1 引言
三相籠型異步電動機因具有結構簡單、運行可靠、維修方便、價格便宜以及慣性小等優點而被廣泛應用于工業、農業和交通運輸等領域。隨著各領域生產機械的不斷更新和發展，對電動機的起動性能要求越來越高。由于晶閘管屬于無觸點開關，因此軟起動器具有可靠性高，靈活多變等良好的起動特性。因此本文在[1]的仿真基礎上，采用80c196kc單片機為主控cpu，研制了一套新型的數字化軟起動器。該裝置利用80c196kc實現靈活的控制功能，采用可編程邏輯器件gal芯片完成觸發脈沖的產生，數碼顯示檢測的電壓、電流值與控制參數值，參數可修改，具有限流起動、斜坡電壓起動、分級變頻起動三種起動方式，經負載實驗，效果良好。
2 硬件設計
圖1 硬件設計結構總圖
硬件設計的總體結構圖如圖1所示，三相電源通過晶閘管反并聯電路與電機相連，以80c196kc為主控cpu，接收來自同步檢測及相序判斷電路和電流檢測電路的信息，根據鍵盤電路輸入的指示決定對晶閘管門極脈沖的觸發方式，起動完成后，合上接觸器，將反并聯晶閘管旁路。
整個控制電路包括七個部分:電源電路、電流檢測電路、電壓同步檢測和相序判定電路、觸發脈沖形成和脈沖功放電路、接觸器控制電路、顯示和鍵盤電路及單片機最小系統電路。
2.1 系統控制電源
電源電路采用變壓器將380v交流電轉成220v與12v交流電，用開關電源將220v交流轉成24v直流電，經dc-dc提供＋5v、＋15v、－15v和＋24v四種電源。＋5v為單片機系統電路的工作電壓，＋15v和－15v用于同步檢測和相序檢測，＋24v為觸發電源。交流12v用于提供同步檢測信號。這樣經過三級隔離轉換可以提高電源的抗干擾能力，提高電源精度。
2.2 電流檢測電路
電流檢測電路利用霍爾電流傳感器得到的交流電流經整流電路轉換成與之成正比的直流電壓，再經過電壓跟隨器，進入80c196kc的p0.0，a/d轉換后求出與給定電流的差值，按照pid調節算法完成限流調節和過流保護。根據用戶設置的起動曲線，在程序中還可實現恒流起動。
2.3 電壓同步檢測和相序判定電路
圖2 同步檢測及相序判斷電路
電壓同步檢測和相序判定電路如圖2所示，它要向cpu提供同步和相序信號。為了減小同步電壓信號受電網干擾信號的影響，本系統采用了阻容移相電路，硬件移相約60°，所以它產生的時刻并非真正的過零點，但可以通過軟件編程減掉硬件移相的角度即可得到真正的過零點。2次同步中斷的時間間隔除以6就是6個晶閘管的觸發時間間隔。相序判定電路是判斷接入軟起動器的三相電壓是正相序還是反相序，以便正確決定觸發晶閘管的順序。根據三相電源特點，若電源相序為uvw，uv'u'超前uw'v'2π/3，當同步中斷到來時，80c196kc檢測到其p0.4腳為低電平，發第四次觸發脈沖時，檢測到p0.4腳為高電平。若電源相序為uwv，情況恰好相反，uv'u'滯后于uw'v'2π/3，當同步中斷到來時，80c196kc檢測到其p0.4腳為高電平，發第四次觸發脈沖時，檢測到p0.4腳為低電平。若2次檢測p0.4均為高或低電平，則說明電源有故障，將會進行故障處理。
2.4 觸發脈沖形成和脈沖功放電路
圖3 (a) gal16v8數字移相觸發原理電路 (b) u相驅動電路
觸發脈沖形成和脈沖功放電路如圖3所示。晶閘管的觸發采用脈沖列方式觸發，每隔60°產生一個觸發脈沖列，按一定的規律觸發相應的晶閘管。如果相序不同，觸發脈沖的順序也不同。為簡化單片機的編程，觸發順序用gal16v8可編程器件實現，使用80c196kc的6個hso高速輸出口來控制晶閘管的6個觸發時刻，另外，再用p1.6輸出相序標志，相序為uvw時，p1.6輸出低電平，相序為uwv時，p1.6輸出高電平。因觸發脈沖是高頻脈沖列，所以利用80c196kc的脈寬調制輸出端pwm0進行控制。具體的邏輯用gal16v8來實現，其u相邏輯關系如下:
！io3(u)＝pwm0＆((！p16＆(hso1＃hso2＃hso4＃hso5))＃(p16＆(hso1＃hso2＃hso4＃hso5)))
其他兩相關系類似，不再列舉。
2.5 接觸器回路
接觸器回路控制軟起動器的投入和退出運行。單片機的p1.0經7404和光耦隔離，控制交流380v回路中接觸器的通斷。
2.6 鍵盤和顯示電路
鍵盤和顯示電路是提供給用戶輸入或修改參數和顯示工作狀態的，主要由8279、74hc245和74ls138構成。五個七段數碼顯示管和四個發光二極管用來顯示參數值和狀態，小鍵盤由8個按鈕組成，分別為加、減、快進、切換、確認、運行、停車和復位。8279為通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片，它能方便地完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。這里設定的可修改的功能參數有起始電壓、起始時間、起動上升時間、軟停車時間、起動限制電流、過載電流、起動電流、觸發角大小等。
2.7 單片機小系統
單片機小系統由80c196kc, 27256eprom，74ls373，24c01構成。其中24c01作為參數存儲器用于存儲用戶設置的參數，使其在掉電時不會丟失。
3 軟件設計
圖4 主流程圖
軟件部分主流程圖如圖4，由初始化程序、鍵處理程序、同步中斷處理程序和軟件定時器中斷處理程序4大部分構成。
初始化程序負責對8279的初始化，開同步中斷以及相關存儲單元的初始化等。鍵處理程序則是根據按鍵情況修改內存中的各個參數值和標志位等以供中斷處理程序進行相應處理，并在數碼管上顯示所修改的參數值及狀態。
同步中斷處理程序和軟件定時器中斷處理程序共同完成對6個晶閘管脈沖以正確順序的觸發，起動完畢后使接觸器閉合，以及各種故障下的處理動作等。中斷處理程序可根據鍵盤輸入的起動方式選擇限流起動、斜坡電壓起動或分級變頻起動。
圖5 脈沖觸發程序流程圖
圖5是脈沖觸發的流程圖，限流起動與斜坡電壓起動除了對α的計算不同外，其它的處理流程是一樣的。限流起動的α是根據電流檢測的實際值與鍵盤輸入的給定值的差值運用pid算法計算得出，如式(1)
而斜坡電壓起動則是通過調整α使電壓線性上升，其計算公式如下:
分級變頻起動在0hz與50hz階段與斜坡電壓起動對脈沖的觸發時刻與順序處理是一樣的，直接調用它的程序即可。在25hz階段則情況不同，見圖6所示。
圖6 相序為uwv時25hz階段晶閘管的觸發順序
由圖6可知，相序為uwv時，六個晶閘管的觸發順序是在第一個子周期內只啟動hso.0，觸發w相和v相;在第二個子周期內依次啟動hso.2，觸發v相和u相，啟動hso.3，觸發v相和w相，啟動hso.4，觸發u相和w相，啟動hso.5，觸發u相和v相。同理可得出相序為uvw的觸發順序。
由以上結論得出的25hz階段脈沖觸發程序流程圖如圖7所示。
圖7 25hz階段的脈沖觸發程序流程圖
4 實驗結果
將研制出的軟起動控制器接到一臺380v，2.2kw，額定轉速為1400rpm的三相交流異步電動機上用分級變頻起動。25hz階段時間(0～10s)、50hz起始電壓(40～380v)和上升時間(0～500s)三個參數由鍵盤設定。起動的最初為25hz階段，由于延遲角α保持0°不變，所以電流波形也一直不變，其u、v、w三相電流波形如圖8(a)、(b)、(c)所示。實測電流波形與仿真結果相符。25hz階段時間到后，轉入50hz階段。50hz階段實質上就是斜坡電壓起動如圖9所示，只是起始電壓稍高，所以電流波形與斜坡電壓起動相同。
圖8 25hz階段電流波形
圖9 50hz階段電流波形
用研制出的軟起動器起動小電機后，對一臺17kw, 額定轉速為1460r/min，額定電壓為380v，額定電流為32.9a的大電機進行了實驗，主回路的晶閘管換為400a。實驗表明，電機起動電流小，起動平滑，軟起動控制器運行穩定，控制效果良好。
5 結束語
這種采用80c196kc做cpu的軟起動器具有結構簡單、無觸點、重量輕、體積小、起動電流及起動時間可控制、起動過程平滑等優點，能有效地減小電機起動時的電流沖擊。其分級變頻起動方式，使軟起動器不僅僅適用于帶風機、水泵類負載的電機，還能用于帶額定負載起動的電機，使得它擁有更為廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 佘致廷,劉志星,董 璞. 基于matlab/simubbbb動態仿真模型的電機高轉矩軟起動器研究[j]. 電氣傳動自動化，2003.3.
[2] antonio ginart, rosana esbbbler. high starting torque for ac scr controller, ieee transbbbbbbs on energy conversion[j]. vol.14,no.3,september 1999.
[3] 許宏綱,徐方逸. 軟起動器及其應用[j]. 電世界，1999，5:1～3.
[4] m.h. nehrir, speed control of three-phase induction motor by stator voltage control[j], ieee transbbbbbbs on industrial electronics and control instrumentation 1975,5:172~174.
作者簡介
佘致廷(1962-) 男 副教授 湖南大學電氣與信息工程學院自動化系在職博士,主要研究方向為電力電子及電氣傳動，工業過程計算機控制。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
