配合的原理说明如图所示。
　　触发电路的同步配合主要是依靠同步变压器及RC移相电路来实现的。要求触发电路的同步电压信号与对应的晶闸管承受的正向阳极电压同相位,或有一定的相位关系。同步电路的硬件电路:
　　 来自同步变压器的二次电压Ua、Ub、Uc与晶闸管三相全控桥的三相交流电压同相位UA、UB、UC,经RC滤波电路(附加相移300º)、波形变换、光祸隔离、整形电路后输出三相方波电压,记为KA, KB, KC。三相方波分别送给80C196KC单片机的P01口的P1.0、P1.1、P1.2端。CPU根据KA、KB、KC的值能判断三相交流电源的相位。三相方波信号经D4、D5、D6异或门电路产生6倍频的脉冲信号Utp,脉冲宽度取决于R、C电路的参数。
　　2.2 系统软件设计
　　(1)移相控制:移相控制时通过同步中断脉冲开始后的延时控制来实现的。同步中断脉冲的硬件电路前面已述。移相控制是由软件来实现的。对于工频交流电源,每个工频周期为20毫秒。因此,移相控制角α和延时时间是对应的。在96系列单片机中,由高速输出系统HSO实现延时控制不需占用CPU的处理事件。这是一大优点。
　　对应移相控制角α的延时时间常数用TA表示。经分析,在晶振频率为12Mz时,状态周期为0.25微秒,则定时器T1的计时周期为:
　　T1=80×0.25=2Μs(1)
　　那么TA与α的关系为:
　　TA==(2)
　　式(2)中,α―期望的移相控制角;当α从0°变化到180°式,TA从0变化到5000,即TA的最大值TAMM=5000。显然,通过限制TA,即可限制αmin,αmax.
　　按照模拟触发电路的思路,触发电路的控制电压Uct的关系为:
　　TA=TAMM-Uct (3)
　　式(3)中,TA的取值范围为0～TAMM。
　　TA的每一个数字表示2微秒的延时时间,对应的工频相位较为0.036。由高速输出口输出的脉冲单窄脉冲,若需要双窄脉冲,可由硬件电路实现。HSO.0―HSO.5端分别输出1～6脉冲,但这6根引脚输出地为单脉冲,经或非电路D1～D6后,输出为双窄脉冲。经光耦隔离电路、功率防大电路及脉冲变压器后输出双窄触发脉冲。例如,经TM1输出的UG1K1是由HSO.0输出的1单脉冲和HSO.1输出的2单脉冲合成的,其中HSO.1端输出的2单脉冲比1单脉冲滞后60°,也称为补脉冲
　　由此也说明,对1至6单脉冲是有相序要求的,即对同步电压Ura、Urb、Urc有相序要求。不然,如果同步电压相序不正确,会导致1双脉冲中的补脉冲(即2单脉冲)要超前1单脉冲,从而使整流器的控制角α在不同相序条件下相差60°。
　　 (2)算数平均滤波
　　 该方法是连续采样n次,然后取其算数平均值其算式为:
　　Y= (4)
　　式(4)中Y是n次采样的平均值;xi是第i次采样值;n是采样次数。这是用得最多和最简单的方法,对压力、流量等周期性信号有良好平滑作用,平滑程度取决于n的取值。n太小时,效果不太明显,特别是对于脉冲干扰更是如此。n太大,则实时性差,n的取值视生产环境而定,通常取n =4或8(即:采用n=2m的形式,m为正整数)这样,可以以右移的方法求其平均值。本系统采用四次采样,四次采样值放在8AH-8DH。
　　
　　3结语
　　本文介绍的软启动,主回路采用晶闸管三相交流调压电路,通过80C196单片机控制其导通角以实现启动过程中软特性的电压爬升,大大降低了异步电动机启动时对电网的电流冲击以及对传动机构的机械冲击,其启动电流倍数可根据需要设置,当电机轻载或空载运行时,该装置可通过降压实现节能运行,并具有完善的故障检测及保护功能。
　　 突出的优点体现在能够连续无级的调节电机启动、冲击转距和冲击电流小、控制简便、启动重复性好等方面。该系统采用速度双闭环结构,速度给定采用模拟信号,速度反馈信号由检测环节提供。电流给定由速度输出给定,反馈来自电动机的电枢电流。速度给定与反馈信号通过单片机软件编程实现A/D转换,以获得相应的数字信号,单片机对数字信号进行误差分析计算后,通过软件触发晶闸管,实现智能控制。
　　
　　参考文献
　　 [1] 袁运华等.基于80C196KC的微机电动机软启动及保护装置的研制[J].中国农村水利水电,2000 .6:55-56.
　　[2] 张浩.80C196KC单片机控制的电子软起动器硬件设计[J].《电机与电器》,2002.4:28-31.
　　[3] 徐爱卿.Intel16位单片机[M].北京航空航天大学出版社,2002.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文