基于单片机的电动机软启动控制

基于单片机的电动机软启动控制内容摘要：

的。 性能特点 ： 由热变电阻的原理可以看出： 起动初始电液阻值不可调 由于两个导电极板是固定安装，两个导电极板的间距固定不变。 起动初始时刻，电液阻值受温度的影响而变化，不同季节的温度变化及连续起动情况下每次电液初始温度的不同，均导致起动初始时刻阻值的不同。 因此，每次起动电流难以保证相同的起动特牲。 起动电流不可控、不可调 其电液箱溶液体积与浓度、极板间距一 次成型。 阻值不易调整，热变电阻一旦设置好就无法调整 ,而电液阻值是被动地随主电机电流的变化而因液温间接变化，而不是主动地改变电液阻值去控制主电机的起动电流。 在实际应用中，由于第一章 异步电动机及其启动方式 7 电机参数、工况、负载等参数与计算有一定偏差或需要调整时，这就需对阻值进行调整和在起动过程中对阻值变化进行灵活控制。 从前述的工作原理可以看出，用热变电阻实现的软起动方式，电动机起动电流不可控、不可调。 起动时间不可调 用热变电阻起动电动机，决定起动切换到全压运行的时刻，是依据对主电机电流的监测，通过开关触点的控制转换实现的。 电机起动时间的 长短根本不由热变电阻决定，依然决定于电动机及负载本身的特性。 对电网的电流冲击及对传动机构的机械冲击 热变电阻的液阻值完全是按温度的反比例关系来变化的，电液的温度既不可能无限大，电液阻值就不可能为 0。 况且实际的电液温度不会超过 800C，那么在起动切换到全压运行的时刻，电液阻值肯定不小。 因此切换至全压运行时刻，会对电网产生浪涌电流冲击，并且对电动机传动机构产生机械冲击。 总起动过程中温升明显，巨大的起动电流必然造成局部液体开锅现象，产生大量蒸汽，而液阻箱为严密封闭状态，类似高压锅，因此存在巨大的安全隐患 起动 性能差，因为热变电阻完全靠温度调节阻值，温度是人为无法控制的，二次起动时与第一次起动相比其温度发生很大变化，起动特性随之发生变化，起动电流、起动时间也相应出现偏差。 存在二次冲击现象。 由于液态电阻在常压下最高温度为 100℃，电阻率ρ不可能为零，因此极板间有一定阻值，在液阻切除时必然会造成二次冲击现象。 由于上述因素，热变电阻软起动在实际应用中存在很多限制，需满足以下条件：①非常精确的计算；②非常准确的电机负载和电网参数；③严格检测的耐高压箱体；④工况参数不能发生大的变化和调整；⑤连续起动的次数要求低；⑥起动 时间不能过长。 从严格意义上讲，热变电阻起动器并不能归类于软起动器的行列，因为热变电阻起动不能实现软起动 —— 最大限度地限制电动机的起动电流，起动过程平滑无冲击，起动性能可控可调。 它的起动性能与电抗器相比较相似，起动性能决定于电动机、电网及负载参数。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 第二章 系统组成及控制方案 （ 1）限流软起动 顾名思义，限流起动就是在电动机的起动过程中限制起动电流不超过某一设定值的软起动方式。 主要用于轻载起动的负载的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限 值，然后在保持输出电流 IIm的条件下逐渐升高电压，直到电机电压达到电机的额定电压，使电动机转速逐渐升高，直到电机转速达到电机额定转速。 这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整，起动电流的限值必须根据电动机的起动转矩来设定，如果起动电流ｈ设置过小，将会使起动失败甚至是烧毁电机，对电网电压影响小。 其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。 （ 2）电压斜坡起动 电机的电压由大到小按照设定的斜率线性上升，将传统的降压起动变有级为无级，主要用于重载起动。 它的缺点是 起动转矩小，转矩特性呈抛物线型上升，对起动不利，并且起动时间长，对电动机不利。 目前存在改进的方法是采用双斜坡起动：输出电压先迅速升至 U1， U1 为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值，然后按设定的速率逐渐升压，直至达到电机的额定电压。 初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。 这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动 时间相对较长，适用于重载起动的电机。 （ 3）脉冲突跳起动 控制器在软起动开始时首先输出一个脉冲，用于电机克服堵转力矩。 随后时间的推移控制器的输出 U下降到某一个具体的值，该数值可根据具体情况设定。 之后，控制器的输出从起始点开始按照一定斜率上升，上升的斜率和最大值均可由用户依据实际情况设定。 主要用于重载起动，它是按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压，优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，可缩短起动时间，是最优的重载起动方式。 但是，突跳的脉冲会 给电网发送尖峰干扰，干扰其它负荷，使用时应特别注意。 电机软起动的电路设计 （ 1） 软起动的原理 软起动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装置。 它不仅实现了在整个起动过程中产生无冲击而平滑的起动电 流，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动时间等。 此外，第二章 系统组成及控制方案 9 它还具有对电机的保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。 软起动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。 这种电路如三相全控桥式整流电路，主电路如图 21。 图 21 系统图 该系统主要由三部分组成： 单片机 控制部分、信号处理部分和显示部分。 单片机控制部分主要负责参数设置与修改，通过键盘输入。 电机起停过程的控制、触发脉冲角的计算、 运行状态的监视和故障保护与处理等功能皆由其完成，同时对三相电流和电压监视，实现三相电流不平衡保护、断相保护和欠电压、过电压保护。 单片机根据电路的运行状态，通过封锁晶闸管触发脉冲或断开主电路实现对电机的保 护，过内部运算 输出一定占空比的 PWM 通波，用来控制电机的起动。 信号处理部分主要负责主电路电压和电流信号的处理，并将处理后的电压送单片机进行 A/D 转换。 L E D 数码管主要用来显示起动参数设定、运行监控及故障等显示。 （ 2） 软起动电压曲线 系统采用脉冲突跳电压、电压斜坡和斜坡限流起动相结合的起动方式，起动电压曲线如图 22。 电机 电压检测 驱动电路 电流检测 键盘、显示 计算机控制系统 三相交流电 旁路接触器 启动过程 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 图 22 启动电压曲线图 电动机在刚开始起动时，由于其静摩擦很大，电动机需要较大的初始转矩才能克服静摩擦力及负载等阻力转矩才能转动起来，所以在电机的起始阶段采用脉冲突跳电压起动。 一旦电机转动后，静摩擦变为滑动摩擦，其阻力转矩反而减小了。 为了使电机在起动时获得较大的起动转矩，在电机上施加一个较高的电压脉冲，使电机获得足够的转矩，然后电机端电压再从一个设定值开始逐 渐上升，以减小电机的起动电流。 这种起动方式有效地克服了电机初始起动时因转矩过小而不能转动的现象，同时保证有较小的起动电流。 当电机克服静摩擦力起动起来后，让单片机控制晶闸管的导通角，使加到电机上的电压随着电机反电动势的变化而改变，并保 持一定的压差，这就是电压斜坡起动，电机在外加电压的作用下实现平稳起动且起动电流较小。 但是，电机在起动时，如果起动时间和起动参数设 置不合理 可能导致电动机转速上升缓慢而外加到电机上的电压较快，这时导致两者之差增大，使电机起动电流增加。 在这种方式下起动电机，当电机的起动电流未达到 设定的电流值时，电机仍然按照电压斜坡方式起动，一旦电流到达设定值时，控制系统将停止触发角的进一步减小，从而使电机端电压维持不变，此时由于电机转 速仍在上升，使反电动势继续增加，因而电机电流将会减小。 当电流下降到一定下限时，才允许触发角进一步减小，使电机端电压继续上升，这种方式可以有效的限制电机在起动过程中出现的电流最大值，这就是斜坡限流起动。 脉冲突跳电压 运行状态 启动电压 加速斜坡 U 100% 0 T 限流控制 第三章 控制系统的硬件电路 11 第三章 控制系统的硬件电路 MCS51单片机 MCS51 系列单片机主要包括 803 8051 和 8751 等通用产品，其主要功能如下： 8 位 CPU 4kbytes 程序 存储器 (ROM) 128bytes 的数据存储器 (RAM) 32 条 I/O口线 111 条指令，大部分为单字节指令 21 个专用寄存器 2 个可编程定时 /计数器 5 个中断源， 2 个优先级 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为 64kB 外部程序存储器寻址空间为 64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插 40PinDIP 封装 单一 +5V 电源供电 MCS51 以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代 “ 名机 ” ，为以后的其它单片机的发展 奠定了基础。 正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了 MCS51 单片机，象 PHILIPS、 Dallas、 ATMEL 等著名的半导体公司都推出了兼容 MCS51的单片机产品，就连我国的台湾 WINBOND 公司也发展了兼容 C51(人们习惯将 MCS51简称 C51,如果没有特别声明，二者同指 MCS51 系列单片机 )的单片机品种。 近年来 C51 获得了飞速的发展， C51 的发源公司 INTEL 由于忙于开发 PC 及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其 它厂商将其发展，最典型的是 PHILIPS 和 ATML 公司， PHILIPS 公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速 I/O 口， A/D 转换器， PWM(脉宽调制 )、 WDT 等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线 (I2C)和控制网络总线 (CAN)等功能加以完善。 PHILIPS 公司在发展 C51 的低功耗，高速度和增强型功能上作了不少贡献，当初主要由其来发展 C51 单片机，他们的 83Cxx 和 87Cxx 系列省去了并行扩展总线，适合于作为家用电器类控制的经济型单片机。 ATMEL 公司推出的 AT89Cxx 系列兼容 C51 的 单片机，完美地将 Flash(非易失淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 闪存技术 )EEPROM 与 80C51 内核结合起来，仍采用 C51 的总体结构和指令系统，Flash 的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。 Siemens 公司也沿用 C51 的内核，相继推出了 C500 系列单片机，在保持了与C51 指令兼容的前提下，其产品的性能得到了进一步的提升，特别是在抗干扰性能，电磁兼容和通信控制总线功能上独树一帜，其产品常用于工作环境恶劣的场合。 亦适用于通信和家用电器控制领域。 还有台湾的 WINBOND 公司亦开发了一系列兼容 C51 的单 片机，其产品通常具备丰富的功能特性，而且与其质优价廉在市场也占有一定的分额。 8051 是 MCS51 系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、 21 个专用控制寄存器、 4kB 的程序存储器、 128字节的数据存储器、 4组 8位的并行口、两个。