基于單片機的電機軟起動器設(shè)計

PAGEI摘要異步電機是電網(wǎng)中最主要的負(fù)荷，其起動過程中經(jīng)常會產(chǎn)生較大的起動電流，對電網(wǎng)造成沖擊，影響電網(wǎng)的安全運行。而軟起動器是一種新穎的電機控制設(shè)備。與傳統(tǒng)的電機起動方式相比，采用軟起動器的電機軟起動方式可以實現(xiàn)起動電壓的連續(xù)無級調(diào)節(jié)，限制起動電流，從而有效地改善電機的起動性能。軟起動器的應(yīng)用十分廣泛，市場前景非常廣闊。目前，國外品牌占據(jù)了我國軟起動器市場大部分的份額，而國內(nèi)的自主品牌技術(shù)實力則相對較弱。國外品牌的產(chǎn)品，知名度高、質(zhì)量可靠、種類齊全、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)完善，但是往往價格高昂，不適合大規(guī)模推廣使用。針對這一現(xiàn)狀，本文以STM32為控制核心，研究一種經(jīng)濟(jì)實惠、性能良好的異步電機軟起動器產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：軟起動器；異步電機；晶閘管燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGEIVPAGEIAbstractTheasynchronousmotoristhemainloadinthepowernetwork,andthestartingcurrentoftheinductionmotorisoftengeneratedduringthestartingprocess,andtheimpactofthepowernetworkistheimpactonthesafeoperationofthenetwork..

Thesoftstarterisanovelmotorcontrolequipment..

Comparedwiththetraditionalmotorstartingmodebysoftstartermotorsoftstartingmethodcanrealizecontinuoussteplessregulationofthestartingvoltage,limitthestartingcurrent,andthuseffectivelyimprovethemotorstartingperformance.Theapplicationofthesoftstarterisveryextensive,andthemarketprospectisverybroad.Atpresent,foreignbrandsoccupymostofthemarketshareofChina'ssoftstartermarket,whilethedomesticindependentbrandoftechnologystrengthisrelativelyweak.Foreignbrandsofproducts,thehighvisibility,variety,advancedtechnology,serviceimprovement,butoftenexpensive,notsuitableforlarge-scaleuse.Inviewofthissituation,thispapertakesSTM32asthecore,andstudiesthesoftstarterofasynchronousmotorwitheconomicalbenefits,reliablequalityandgoodperformance.Keywords：Softstarter;Asynchronousmotor;ThyristorPAGEIII目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1電機軟起動器簡介 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3本課題的目的及內(nèi)容 5第2章異步電機軟起動原理 62.1異步電機的起動過程 62.2異步電機的起動方式 92.2.1直接起動 92.2.2降壓起動 92.3軟起動器基本原理 112.4軟起動器的控制方式 132.4.1電壓斜坡控制方式 132.4.2電壓突跳控制方式 142.4.3電流限幅控制方式 152.4.4轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式 162.4.5轉(zhuǎn)矩控制方式 16第3章軟起動器硬件設(shè)計 173.1系統(tǒng)簡介 173.2系統(tǒng)主電路設(shè)計 183.2.1主電路方案的確定 183.2.2晶閘管選型 183.2.3晶閘管保護(hù)電路 193.2.4晶閘管驅(qū)動電路 203.3系統(tǒng)電壓、電流檢測電路設(shè)計 223.4單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 243.5輔助電路設(shè)計 26第4章軟起動器的仿真 294.1軟起動仿真模型 294.2異步電機的直接起動 304.3異步電機的軟起動 32結(jié)論 34參考文獻(xiàn) 36致謝 38附錄1 39附錄2 40燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章緒論PAGE4PAGE39第1章緒論1.1電機軟起動器簡介軟起動器（SoftStarter）最早是在1970年由英國人發(fā)明的，并于90年代初引入國內(nèi)，是一種實用的電機控制設(shè)備。電機的起動，是指電機接入電網(wǎng)后，電機轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高到額定轉(zhuǎn)速的過程。而軟起動，則是通過軟起動器裝置，使電機端電壓從零開始以預(yù)先設(shè)置好的函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直到起動結(jié)束機端電壓達(dá)到額定電壓、電機轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，再將軟起動器旁路的電機起動過程。其特點是起動過程平穩(wěn)，起動曲線平緩，對電機沒有沖擊，起動電流較小。異步電機的起動性能的兩個最重要的指標(biāo)是起動電流和起動轉(zhuǎn)矩[1]。軟起動器的核心組成部分是三組反并聯(lián)的晶閘管及相應(yīng)的電力電子控制回路。使用時，只需將軟起動器串聯(lián)在三相電源和三相電機之間，通過微控制器（MCU）控制晶閘管的導(dǎo)通角，就能改變受控電機的機端電壓，進(jìn)而實現(xiàn)軟起動、軟停機等各種不同的功能；通過引入電流負(fù)反饋控制，使起動電流緩慢上升，電機平穩(wěn)起動；通過調(diào)整起動參數(shù)，改變電機的起動時間以適應(yīng)電機在不同負(fù)載下的起動要求。通常，軟起動器還集成有多種電機保護(hù)功能。異步電機是電網(wǎng)中用電量最多的負(fù)荷，占電網(wǎng)負(fù)荷總量的60%以上。異步電機的起動電壓、起動電流是其起動性能中最為關(guān)鍵的兩個指標(biāo)。對于異步電機來說，起動電壓越大，電機的起動轉(zhuǎn)矩越大。如果電機的起動轉(zhuǎn)矩太小，則可能無法帶動負(fù)載。此時流經(jīng)電機的電能將完全以熱能的形式消耗在電機繞組上，時間長了就會導(dǎo)致繞組過熱而燒壞電機。而關(guān)于起動電流，起動電流越大，對電網(wǎng)的沖擊也就越大，嚴(yán)重時會造成電網(wǎng)電壓波動，危害電網(wǎng)中其它設(shè)備的正常運行。國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電機起動時所引起的電網(wǎng)電壓波動不允許超過10%[2]。同時，太大的起動電流會對電機自身造成強大的電磁力沖擊，縮短電機的使用壽命。因此，在電機的起動過程中，總是希望起動電流較小，而起動轉(zhuǎn)矩較大。傳統(tǒng)的異步電機起動方式有直接起動和降壓起動兩大類，而后者又可細(xì)分為Y-△起動、定子回路串電抗起動、自耦變壓器起動、延邊三角形起動等起動方式。采用直接起動方式時，操作最簡單且無需起動設(shè)備，起動轉(zhuǎn)矩較大，但與此同時，起動電流卻可達(dá)到電機額定電流的4～7倍，僅適用于小容量的電機；而采用降壓起動方式，盡管在一定程度上能起到限流作用，但也沒能解決問題的根本[3]。相比之下，新型的軟起動方式既能控制機端電壓，使電壓按照設(shè)定的曲線逐漸上升，又能將起動電流限制在一定范圍內(nèi)，保證電機不會受到?jīng)_擊，因此得到了廣泛的應(yīng)用[4]。從電力拖動和交流調(diào)速方面來區(qū)分，所有起動輔助裝置可以分為兩個大類：變頻起動裝置，即變頻調(diào)速器和降壓起動裝置。軟起動器有多種控制類型，一般可分為電壓控制型、電流控制型和轉(zhuǎn)矩控制型，而前者又可歸為傳統(tǒng)型。電壓控制型軟起動器控制的是電壓，為開環(huán)控制方式，容易實現(xiàn)，價格低廉，但性能一般，存在起動電流過大、電機發(fā)熱嚴(yán)重、起動速度曲線為二次曲線等缺陷。電流控制型軟起動器控制的是電流，控制方式為閉環(huán)，通過限制電機起動中的定子電流實現(xiàn)軟起動，實現(xiàn)較為容易，且性能良好。轉(zhuǎn)矩控制型軟起動器則以電機的電磁轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo)，轉(zhuǎn)矩的加速度在起動過程中始終為恒定值，因此起動速度可以線性增加到額定轉(zhuǎn)速，從而大幅減小機械沖擊和機械應(yīng)力，延長電機的使用壽命。但此種方法檢測裝置較為復(fù)雜，成本高。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外發(fā)達(dá)國家的軟起動器產(chǎn)品，主要是固態(tài)軟起動裝置和兼作軟起動的變頻器。許多知名的電氣公司都擁有各種不同型號、性能的軟起動器系列產(chǎn)品或成套的電機軟起動設(shè)備，如瑞士的ABB（AseaBrownBoveri）、德國的西門子（Siemens）、美國的通用電氣（GeneralElectric）、丹麥的丹佛斯（Danfoss）、法國的施耐德（Schneider）等。其中，ABB和西門子處于領(lǐng)先地位，它們的銷售額在國際軟起動器市場中長期占據(jù)著前兩名[5]。國內(nèi)也有不少公司加入了同類的軟起動器研發(fā)，如上海索肯和（Hapn）、上海雷諾爾（Renle）、長沙奧托（Ata）、浙江九康、山西科達(dá)（Keda）、深圳普傳（Powtran）、西安西普（Westpow）等。目前，在我國軟起動器的國內(nèi)外品牌競爭格局中，國內(nèi)自主品牌的市場占有率已達(dá)40%，并有逐年上升的趨勢。國內(nèi)自主品牌正逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是在低壓軟起動器領(lǐng)域。特別地，在我國自主品牌的內(nèi)部競爭中，僅索肯和平、雷諾爾、奧托等三家公司的市場份額就超過了其它國內(nèi)自主品牌的總和，在國內(nèi)全部品牌競爭中占有率超過了30%。從短期來看，由于國外電氣設(shè)備供應(yīng)商具有先進(jìn)的技術(shù)、可靠的質(zhì)量、完善的銷售渠道、優(yōu)秀的售后服務(wù)等優(yōu)勢，軟起動器的市場競爭格局不會有大幅改變。但隨著軟起動器技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)自主品牌的市場占有率逐步提高，國外品牌在我國的市場份額將有所下降。下面僅以ABB公司和索肯和平電氣公司的軟起動器為例分別介紹國內(nèi)外軟起動器產(chǎn)品的功能和特點。ABB公司是位居全球500強之列的電力和自動化技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，其主要軟起動器產(chǎn)品為PST、PSTB系列。它們是針對鼠籠式異步電機的軟起動/軟停止而設(shè)計的，具有完善的電機保護(hù)功能。兩者的區(qū)別在于后者內(nèi)置了旁路繼電器，可在緊急情況下直接起動電機。PST系列軟起動器除了具有起動/停止功能外，還集成了多種保護(hù)功能，如過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、電機欠壓保護(hù)、過電流保護(hù)、三相失衡保護(hù)、缺相保護(hù)、SCR過載保護(hù)、PTC輸入電機溫度保護(hù)等。該系列軟起動器幾乎能夠檢測、顯示所有的故障類型，如頻率故障、缺相故障、旁路繼電器不分?jǐn)?吸合故障、SCR短路故障、SCR不導(dǎo)通故障、沖擊電流故障等。索肯和平公司是一家以數(shù)字智能電機軟起動器為支柱的科技型企業(yè)，其主要的軟起動器產(chǎn)品為HPISH、HPISD、HPISE、HPS2D/DH、HPS2DN及HPMV-DN系列軟起動器。所有產(chǎn)品中，又以HPS2DN系列最為有名。HPS2DN系列調(diào)壓、限流式智能電機軟起動器是HPS2S、HPS2D/DH系列的升級產(chǎn)品，可適用于額定電壓為230V、400V的低壓電機，或額定電壓為500V、690V的中壓電機，最大控制功率為800kW；既可應(yīng)用于常規(guī)負(fù)荷，又可應(yīng)用于重負(fù)荷。對于重負(fù)荷應(yīng)用，建議選擇比電機額定功率大一個等級的軟起動器。HPS2DN系列軟起動器可以設(shè)定13個工作參數(shù)，包括起動器滿負(fù)荷電流、電機滿負(fù)荷電流、初始電壓、電流限制參數(shù)、雙重調(diào)節(jié)參數(shù)、節(jié)能參數(shù)、速度反饋和線性加速參數(shù)等。同時，該系列軟起動器還具有18種電機保護(hù)功能，包括起停頻繁度限制、失速保護(hù)、電子過載保護(hù)、欠流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、晶閘管短路保護(hù)、散熱片過熱保護(hù)等。隨著國內(nèi)軟起動器技術(shù)的進(jìn)步，一些優(yōu)秀的國內(nèi)自主品牌正不斷向國際品牌靠攏；在核心器件、控制芯片、管理軟件的采用方面，與國際先進(jìn)水平的差異程度正逐漸降低。相比國外品牌，國內(nèi)自主品牌在設(shè)計方面更加符合國人的習(xí)慣，如電壓工作范圍寬、溫度適用范圍廣、界面漢化效果好、有中文提示功能等。在控制軟件方面，國內(nèi)自主品牌可以根據(jù)客戶情況有針對性地開發(fā)和修改，對行業(yè)特殊需求能做到個性化處理、快速響應(yīng)，滿足不同用戶的需求。與此同時，國內(nèi)自主品牌與國外優(yōu)勢品牌之間仍存在著一定的差距，具體表現(xiàn)在：（1）技術(shù)實力有待增強這主要表現(xiàn)為產(chǎn)品線覆蓋面不寬、可靠性較差，配套的電氣控制設(shè)備很少[6]。國內(nèi)自主品牌難以覆蓋各電壓等級、各功率段，缺乏產(chǎn)品協(xié)同優(yōu)勢。國外知名品牌的故障率大都在3%左右，而絕大部分國內(nèi)自主品牌的故障率在7%以上，表現(xiàn)最好的也有4%～5%的故障率。另外，國外知名品牌如ABB和西門子還提供電力和冶金的全套電氣設(shè)備及整體解決方案，這是國內(nèi)自主品牌所無法企及的。（2）產(chǎn)品知名度有待提高國外品牌長期占據(jù)著我國軟起動器市場的大部分份額，其可靠的質(zhì)量、穩(wěn)定的性能在客戶中贏得了良好的口碑。而國內(nèi)自主品牌的歷史不長、綜合實力較弱，加上其產(chǎn)品進(jìn)入市場的時間較短，難以改變國外品牌先入為主的格局。想要得到客戶的青睞，不僅需要企業(yè)自身的不斷努力，還需要經(jīng)得起時間的考驗。1.3本課題的目的及內(nèi)容異步電機的軟起動器具有其它起動方式難以比擬的優(yōu)越性，能夠廣泛應(yīng)用在動力、能源、冶金、電力等諸多領(lǐng)域，市場前景十分廣闊。目前，國內(nèi)軟起動器市場主要被國外知名品牌所占據(jù)。國外品牌雖然質(zhì)量可靠，但價格昂貴，性價比不高；而國內(nèi)品牌則雖技術(shù)相對落后，但成本低，且技術(shù)正不斷向國際品牌靠攏。針對這一現(xiàn)狀，本文以STM32為控制核心，研究一種經(jīng)濟(jì)實惠、質(zhì)量可靠、性能優(yōu)異的異步電機軟起動器產(chǎn)品。本文研究和探討的問題主要包括以下幾個方面：（1）在軟起動器概念的基礎(chǔ)上，對比軟起動器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究異步電機的起動特性，了解異步電機常見起動方式/制動方式的原理，比較各種起動方式的優(yōu)缺點，深入理解軟起動器的調(diào)壓原理以及軟起動的優(yōu)勢。（2）進(jìn)行軟起動器的硬件設(shè)計，包括核心微控制器（MCU）的選擇、MCU最小系統(tǒng)的設(shè)計、主電路的設(shè)計及關(guān)鍵器件晶閘管的選型與保護(hù)，研究一種具有同步信號檢測、缺相保護(hù)、過欠壓保護(hù)功能的電壓檢測電路，設(shè)計完善電流檢測回路、輔助電源系統(tǒng)、晶閘管驅(qū)動電路和顯示電路等。（3）進(jìn)行軟起動器的軟件設(shè)計，包括主程序、同步信號中斷服務(wù)子程序、增量式PI設(shè)計、限流起動程序、電壓斜坡起動程序、觸發(fā)脈沖延時子程序等，深入研究各程序的工作原理和流程圖，以及程序設(shè)計過程中需要注意的地方。（4）運用仿真軟件對軟起動器交流調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，建立軟起動器直接起動和軟起動方式的仿真模型，設(shè)計各仿真模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定各項仿真參數(shù)，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。第2章異步電機軟起動原理PAGE38第2章異步電機軟起動原理2.1異步電機的起動過程為了研究異步電動機改變電壓時的機械特性，進(jìn)而分析異步電動機的起動電流、起動轉(zhuǎn)矩和電機端電壓的關(guān)系，就要研究電機的數(shù)學(xué)模型，對于電機的軟起動而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型[7]。根據(jù)電機學(xué)知識，在下述三個假定條件下：1)忽略空間和時間諧波；2)忽略磁飽和；3)忽略鐵損；異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2-1所示：圖2-1異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路r1、r2＇為定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相的電阻；x1、x２＇為定子繞組每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；ｒｍ為定子鐵心損耗所對應(yīng)的等效電阻；xｍ為定子繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即空載試驗測得的勵磁電感；Ｕ１為定子相向電壓，I1為定子相電流?；赥等效電路的數(shù)學(xué)模型為：(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)由T型等效電路可知，異步電機從電源輸入的電功率P1，其中一部分消耗在定子繞組的電阻上而成為定子銅耗Pcu1；一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗Pfe。剩余的大部分通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場傳遞到轉(zhuǎn)子，成為電磁功率Pem。則Pem為：(2-5)電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：(2-6)其中，為同步角速度，為轉(zhuǎn)子機械角速度，Pem為機械功率。由式（2-5）和（2-6）得：(2-7)根據(jù)T型等效電路可知：(2-8)由式(2-7)與(2-8)，可得出：(2-9)剛起動時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，起動轉(zhuǎn)矩為：(2-10)根據(jù)式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)、式(2-4)可得：(2-11)在異步電動機里，因為rl<<xl，rm<<xm故可以省去rl和rm，則上式可表示為：(2-12)剛起動時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，由于激磁電流相對較小，近似為1，所以起動電流為：(2-13)由式(2-10)和式(2-13)可知，起動轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方，而起動電流與定子電壓成正比。起動電壓較低時，起動轉(zhuǎn)矩較小，電流也較??；反之，起動電壓越高，則起動轉(zhuǎn)矩越大，同時起動電流也越大。2.2異步電機的起動方式2.2.1直接起動直接起動，即全壓起動，起動時通過繼電器、接觸器或刀閘直接將異步電機投入電網(wǎng)中，電源電壓直接加到異步電機的定子繞組上，使異步電機在額定電壓下進(jìn)行起動。起動設(shè)備和操作都比較簡單是直接起動最大的優(yōu)點。然而，起動電流大是直接起動最大的問題，從上節(jié)中對異步電機模型的分析可知，當(dāng)三相異步電機直接起動，電機剛接入電網(wǎng)時，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)差率s=1，起動電流相當(dāng)于是短路電流，此時會產(chǎn)生較大的電流沖擊。下面分析電流沖擊對系統(tǒng)的影響：（1）較大的起動電流對電機本身的影響。當(dāng)異步電機定子中流過較大電流時，能量會以熱量形式消耗在電機繞組上，使電機內(nèi)部溫度升高。對于不頻繁起動的電機來說，短時的發(fā)熱影響不大；但對于頻繁起動的電機來說，頻繁的過電流可能會使電機內(nèi)部發(fā)熱嚴(yán)重而損壞電機，但是只要對電機每小時的起動最大次數(shù)加以限制，也是可以進(jìn)行直接起動的。（2）較大起動電流對供電網(wǎng)絡(luò)的影響。整個供電網(wǎng)絡(luò)的容量相對于一個三相異步電機來說是相當(dāng)大的，但是對異步電機直接供電的子網(wǎng)絡(luò)相對于異步電機來說容量卻是有限的，因為這個子網(wǎng)絡(luò)的容量是根據(jù)其負(fù)載的容量設(shè)計的。異步電機起動時會產(chǎn)生較大的起動電流，若子網(wǎng)絡(luò)容量足夠大，此較大的起動電流對子網(wǎng)絡(luò)輸出電壓影響不大（子網(wǎng)絡(luò)壓降△U<5%），這時是允許電機直接起動的；若子網(wǎng)絡(luò)容量相對較小，較大的起動電流會使子網(wǎng)絡(luò)輸出電壓產(chǎn)生較大的降落，超過了規(guī)定值，這不僅將會對電機本身的起動產(chǎn)生不良影響，還可能會影響同一網(wǎng)絡(luò)上其他用電設(shè)備的正常工作，因此此時直接起動異步電機是不允許的。對于電網(wǎng)容量足夠大，當(dāng)起動電流不至于引起顯著的電壓降落時，應(yīng)優(yōu)先采用直接起動的方式[8]。2.2.2傳統(tǒng)降壓起動常用的傳統(tǒng)降壓起動方式有：1.定子回路串電抗起動交流異步電機定子串電抗降壓起動，適用于中等功率的電動機。這種起動方式是起動時，將三相電抗器串入交流電機的定子回路中，待起動完成后再用接觸器或繼電器將電抗旁路掉。由于起動時定子繞組串入的電抗器，起動時加在定子繞組上端電壓降低，一般為額定電壓的0.5倍左右，因此減小了起動電流。但此時起動轉(zhuǎn)矩也下降為額定電壓下起動轉(zhuǎn)矩的1/4左右，所以，該種起動方式僅適用于對起動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合，如異步電機空載或輕載起動。除此以外，定子回路串電抗降壓起動還存在著以下缺點：(1)起動特性很難優(yōu)化。其原因是制造起動器時電抗值是固定的，以后很難調(diào)整；(2)頻繁起動場合下起動特性欠佳。因為起動過程中電抗值會隨著其溫度的變化而變化，若要保持相同的起動特性需待電抗器冷卻后方可進(jìn)行下一次起動；(3)當(dāng)串接電阻器時，由于電阻上有較大的有功功率損耗，對于系統(tǒng)來講效率是比較低的；(4)對于經(jīng)常變化負(fù)載的三相異步電機不能提供有效的軟起動。2.星—三角起動星形—三角形起動只適用于正常運行時定子繞組接成三角形的電機。起動時定子繞組先接成星形，此時定子每相電壓可降為電源電壓1/，起動完畢后再換接成三角形，從而可以實現(xiàn)降壓起動。星形—三角形接法起動設(shè)備和操作都非常方便，僅僅比直接起動方式多了一組接觸器或繼電器，因此Y形系列產(chǎn)品中4kW以上的電動機定子繞組都按三角形接法設(shè)計，以便采用星形—三角形起動方式。星—三角起動器也有以下的限制：(1)無法控制電流和轉(zhuǎn)矩的下降。星—三角起動中每相繞組的相電壓降為電源電壓的1/，所以電機的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩均變?yōu)轭~定電壓起動時的1/3；(2)星—三角起動只能分兩級起動異步電機，當(dāng)起動器從星形接法切換到三角形接法時，仍會出現(xiàn)二次電流和轉(zhuǎn)矩沖擊，且起動轉(zhuǎn)矩較小，只適用于異步電機的空載或輕載起動。3.自藕變壓器降壓起動該起動方式是利用一臺降壓式的自藕變壓器，起動時將自耦變壓器串接在三相電源與異步電機之間，降低定子繞組上的電壓，限制異步電機起動電流，等待起動完成后，再把自耦變壓器旁路掉，將電機直接接到額定電源上。若自藕變壓器原、副邊電壓之比為K，則自耦變壓器起動時起動電流為額定電壓下的1/K2，同時起動轉(zhuǎn)矩也下降到額定時的1/K2?？梢?，自藕變壓器起動和星形—三角形起動具有相同的性質(zhì)，不過前者對運行時為星形接線或三角形接線的三相起步電機均適用，而且自藕變壓器的變比K，在一定范圍內(nèi)可調(diào)，這是自耦變壓器起動相對于星形—三角形起動的主要優(yōu)點。但是這種起動方式也同樣受到一定的限制：(1)與星—三角起動相同，分級起動方式會引起轉(zhuǎn)矩二次波動；(2)自耦變壓器體積大、重量大、成本高；(3)對于經(jīng)常變化負(fù)載的三相異步電機不能提供有效的軟起動。2.3軟起動器基本原理晶閘管電機軟起動器，也稱之為可控硅電機軟起動器，或固態(tài)電子式軟起動器，它是一種集電動機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多重保護(hù)功能于一體的新穎電動機控制裝置，它的出現(xiàn)引起了人們的廣泛關(guān)注，它不僅有效解決了電動機起動過程中電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊問題，還可以根據(jù)應(yīng)用條件的不同設(shè)置其工作狀態(tài)，有很強的靈活性和適應(yīng)性。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，科學(xué)技術(shù)日新月異，智能控制系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時也提出了更高的要求?，F(xiàn)代晶閘管電機軟起動器通常由微型計算機作為其控制核心，因此可以方便的滿足技術(shù)進(jìn)步的要求，所以，電動機的軟起動器正在中國得到越來越廣泛的應(yīng)用。在交流電源供電和電動機之間接入晶閘管調(diào)壓電路，就可以通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來達(dá)到改變電機端電壓的目的。在晶閘管交流調(diào)壓系統(tǒng)中晶閘管可以采用負(fù)載電流波形過零而自關(guān)斷的換流方式，不需要附加額外的換流電路，所以其主要優(yōu)點是電路簡單，調(diào)壓裝置體積小，價格低廉，使用和維護(hù)方便。圖2-2所示每兩個晶閘管反并聯(lián)連接再串聯(lián)到一相當(dāng)中，稱之為一個橋臂，采用三個橋臂即六個晶閘管就組成了三相晶閘管交流調(diào)壓電路。圖2-2晶閘管交流調(diào)壓電路根據(jù)異步電機的定子電流公式：（2-14）可以看出，異步電機的定子電流與定子電壓成正比。因此，通過調(diào)節(jié)定子電壓U1可以減小起動電流。交流調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡單的調(diào)速方法，早在二十世紀(jì)50年代就有人在異步電動機定子回路中串入飽和電抗器，以及在定子側(cè)加調(diào)壓變壓器以實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。電力電子技術(shù)的發(fā)展，使我們能應(yīng)用工作在“交流開關(guān)”狀態(tài)的晶閘管元件來實現(xiàn)交流調(diào)壓調(diào)速。晶閘管軟起動器正是應(yīng)用了交流調(diào)壓調(diào)速的原理，它的主電路結(jié)構(gòu)形式同晶閘管三相交流調(diào)壓電路完全一致，它利用晶閘管的可控導(dǎo)通特性，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角α來改變實際加在電動機定子上的電壓有效值，從而減小電動機的起動電流，從而實現(xiàn)軟起動。晶閘管軟起動器不同于一般交流調(diào)壓調(diào)速裝置之處在于晶閘管軟起動器通常只在起動和停車過程中起作用，正常工作時處于全壓狀態(tài)或者淺調(diào)速狀態(tài)，因此，可以說晶閘管軟起動器就是交流晶閘管調(diào)壓調(diào)速的一種特例。2.4軟起動器的控制方式由于軟起動器是一種集電力、電子、電氣、電動機、控制和計算機技術(shù)于一體的新型電氣產(chǎn)品，因此，其技術(shù)的發(fā)展無一不是伴隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展?？v觀軟起動器控制技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個階段。早起的軟起動器由于采用的是分立器件來控制，因此功能比較單一，控制方式也比較少，一般都僅有開環(huán)電壓斜坡控制方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，閉環(huán)電壓、電流控制方式出現(xiàn)。比較具有代表性的是電流限幅控制方式，在此基礎(chǔ)上又衍生出電流斜坡、突跳轉(zhuǎn)矩、電壓斜坡加電流限幅等控制方式。另外，在一些特殊場合轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制也有應(yīng)用。第三階段閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制為代表，此外還有一種特例就是分級變頻控制，這種控制方式將變頻器的設(shè)計思想融合到了軟起動器當(dāng)中，雖然存在一些缺陷，但特點還是十分鮮明的。而目前，軟起動器控制技術(shù)的發(fā)展正在經(jīng)歷第四個發(fā)展階段，眾多廠商和科技工作者正在不斷研究，致力于將一些現(xiàn)代控制理論，如模糊控制、自適應(yīng)控制、智能控制等技術(shù)逐步應(yīng)用到軟啟動器上，使軟起動器的性能得到進(jìn)一步提高。下面就上述部分控制技術(shù)的原理和特性分別加以討論。2.4.1電壓斜坡控制方式電壓斜坡控制方式是一種開環(huán)控制方式，是軟起動器最早的起動方式。這種控制方式的系統(tǒng)中，沒有閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。電流采樣環(huán)節(jié)只用來作晶閘管過電流保護(hù)用，電壓采樣環(huán)節(jié)僅采樣電源電壓過零點，以提供移相觸發(fā)的同步基準(zhǔn)。圖2-3電壓斜坡方式電壓、電流圖如圖2-3電壓斜坡控制方式中，它的電壓按預(yù)先設(shè)定好的曲線變化，其斜率由斜坡上升時間t決定，另外，當(dāng)起動之初電壓低于一定值時，電動機轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機并不能運轉(zhuǎn)，反而會使電動機發(fā)熱，因此，電壓斜坡控制方式下軟起動器輸出電壓不是從零開始上升，而是有一個初始電壓U0，這個電壓通常需要根據(jù)負(fù)載特性設(shè)定成能使電動機運轉(zhuǎn)所需的最小電壓值。電壓斜坡方式也可以設(shè)置兩個起動斜率，使電動機分段按不同的電壓上升斜率起動，以使負(fù)載的適應(yīng)性更強。電壓斜坡控制方式作為一種開環(huán)控制方式，它的起動效果收到負(fù)載和電源變化的影響較大，因此無法準(zhǔn)確的獲得所希望的起動效果，往往需要反復(fù)調(diào)試才能達(dá)到比較滿意的起動效果。電壓斜坡方式適合風(fēng)機和水泵類大慣性負(fù)載。2.4.2電壓突跳控制方式電壓突跳控制方式，也稱為轉(zhuǎn)矩突跳控制方式。這種控制方式只是其它控制方式的一種擴展或附加功能。它不能獨立使用，必須同其他控制方式復(fù)合使用。例如，同電壓斜坡起動方式復(fù)合使用，構(gòu)成“電壓斜坡加突跳轉(zhuǎn)矩”控制方式。由于電壓突跳控制方式的特點，決定了起動之初電流、轉(zhuǎn)矩沖擊是不可避免的，因此，這種模式只能在特定的場合使用，同時，對于突調(diào)電壓和突調(diào)時間應(yīng)加以限制，以避免過大的沖擊。2.4.3電流限幅控制方式圖2-4電流限幅方式電壓、電流圖由于電壓斜坡是開環(huán)控制，因此斜坡上升率不能隨系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，往往會使電流超出所希望的值，因此發(fā)展了電流限幅控制方式。在這種控制方式中，系統(tǒng)增加了一個閉環(huán)電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。電流采樣環(huán)節(jié)不僅用來作晶閘管過電流保護(hù)用，而且參與了電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。電流限幅控制方式電壓、電流曲線如圖2-4所示。電流限幅起動控制方式作為一種閉環(huán)控制方式，起動過程可以不斷的采樣和調(diào)整軟起動器的輸出電流，電動機的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩由電流限幅值IMAX決定，受電網(wǎng)與負(fù)載變化影響小。這種起動方式，控制量只有一個Imax，這個控制量的設(shè)置與電網(wǎng)容量、負(fù)載輕重、負(fù)載工藝有關(guān)。電流限幅起動方式特別適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它可以設(shè)置電流上限，在電網(wǎng)容量有限的場合使電機以最小的起動電流快速起動。2.4.4轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式實際是轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制方式，這種控制方式已不是什么新鮮事物了，它早已被應(yīng)用于晶閘管交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，目的是為了提高晶閘管交流調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速精度與運行的穩(wěn)定性。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，晶閘管交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)屬于一種比較原始的調(diào)速形式，其主要缺點是在低速運行時電動機的轉(zhuǎn)差損耗大，使電動機的發(fā)熱嚴(yán)重，效率隨之降低。所以僅僅適用于一些屬短時與重復(fù)短時作深調(diào)速運行的負(fù)載。2.4.5轉(zhuǎn)矩控制方式由于大型感應(yīng)電機在起動過程后期，功率因數(shù)變化很快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速常常超過同步轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一個衰減振蕩過程才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)運行點，電動機的負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量越小就越容易發(fā)生振蕩，這種現(xiàn)象稱為“超標(biāo)”。對于采用電流閉環(huán)控制方式的軟起動器，PI調(diào)節(jié)器的輸出隨電流的下降，反而會輸出更大，控制觸發(fā)角迅速推進(jìn)至全壓，使得電動機輸出轉(zhuǎn)矩過沖，造成系統(tǒng)振蕩。于是研究者開發(fā)出一些新的控制方法來克服這個問題，這就出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制和模糊控制等控制方式。轉(zhuǎn)矩控制最典型的應(yīng)用是在水泵控制上。采用轉(zhuǎn)矩斜坡控制可以實現(xiàn)泵控制功能，泵控制功能能夠抑制水泵起動和停止時造成的水錘，減輕管路系統(tǒng)的振動，降低流體對設(shè)備的沖擊。第3章軟起動器硬件設(shè)計第3章軟起動器硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)簡介軟起動器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3—1所示，主要包括三相反并聯(lián)晶閘管、單片機最小系統(tǒng)、電壓檢測電路、電流檢測電路、晶閘管驅(qū)動電路、繼電器控制電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示模塊、485通信電路等。圖3-1軟起動器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該控制系統(tǒng)以高性能的32位stm32f103單片機作為控制核心,附以電壓、電流檢測電路、脈沖觸發(fā)電路等。電源電壓經(jīng)過比例衰減直接送入MCU，MCU根據(jù)輸入電壓波形確定相電壓過零點及輸入電壓有效值。電機電流采樣電路把電動機工作電流進(jìn)行調(diào)節(jié)和放大,使得輸出信號滿足stm32f103單片機內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換的要求，通過電流反饋值確定觸發(fā)脈沖移相角，進(jìn)而發(fā)出觸發(fā)命令，觸發(fā)脈沖經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動晶閘管。鍵盤設(shè)置和液晶顯示使本控制系統(tǒng)具有良好的人機交互界面,在電動機運行前或運行過程中，可以靈活地設(shè)置控制和運行參數(shù)。3.2系統(tǒng)主電路設(shè)計3.2.1主電路方案的確定軟起動器主電路采用三相交流調(diào)壓電路，如圖3-2所示。采用6個晶閘管連接成三對反并聯(lián)電路來實現(xiàn)。圖3-2三相交流調(diào)壓電路3.2.2晶閘管選型在選擇晶閘管時,必須認(rèn)真考慮其參數(shù)特性。近些年來我國電力電子技術(shù)突飛猛進(jìn)，國產(chǎn)晶閘管質(zhì)量可靠，價格低廉，為支持國貨，選用國內(nèi)自主品牌晶閘管。由于晶閘管工作時可能會遭受到一些難以預(yù)測的瞬時過電壓,為了確保管子安全運行,在選用晶閘管時應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值的2-3倍[9]。電機為380v三相異步電機時,晶閘管的額定電壓US的選擇由式(3-1)決定:(3-1)晶閘管工作在交流電路時,其通態(tài)額定電流是電流指有效值。例如15kW的異步電機,額定電流IN為:(3-2)異步電機直接時起動電流可以高達(dá)額定電流的4-7倍,但在軟啟動器系統(tǒng)中起動電流將會被限制到額定電流的2-4倍，則晶閘管的額定通態(tài)電流為:(3-3)綜上所述，本文最終選擇了常州瑞華公司生產(chǎn)的MTC95-12型相控晶閘管，其額定重復(fù)峰值電壓VDRM為1200V，額定通態(tài)平均電流IT(AV)為95A，滿足系統(tǒng)要求。3.2.3晶閘管保護(hù)電路晶閘管三相交流調(diào)壓電路在運行時可能會出現(xiàn)一些影響器件穩(wěn)定運行的因素，這些因素主要有：1.晶閘管在開通時過高的di/dt會造成器件的損壞。2.在正向阻斷狀態(tài)下，晶閘管陽極和陰極承受的過高的du/dt，可能會引起器件誤導(dǎo)通，使電路工作不正常。3.器件關(guān)斷過程中載流子積蓄效應(yīng)引起的反向過電壓，會使器件反向擊穿而損壞。4.過流及短路時過高的浪涌電流將造成器件過熱失效。5.電器開關(guān)操作不當(dāng)可能會導(dǎo)致器件擊穿而永久失效。為使電路安全可靠運行，必須設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施[10]。1.系統(tǒng)硬件設(shè)計中,過電壓保護(hù)采用RC阻容吸收回路。在每一個晶閘管的兩端都需并聯(lián)上RC阻容吸收回路，利用電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制過電壓；串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓能量，同時能抑制L-C回路的振蕩。阻容吸收電路參數(shù)可按表3－1提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)值選擇，電容耐壓一般選取晶閘管電壓的1.1～1.5倍。電阻功率的選擇按（3-4）式計算：（3-4）式中f為頻率，單位Hz；P為功率，單位W；C為與電阻串聯(lián)的電容，單位uF；UN為晶閘管工作峰值電壓，單位V。表3-1晶閘管阻容電路經(jīng)驗數(shù)據(jù)額定電流（A）1020501002005001000電容C（uF）0.250.512電阻R（Ω）10080402010522.RC阻容吸收回路只能吸收短時間且電壓不高的過電壓，對于發(fā)生雷擊或因電器開關(guān)操作等其它原因引起的能量較大且持續(xù)時間較長的過電壓，RC回路不能抑制，這種過電壓的抑制就要用壓敏電阻了。壓敏電阻標(biāo)稱電壓的選擇根據(jù)式（3-5）選擇。其中V1為標(biāo)稱電壓，VN為工作電壓的有效值。（3-5）3.晶閘管串聯(lián)快速熔斷器保護(hù)短路故障。電路出現(xiàn)短路時，器件中可能流過很大的浪涌電流，其幅值越大，器件能承受的時間就越短。而且一旦短路，除用與晶閘管串聯(lián)的快速熔斷器迅速切斷故障電流外，用任何其它辦法都無法有效保護(hù)晶閘管。因此熔斷器的特性必須與晶閘管配合：正常運行和輕微過載時，熔斷器不能工作；但只要出現(xiàn)大的浪涌電流，它必須在晶閘管損壞前動作，以切斷短路電流?？焖偃蹟嗥鞯念~定電流一般取為晶閘管額定電流的2～3倍，同時其熱效應(yīng)值i2t必須小于晶閘管的熱效應(yīng)值i2t。綜上所述，本文中所選RC吸收回路中選擇75Ω、功率15W的水泥電阻；選擇0.15uF耐壓1200V的陶瓷電容；選擇壓敏電阻型號為EPCOSS20K460；選擇額定電流為100A的快速熔斷器。3.2.4晶閘管驅(qū)動電路對晶閘管交流觸發(fā)導(dǎo)通角的控制，過去通常采用模擬電路的移相觸發(fā)方式，其缺點是：以分離元件為主，或用線性小規(guī)模集成電路，這樣的電路元件多，體積大，不易調(diào)整，且移相角容易漂移，控制精度和可靠性差。所以本文采用的是一種以ARM系列stm32f103rbt6單片機為控制核心，構(gòu)成數(shù)字觸發(fā)器的數(shù)字觸發(fā)方式。在整個軟起動器系統(tǒng)中，觸發(fā)電路的基本作用是在確定的時刻向?qū)?yīng)的晶閘管提供門極電流使其導(dǎo)通。晶閘管對門極觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖應(yīng)能滿足一些基本要求：（1）觸發(fā)信號可以是交流、直流或脈沖，但觸發(fā)信號只能在它使控制極為正、陰極為負(fù)的時候起作用。由于晶閘管在觸發(fā)導(dǎo)通后控制極就失去控制作用，為了減少控制極損耗，故一般觸發(fā)信號常采用脈沖形式。使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗；還可通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號間的絕緣隔離和同步傳輸。（2）觸發(fā)脈沖必須有足夠的電壓和電流。晶閘管屬于電流控制器件，為保證足夠的觸發(fā)電流，考慮裕量，一般可取兩倍左右門極觸發(fā)電流。（3）觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)要求觸發(fā)脈沖消失前陽極電流已大于掣住電流，以保證晶閘管的導(dǎo)通。對于單相電阻負(fù)載，由于一般晶閘管開通時間為6us，應(yīng)要求脈寬大于10us，最好有20～50us[11]。電感性負(fù)載脈寬不應(yīng)小于100us，與負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)，本次設(shè)計中觸發(fā)脈寬為500us。（4）觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須同步并有一定的移相范圍[12]。為了使晶閘管在每一周波都能重復(fù)在相同的相位上觸發(fā)，觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須保持某種固定相位關(guān)系。同時，觸發(fā)延遲角應(yīng)能根據(jù)控制信號的要求改變，即控制角α應(yīng)有一定的移相范圍。在本設(shè)計中，脈沖的同步與脈沖的移相、形成和輸出均是由stm32f103單片機完成的，這在后面軟件設(shè)計中會詳細(xì)介紹。由單片機3路通用I/O口輸出的脈沖必須通過觸發(fā)電路送至晶閘管的控制極。觸發(fā)電路的功能是將控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)換成為晶閘管所需要的觸發(fā)信號，該電路首先必須有隔離功能，把主控制器電路和主電路隔離開來，其次必須有較大的帶負(fù)載能力，可以驅(qū)動晶閘管?？紤]到觸發(fā)信號的電壓隔離問題，采用了絕緣強度高、隔離效果好的脈沖變壓器。觸發(fā)電路共有三路，一個周期內(nèi)輸出六路相角差為60°的驅(qū)動信號。圖3-3就是本系統(tǒng)中使用的晶閘管驅(qū)動電路。圖3-3晶閘管驅(qū)動電路脈沖變壓器一方面?zhèn)鬟f脈沖，另一方面對強電和弱電起隔離作用，脈沖變壓器具有比三極管更大的驅(qū)動能力。本次設(shè)計中使用單輸入、雙輸入的脈沖變壓器，即兩個反并聯(lián)晶閘管的脈沖信號是相同的。因為晶閘管的導(dǎo)通需要滿足兩個條件：（1）晶閘管承受正向壓降；（2）晶閘管門陰極有觸發(fā)脈沖。同一時刻，反并聯(lián)的兩個晶閘管只有一個承受正向壓降，因此這種驅(qū)動方式是合理的。另外，這種驅(qū)動方式還可以省去檢測相電壓過零點是正向過零點還是負(fù)向過零點。三極管可將CPU輸出的脈沖信號放大，其工作在開關(guān)狀態(tài)。R44和D7起續(xù)流作用，防止脈沖變壓器飽和，D8、D9、R45起整形作用，防止驅(qū)動電壓過強損壞晶閘管。3.3系統(tǒng)電壓、電流檢測電路設(shè)計為保證三相交流調(diào)壓器主回路中各個晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。在電機軟起動器的設(shè)計過程中，同步信號檢測是很重要的一個環(huán)節(jié)。只有準(zhǔn)確的測量出電壓的過零點，才能精確的控制晶閘管的導(dǎo)通角，否則將不能順利、可靠地觸發(fā)晶閘管[13]。在模擬系統(tǒng)中，一般使用三相同步電路，三相電源經(jīng)過過零比較器后得到三個同步方波信號，然后在每個周期內(nèi)產(chǎn)生6個同步脈沖信號，再讀出電源狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)同步目的。這樣組成的系統(tǒng)顯得比較的復(fù)雜，使得維護(hù)和檢修也變得很麻煩，另外價格不菲的三相同步變壓器增加了軟起動器的成本。本系統(tǒng)中，引入了數(shù)字式智能化單片機控制，內(nèi)部自帶高精度12位AD轉(zhuǎn)換器，可以將線電壓衰減一定倍數(shù)后送入單片機AD口，通過數(shù)字量過零點判斷相電壓過零點。圖3-4電壓、電流檢測電路如圖3-4所示，將三相進(jìn)線中某相（1端）嵌位至1.65V（由3.3V通過電阻分壓獲得），之后將其他兩相與該相間線電壓通過電阻分壓后電壓值作為相電壓過零點判斷依據(jù)，三相電壓與兩個線電壓波形如圖3-5所示。圖3-5檢測電壓波形在軟起動器的系統(tǒng)中，異步電動機起動時，若起動電流太大，則對電網(wǎng)沖擊大；若起動電流過小，則起動時間長。因此，在起動過程中，需要限流調(diào)節(jié)和過流保護(hù)。而在本次設(shè)計中，希望能控制電動機恒流起動。所以在軟起動控制器中，應(yīng)有電流檢測環(huán)節(jié)。電流檢測的方法多種多樣，從精度和成本兩方面綜合考慮，本次選用0.5mΩ的精密檢流電阻，通過對其壓降進(jìn)行差分放大來檢測電機電流。3.4單片機最小系統(tǒng)設(shè)計本文以STM32F103R8T6為核心的最小系統(tǒng)，其內(nèi)核為Cortex-M3,采用ARMV7構(gòu)架，不僅支持Thumb-2指令集，而且擁有很多新特性。較之ARM7TDMI，Cortex-M3擁有更強勁的性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優(yōu)勢[14]。國內(nèi)Cortex-M3市場，ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32無疑是最大贏家，作為Cortex-M3內(nèi)核最先嘗蟹的兩個公司（另一個是Luminary）之一，ST無論是在市場占有率，還是在技術(shù)支持方面，都是遠(yuǎn)超其他對手。在Cortex-M3芯片的選擇上，STM32無疑是大家的首選?，F(xiàn)在ST公司又推出了STM32F0系列Cortex-M0芯片以及STM32F4系列Coretx-M4芯片，STM32的優(yōu)異性體現(xiàn)在如下幾個方面：1.超低的價格。以8位機的價格，得到32位機，是STM32最大的優(yōu)勢。2.超多的外設(shè)。STM32擁有包括：FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等眾多外設(shè)及功能，具有極高的集成度。3.豐富的型號。STM32僅M3內(nèi)核就擁有F100、F101、F102、F103、F105、F107、F207、F217等8個系列上百種型號，具有QFN、LQFP、BGA等封裝可供選擇。同時STM32還推出了STM32L和STM32W等超低功耗和無線應(yīng)用型的M3芯片。4.優(yōu)異的實時性能。84個中斷，16級可編程優(yōu)先級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入。5.杰出的功耗控制。STM32各個外設(shè)都有自己的獨立時鐘開關(guān)，可以通過關(guān)閉相應(yīng)外設(shè)的時鐘來降低功耗。6.極低的開發(fā)成本。STM32的開發(fā)不需要昂貴的仿真器，只需要一個串口即可下載代碼，并且支持SWD和JTAG兩種調(diào)試口。SWD調(diào)試可以為你的設(shè)計帶來跟多的方便，只需要2個IO口，即可實現(xiàn)仿真調(diào)試。圖3-6單片機最小系統(tǒng)STM32采用3.3V電源供電，有兩個外部時鐘信號。系統(tǒng)通過連接BOOT0、BOOT1引腳的兩處跳線來選擇起動模式：從主閃存、系統(tǒng)存儲器或嵌入式SRAM啟動。該最小系統(tǒng)主要包括以下組成部分：時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路以及SWD調(diào)試電路。（1）時鐘電路高速外部時鐘（HSE）采用8MHz晶振，低速外部時鐘（LSE）采用32.768kHz晶振。石英晶體振蕩器和負(fù)載電容，在連接時應(yīng)盡可能靠近OSC引腳，以減小輸出失真和啟動穩(wěn)定時間。負(fù)載電容的值分別與所選的振蕩器相配合，并選擇專門為高頻應(yīng)用而設(shè)計的陶瓷電容。高速時鐘經(jīng)過倍頻與分頻后為GPIO、ADC、TIMER、DMA等模塊提供時鐘基準(zhǔn)。低速外部時鐘能為實時時鐘RTC及其它定時功能提供高精確度、低功耗的時鐘源。（2）電源電路該電路采用了LM1117-3.3低壓差線性調(diào)壓器為STM32F103RBT6提供工作電壓。LM1117壓差在1.2V時輸出負(fù)載電流為800mA。LM1117內(nèi)含帶隙參考電壓，具有熱保護(hù)和限流功能，能將輸出電壓誤差控制在±1%以內(nèi)。如圖3-6所示，C4為輸入旁路電容，C5為輸出濾波電容，兩者均采用陶瓷電容。發(fā)光二極管D5用于指示電源的工作狀態(tài)。圖3-7電源電路（3）復(fù)位電路如圖3-7，采用手動復(fù)位電路。因為STM32是低電平復(fù)位的，所以我們設(shè)計的電路也是低電平復(fù)位的，這里的R32和C51構(gòu)成了上電復(fù)位電路。圖3-8復(fù)位電路3.5輔助電路設(shè)計為了豐富軟起動器的操控功能，本設(shè)計中還附加液晶顯示模塊、485通信模塊和EEPROM存儲模塊。（1）485通信模塊485（一般稱作RS485/EIA-485）是隸屬于OSI模型物理層的電氣特性規(guī)定為2線，半雙工，多點通信的標(biāo)準(zhǔn)。它的電氣特性和RS-232大不一樣。用纜線兩端的電壓差值來表示傳遞信號。RS485僅僅規(guī)定了接受端和發(fā)送端的電氣特性。它沒有規(guī)定或推薦任何數(shù)據(jù)協(xié)議。RS485的特點包括：接口電平低，不易損壞芯片。RS485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2~6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2~6)V表示。接口信號電平比RS232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接；傳輸速率高。10米時，RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達(dá)35Mbps，在1200m時，傳輸速度可達(dá)100Kbps?？垢蓴_能力強。RS485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好；傳輸距離遠(yuǎn)，支持節(jié)點多。RS485總線最長可以傳輸1200m以上（速率≤100Kbps），一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。圖3-9485通信電路（2）EEPROM存儲模塊串行EEPROM是基于I2C-BUS的存儲器件，遵循二線制協(xié)議，由于其具有接口方便，體積小，數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點，在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量的應(yīng)用。本文存儲芯片采用ATMEL公司的24C16芯片。24C16是16K字節(jié)的電可擦除可編程存儲器，完全兼容I2C總線。如圖3-8所示，STM32f103RBT6的SCL引腳連接至24C04的SCL引腳（串行時鐘引腳），為24C16的讀寫操作提供時鐘信號。STM32f103RBT6的SDA引腳連接至24C16的SDA引腳（串行數(shù)據(jù)引腳），作為24C16的雙向數(shù)據(jù)傳輸線。在閑時，SCL、SDA引腳必須通過上拉電阻接VCC。圖3-10EEPROM存儲電路（3）液晶顯示模塊LPH7366是NOKIA公司生產(chǎn)的可用于其5110、6150，6100等系列移動電話的液晶顯示模塊，國內(nèi)廠家也生產(chǎn)有類似的兼容產(chǎn)品。該產(chǎn)品除應(yīng)用于移動電話外，也可廣泛應(yīng)用于各類便攜式設(shè)備的顯示系統(tǒng)。與其它類型的產(chǎn)品相比，該模塊具有以下特點：●84x48的點陣LCD，可以顯示4行漢字?！癫捎么薪涌谂c主處理器進(jìn)行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線僅有9條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR單片機的SPI、MCS51的串口模式０等），傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間?！窨赏ㄟ^導(dǎo)電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換?！馤CD控制器／驅(qū)動器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小?！癫捎玫碗妷汗╇?，正常顯示時的工作電流在200μA以下，且具有掉電模式。

第4章軟起動器的仿真第4章軟起動器的仿真本文采用MATLAB作為異步電機軟起動器交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真軟件。MATLAB是國際公認(rèn)的準(zhǔn)確可靠的科學(xué)計算標(biāo)準(zhǔn)軟件，在許多國際一流的學(xué)術(shù)刊物上，都能看到MATLAB的應(yīng)用，其SIMULINK工具箱下SimPowerSystems庫是進(jìn)行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進(jìn)工具。它提供了類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前自動將仿真系統(tǒng)圖變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在SIMULINK下進(jìn)行仿真，為電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計算提供了強有力的解決方法，尤其是當(dāng)設(shè)計內(nèi)容設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計時，優(yōu)勢更為突出[5]。4.1軟起動仿真模型軟起動仿真模型主要包含三相電源模塊、晶閘管調(diào)壓主回路模塊、觸發(fā)脈沖發(fā)生器模塊、可變延時模塊、PID調(diào)節(jié)器器模塊、電機及測量顯示模塊等，如圖4-1所示，起動時通過控制可變延時模塊使晶閘管控制角從小到大變化，而電機端電壓逐漸上升，通過仿真可以研究軟起動器的控制曲線，電流限制效果和電磁轉(zhuǎn)矩情況[15]。圖4-1軟起動仿真模型本次設(shè)計中，觸發(fā)脈沖由PulseGenerator（脈沖發(fā)生器）模塊發(fā)出，為70度寬脈沖，不同晶閘管對應(yīng)的脈沖相位不同，依次相差60度。而移相功能由VariableTransportDelay（可變延時）模塊實現(xiàn)。此次仿真模型為電流限幅起動方式，即將電機電流作為反饋量參與PI運算。PI調(diào)節(jié)器的輸出送入可變延時模塊中，實現(xiàn)三相交流調(diào)壓電路的移相調(diào)壓，進(jìn)而控制起動電流。三相異步電機采用SimPowerSystems庫中的AsynchronousMachineSIUnit，其參數(shù)設(shè)置為：額定電壓U=400V、頻率f=50Hz、定子電阻Rs=1.405歐、額定功率P=4KW、定子自感Ls=0.005859mH、轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.395歐、額定轉(zhuǎn)n=1420rpm、轉(zhuǎn)子自感l(wèi)rL＝0.005839mH、級對數(shù)pn＝2、互感mL＝0.1722mH、轉(zhuǎn)動慣量J=0.0131kg·m2。電機的輸出經(jīng)過MachineMeasurementDemux后輸出三相起動電流、轉(zhuǎn)速以及電機的電磁轉(zhuǎn)矩。4.2異步電機的直接起動為了看出軟起動器在電機起動時在起動電流、起動轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速方面比直接起動有明顯的改善，在進(jìn)行軟起動器模型仿真的同時做電機在全壓下直接起動的仿真，從而進(jìn)行對比分析[16]。電機直接起動仿真模型如圖4-2所示：圖4-2異步電機直接起動模型電機直接起動時的定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速波形如圖4-3、4-4、4-5所示。從圖上可以看出，異步電機在全壓下直接起動時起動沖擊電流較大，最大可達(dá)80A；起動時電磁轉(zhuǎn)矩沖擊較大，最大值為135N·m；電機經(jīng)0.15s后轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖4-3異步電機直接起動定子電流波形圖4-4異步電機直接起動轉(zhuǎn)矩波形圖4-5異步電機直接起動轉(zhuǎn)速波形4.3異步電機的軟起動電機軟起動時的定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速波形如圖4-3、4-4、4-5所示。從圖上可以看出，異步電機在全壓下直接起動時起動沖擊電流較大，最大約為30A；起動時電磁轉(zhuǎn)矩沖擊較大，最大值不超過20N·m；電機經(jīng)0.4s后轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖4-6異步電機軟起動電流波形圖4-7異步電機軟起動轉(zhuǎn)矩波形圖4-8異步電機軟起動轉(zhuǎn)速波形綜上，將異步電機直接起動波形與軟起動波形對比可看出，軟起動可大大減小電機起動時的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，印證了第二章中的理論分析，電機在軟起動時的起動性能得到了明顯改善。第5章軟起動器實驗調(diào)試前四章通過對軟起動器原理的分析，并在MATLAB軟件環(huán)境下對軟起動器系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了整個軟起動器系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了該設(shè)計系統(tǒng)軟起動異步電動機的功能。本章的工作就是對所設(shè)計的整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，通過對整個系統(tǒng)的測試，實現(xiàn)了對三相異步電動機的軟起動功能。5.1軟起動器實物裝置(a)(b)圖5-1軟起動器裝置圖5.2調(diào)試過程整個系統(tǒng)的調(diào)試過程大體上分為三個部分：軟件調(diào)試，控制電路的功能調(diào)試和軟起動實驗調(diào)試。1．軟件調(diào)試軟件的編寫是脫離不開整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案的，根據(jù)第三章所提出的系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的控制任務(wù)主要包括：檢測輸入電源的線電壓的過零點；檢測電機定子電流，進(jìn)行數(shù)字整流和濾波處理后參與PI運算控制晶閘管移相角；GPIO高速輸出通道發(fā)出三路雙窄脈沖驅(qū)動信號。軟件調(diào)試就是看對于以上的任務(wù)單片機是否能夠正確地執(zhí)行。同時由于本軟件涉及到中斷程序，其調(diào)試最終離不開控制電路輸入給單片機的信號。所以該部分的后期調(diào)試要和控制電路相結(jié)合。2．控制電路的功能調(diào)試控制電路板做好之后，檢測是否和設(shè)計的電路一致，將所選器件焊接到電路板上。焊接元件的時候要防止虛焊，因此，焊好各個元器件之后可以用數(shù)字表檢測一下。控制電路的外圍硬件電路實現(xiàn)的功能主要包括：電壓、電流信號的檢測和觸發(fā)脈沖信號的形成。（1）線電壓檢測波形圖5-2線電壓檢測波形（2）定子電流檢測波形圖5-3定子電流檢測波形（3）觸發(fā)脈沖信號圖5-4觸發(fā)脈沖波形軟件設(shè)計是使1～6號晶閘管觸發(fā)脈沖依次相隔相位角度60°，脈寬為9°，換算成時間約為500us。對每一號脈沖之后相隔60°時再發(fā)一補脈沖信號。圖5-3是用示波器觀測到的單片機相鄰高速輸出通道HSO輸出的脈沖波形，從圖中可看出與要求相同,單片機輸出的脈沖只有通過隔離、放大之后才能成為可靠觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)脈沖信號。3．軟起動實驗調(diào)試本系統(tǒng)設(shè)計的目的是能夠通過使用本系統(tǒng)起動異步電動機，觀測其改善異步電動機起動性能的優(yōu)劣性。經(jīng)過實驗，異步電動機在接上該軟起動系統(tǒng)之后能夠?qū)崿F(xiàn)軟起動電動機的功能，基本達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。下一節(jié)中將對本階段調(diào)試的實驗數(shù)據(jù)、波形進(jìn)行分析。5.3實驗結(jié)果鑒于實驗室條件有限，本次試驗選擇異步電機為額定功率1.1kW鼠籠式異步電機，額定電壓為380V，額定電流為2.75A。該電機同軸拖動一臺額定220V的直流發(fā)電機作為負(fù)載，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出側(cè)負(fù)載電阻箱的阻值可以改變異步電機的負(fù)載。5.3.1直接起動時電機定子電流波形當(dāng)異步電機直接接入電網(wǎng)時電機定子電流波形如圖5-4所示。圖5-4直接起動時電機定子電流波形從圖5-4直接起動時的電流波形中,可以看出起動的瞬間電流非常大，電流峰值可達(dá)24A左右，約為額定電流峰值的7倍，電機起動時間約為200ms。這樣的起動方式會給電網(wǎng)帶來很大的沖擊。5.3.2電流限幅軟起動時電機定子電流波形電流限幅起動方式中有一個控制量，即電流限幅值IMAX，這個控制量的設(shè)置與電網(wǎng)容量、負(fù)載輕重、負(fù)載工藝有關(guān)。設(shè)置不同的電流限幅值可以獲得不同的起動電流曲線。1．設(shè)置電流限幅值為7A時異步電機起動時定子電流波形如圖所示：圖5-5電流限幅值為7A時異步電機起動時定子電流波形從圖5-4直接起動時的電流波形中,可以看出起動電流被限制到一定范圍內(nèi)，起動階段定子電流是恒定的，峰值為7A左右，電機起動時間約為1200ms。2．設(shè)置電流限幅值為10A時異步電機起動時定子電流波形如圖所示：圖5-5電流限幅值為10A時異步電機起動時定子電流波形從圖5-4直接起動時的電流波形中,可以看出起動電流被限制到一定范圍內(nèi)，起動階段定子電流是恒定的，峰值為10A左右，電機起動時間約為600ms。5.3.3實驗結(jié)果分析與總結(jié)從上一節(jié)中的起動電流波形可看出軟起動比直接起動的起動電流大大降低了，也說明了所設(shè)計的軟起動系統(tǒng)在一定程度上能改善電動機的起動性能，基本滿足了設(shè)計的要求。將本章的試驗結(jié)果與第四章的仿真結(jié)果相比較，可看出兩者的起動電流波形總體變化趨勢基本一致，說明了前面所建仿真模型的仿真可信度是較高的。結(jié)論結(jié)論交流電動機作為重要的動力裝置，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)中，可以說，交流電動機對于我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起著不可或缺的作用。但是由于其固有的起動性能較差，通常要求采用專門的起動設(shè)備來完成正常的起動工作，尤其當(dāng)頻繁起動時更是如此。采用電力半導(dǎo)體器件用于電動機起動控制的電力電子軟起動器解決了傳統(tǒng)降壓起動方法存在的二次電流沖擊問題，具有無觸點、起動電流及起動時間可控、起動過程平滑等優(yōu)點，并且維護(hù)工作量小，節(jié)能效果顯著，具備完善的電機保護(hù)功能。本文針對這種新型的電動機起動控制裝置（電子軟起動器）完成如下幾方面的研究工作：1．理論上分析影響異步電動機起動問題的各種因素，推導(dǎo)出了可以通過改變外施定子端電壓而達(dá)到軟起動電動機的原理，分析比較了目前電子軟起動器常使用的幾種軟起動方法的優(yōu)劣和軟起動器常用的幾種運行方式。2．用MATLAB軟件中SIMULINK搭建了三相異步電動機在兩相靜止坐標(biāo)系下的仿真模型，只要給該仿真模型輸入不同的電機參數(shù)就可仿真不同的異步電動機。應(yīng)用POWERSYSTEM工具箱按照軟起動系統(tǒng)的拓?fù)潆娐穲D搭建了一個軟起動電動機的仿真系統(tǒng)，這種仿真方式實現(xiàn)簡單。通過對仿真結(jié)果的分析，證明了所搭建的仿真模型的仿真可信度還是較高的。3．設(shè)計了以單片機為控制核心的軟起動器系統(tǒng)。本設(shè)計采用32位單片機STM32F103RBT6作為控制器，利用AD模擬輸入檢測過零點的時刻，并以此時刻為基準(zhǔn)，通過GPIO配合定時器實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)，大大減少了外圍的硬件電路。為減少脈沖變壓器的個數(shù)，采用雙輸入、單輸出脈沖變壓器，給反并聯(lián)的兩個晶閘管相同的觸發(fā)信號。4．本軟起動器設(shè)計制作完成后，通過調(diào)試實驗對系統(tǒng)的硬件和軟件方案加以改進(jìn)，并將設(shè)計完成的軟起動器帶上實際的三相異步電動機負(fù)載進(jìn)行起動，測得了實驗數(shù)據(jù)和波形。所設(shè)計系統(tǒng)能夠根據(jù)要求設(shè)置不同的起動電流完成電動機的軟起動。所設(shè)計的軟起動器系統(tǒng)還存在一些不完善的地方，有待于后續(xù)工作進(jìn)行研究和解決。主要有以下幾個方面：1.由于程序結(jié)構(gòu)簡單，考慮不夠全面，在電機剛起動時刻和電機即將完成起動時刻，由于反饋電流變化較大，調(diào)節(jié)器輸出振蕩，可能會造成誤觸發(fā)或不觸發(fā)。2.基于交流調(diào)壓方式的軟起動由于是相位控制方式，不可避免的會帶來諧波影響，需要對諧波的影響進(jìn)行分析和抑制。3.軟起動方法使用的是限流起動方法，是基于電流、電壓的控制。而任何調(diào)速系統(tǒng)實際上最后改變的都是電磁轉(zhuǎn)矩，因此將原變頻調(diào)速中的矢量控制和磁場定向控制引入，直接控制轉(zhuǎn)矩將是軟起動技術(shù)要解決的問題，有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]王毓東.電機學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1990.[2]任致程,任國雄.電動機軟起動器實用手冊[M].中國電力出版社,2006.[3]EndrejatF,PillayP.Thesoftstarters[J].IndustryApplicationsMagazine,IEEE,2008,14(6):27-37.[4]劉利，王棟.電動機軟起動器入門與應(yīng)用實例[M].中國電力出版社，2012.[5]貝學(xué)威.異步電機軟起動器設(shè)計與仿真[D].武漢數(shù)字工程研究所，2013。[6]郭永亮.達(dá)拉特發(fā)電廠330MW機組低加疏水調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)(河北),2010.[7]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)(第三版)[M].機械工業(yè)出版社，2006.[8]劉錦波,張承慧.電機與拖動(第一版)[M].清華大學(xué)出版社，2006。[9]王兆安.電力電子技術(shù)(第五版)[M].機械工業(yè)出版社，2006。[10]翟曉燁.三相交流調(diào)壓電路的仿真與研究[J].科技資訊,2008:33-212.[11]LiuH,TianJ,GaiY,etal.Designofcontrollingsystemaboutthehigh-powerPMSMbasedonSTM32[C].Computer,Mechatronics,ControlandElectronicEngineering(CMCE),2010InternationalConferenceon.IEEE2010,4:374-377.[12]YufangC,YouxinY,JingC,etal.ResearchandDesignofanIntelligentLiquid-StateSoftstarter[C].ElectricalandControlEngineering(ICECE),2010InternationalConferenceon.IEEE,2010:1562-1565.[13]王棟,劉利.一種基于單片機的相序檢測及電機缺相保護(hù)方法[J].電機與控制應(yīng)用,2006.[14]YiuJ,宋巖.ARMCortex-M3權(quán)威指南[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2009.[15]周俊.基于DSP的三相異步電機智能軟起動器[D].浙江大學(xué),2006.[16]駱寶俊.異步電機軟起動器研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007.章及標(biāo)題致謝本論文是在孫孝峰老師和朱艷萍老師悉心指導(dǎo)下完成的，在此我首先對孫老師和朱老師表示誠摯的謝意。在我的整個本科學(xué)習(xí)階段，無論在專業(yè)學(xué)習(xí)，還是在課題研究和論文撰寫上，孫老師都給予了極大的關(guān)心、指導(dǎo)和鼓勵。孫老師求真務(wù)實的治學(xué)精神、淵博的知識、豐富的實踐經(jīng)驗、勇于開拓的科學(xué)精神和平易近人的態(tài)度，使我終身難忘，并將深深影響我以后的工作和學(xué)習(xí)，再次感謝孫老師對我的栽培。衷心感謝正在讀博士的劉飛龍師兄，感謝研究生李午英、劉炳杰等師兄，感謝大學(xué)階段認(rèn)識的的張力星、紀(jì)曉強、程磊及其他一起學(xué)習(xí)和生活的同學(xué)，他們在我課題完成過程中給予了極大的幫助和支持。衷心感謝我的父母，是他們在不斷鼓勵我，支持我，使我能順利的完成學(xué)業(yè)。最后感謝所有對我有過幫助和在我人生中知遇的許許多多匆匆過客,愿他們能真實而快樂地生活。附錄1附錄1一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義目前我國所有的電力消耗當(dāng)中，電動機所消耗的電能占到60%~70%，這些電動機，小到只有0.1W的小型錄音機電動機，大到煉鋼廠的數(shù)萬千瓦的大型電動機。與其他種類的電動機相比，交流異步電動機因為結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、維護(hù)方便的特點，在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今傳動工程中最常用的動力來源。但是，由于其起動特性，如果這些電動機連接電源系統(tǒng)直接在線起動，將會產(chǎn)生過大的起動電流，該電流通常達(dá)到電動機額定電流的5~8倍、甚至更高。在許多場合中，這種過大的起動電流會對整個傳動系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。為了滿足電機自身起動條件、負(fù)載傳動機械的工藝要求、保護(hù)其他設(shè)備正常工作的需要，應(yīng)當(dāng)在電動機起動過程中采取必要的措施控制其起動過程，降低起動電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題異步電機的軟起動器具有其它起動方式難以比擬的優(yōu)越性，能夠廣泛應(yīng)用在動力、能源、冶金、電力等諸多領(lǐng)域，市場前景十分廣闊。目前，國內(nèi)軟起動器市場主要被國外知名品牌所占據(jù)。國外品牌雖然質(zhì)量可靠，但價格昂貴，性價比不高；而國內(nèi)品牌則技術(shù)相對落后，需要長時間的積累和沉淀。針對這一現(xiàn)狀，本文以STM32為控制核心，研究一種經(jīng)濟(jì)實惠、質(zhì)量可靠、性能良好的異步電機軟起動器產(chǎn)品。本文研究和探討的問題主要包括以下幾個方面：（1）在軟起動器概念的基礎(chǔ)上，對比軟起動器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究異步電機的起動特性，了解異步電機常見起動方式/制動方式的原理，比較各種起動方式的優(yōu)缺點，深入理解軟起動器的調(diào)壓原理以及軟起動的優(yōu)勢。（2）進(jìn)行軟起動器的硬件設(shè)計，包括核心微控制器（MCU）的選擇、MCU最小系統(tǒng)的設(shè)計、主電路的設(shè)計及關(guān)鍵器件晶閘管的選型與保護(hù)，研究一種具有同步信號檢測、缺相保護(hù)、過欠壓保護(hù)功能的電壓檢測電路，設(shè)計完善電流檢測回路、輔助電源系統(tǒng)、晶閘管驅(qū)動電路和顯示電路等。（3）進(jìn)行軟起動器的軟件設(shè)計，包括主程序、同步信號中斷服務(wù)子程序、位置式PI設(shè)計、限流起動程序、觸發(fā)脈沖延時子程序等，深入研究各程序的工作原理和流程圖，以及程序設(shè)計過程中需要注意的地方。（4）運用仿真軟件對軟起動器交流調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，建立軟起動器直接起動和軟起動方式的仿真模型，設(shè)計各仿真模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定各項仿真參數(shù)，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。三、研究步驟、方法及措施本次設(shè)計軟起動器主要包括主回路、控制回路、驅(qū)動及保護(hù)回路。主回路主要由三對雙向晶閘管和接觸器組成，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通實現(xiàn)改變加載在電機兩端的電壓；而接觸器的主要作用是在軟起動過程完成以后，把雙向晶閘管從三相電源中旁路。在控制回路、驅(qū)動及保護(hù)回路中，包括了電壓檢測電路、電流檢測電路、主控微機、晶閘管觸發(fā)電路、接觸器驅(qū)動、RS485的上位機串口通信回路和輔助開關(guān)電源等。以下是系統(tǒng)主、控制電路圖結(jié)構(gòu)。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖異步電機軟起動器的核心MCU采用STM32F103RbT6型微處理器芯片。該增強型STM32F103xx系列芯片使用高性能的ARMCortex-M3的32位RISC內(nèi)核。Cortex-M3為ARMv7-M的內(nèi)核架構(gòu)，是為單片機的應(yīng)用而量身定制的，具有成本低、功耗小、中斷反應(yīng)迅速、處理效率高等特點，適合于實時控制系統(tǒng)。圖2控制器最小系統(tǒng)三相交流調(diào)壓器主回路中各個晶閘管的觸發(fā)脈沖，必須與其陽極電壓相位保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。其中一相的同步信號檢測電路如圖3所示，三相電源電壓經(jīng)隔離變壓器降壓，然后送至比較器LM339整形后得到的，其跳變點對應(yīng)線電壓過零點。而實際控制中我們需要的是相電壓的過零點，使用時還應(yīng)考慮延時消去30度的相位差。圖3同步電壓信號檢測電路異步電機運行時，如果發(fā)生交流調(diào)壓裝置故障，如晶閘管直通、換流失敗等，會使主回路電流迅速增加，導(dǎo)致系統(tǒng)溫升升高，嚴(yán)重時可能燒毀設(shè)備。因此，電流檢測環(huán)節(jié)必不可少。電流信號監(jiān)測采用霍爾傳感器，其輸出信號經(jīng)過三相不控整流及二階巴特沃斯濾波器濾波后送至單片機AD口。圖4電流檢測電路圖5二階巴特沃斯濾波器晶閘管的開通需要由門極驅(qū)動電路來實現(xiàn)。晶閘管為脈沖電流驅(qū)動器件，門極驅(qū)動電路的作用是提供足夠大的觸發(fā)電流。門極脈沖電流的好壞，對晶閘管的開通特性有著很大影響。門極驅(qū)動電路如圖6所示，采用光耦TLP251隔離驅(qū)動，它的輸入門檻電流小于5mA，開關(guān)時間最大不超過1μs，電源電壓為10～35V，最大輸出電流為±0.4A。由MCU發(fā)出的一組脈沖，經(jīng)光耦后驅(qū)動NPN型三極管S9013。脈沖變壓器由三極管驅(qū)動，導(dǎo)通后輸出一定脈寬的觸發(fā)信號到晶閘管的門極。圖6晶閘管驅(qū)動電路系統(tǒng)控制方式：電流限幅起動。電流限幅起動控制方式作為一種閉環(huán)控制方式，起動過程可以不斷的采樣和調(diào)整軟起動器的輸出電流，受電網(wǎng)和負(fù)載的影響較小，起動的穩(wěn)