智能軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

孟彥京，宮文展

(陜西科技大學(xué)，陜西西安710021)

0 引 言

交流異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)造簡單、運(yùn)行可靠性能高、適應(yīng)能力強(qiáng)，但直接起動(dòng)時(shí)其電流大而轉(zhuǎn)矩小，對(duì)電機(jī)自身和電網(wǎng)都不利。在工業(yè)生產(chǎn)中，采用晶閘管降壓軟起動(dòng)器來抑制起動(dòng)電流。由于轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，電壓的降低導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩的急劇降低。傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器只能應(yīng)用于空載或輕載起動(dòng)場合。

為了拓寬軟起動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域，Antonio Ginart提出了采用離散變頻的思想來提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩［1］，國內(nèi)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了研究［2］。這些采用了與常規(guī)調(diào)壓軟起動(dòng)器相同的三相反并聯(lián)晶閘管作為主電路，通過通斷控制控制晶閘管的方法，控制三相工頻電源電壓某些半波導(dǎo)通，另一些半波截止，調(diào)壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率的變化，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路即來源于此。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離散變頻重載軟起動(dòng)器對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性要求比較高，因此選用ST公司高速高性能的STM32F103C8T6芯片作為核心控制CPU。該智能軟起動(dòng)器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括主電路和控制系統(tǒng)電路兩部分。本文的控制系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103C8T6作為主控核心CPU，選用Altera公司生產(chǎn)的EPM240F100可編程邏輯器件完成輔控單元設(shè)計(jì)，選用AT89C52進(jìn)行操作界面和顯示處理設(shè)計(jì)等，通過RS485通訊口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊［3］。

重載軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)核心是系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括CPU的選擇及外圍電路設(shè)計(jì)、電源電路單元、人機(jī)操作界面和顯示、檢測及保護(hù)電路設(shè)計(jì)等。重載軟起動(dòng)控制系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

圖1 軟起動(dòng)系統(tǒng)控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中最為重要的環(huán)節(jié)，是整個(gè)系統(tǒng)可靠工作的根基。設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的目的是要實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)矩、小電流平滑軟起動(dòng)，根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制要求，完成起動(dòng)所需參數(shù)的檢測和輸出。

(1)同步電壓檢測，檢測輸入工頻電源電壓過零點(diǎn)、相序以及是否缺相等;

(2)電流檢測，檢測起動(dòng)電流是否在控制系統(tǒng)所允許的安全運(yùn)行范圍內(nèi);

(3)控制及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置和顯示;

(4)對(duì)外部輸入?yún)?shù)進(jìn)行采樣;

(5)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊傳輸。

智能重載軟起動(dòng)器硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要考慮所要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)各個(gè)硬件電路單元模塊。

2.1 芯片介紹

該軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)的核心控制CPU選用ST公司的STM32F103C8芯片，負(fù)責(zé)相關(guān)信號(hào)檢測與判別、算法處理和控制、輸出控制等功能。相對(duì)于單片機(jī)而言，STM32F103C8T6運(yùn)行速度更快、功耗更低，更符合控制系統(tǒng)的要求［4］。

2.2 系統(tǒng)控制電路

系統(tǒng)控制電路主要分為以下幾部分:

(1)主控單元:主要指STM32F103C8T6及其相關(guān)外圍電路。負(fù)責(zé)信號(hào)的檢測與判別、算法處理與控制，負(fù)責(zé)與單片機(jī)及外部設(shè)備進(jìn)行通訊等。

(2)輔助控制單元:以CPLD(EPM240)為核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)STM32F103C8T6的控制信號(hào)進(jìn)行濾波，觸發(fā)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，給出故障報(bào)警信號(hào)及旁路輸出信號(hào)等。

(3)人機(jī)操作界面與顯示系統(tǒng):以AT89C52為該單元CPU進(jìn)行人機(jī)操作界面和顯示處理最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證外部與STM32F103C8T6進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。將主控制單元和界面顯示單元分開進(jìn)行控制，不僅可以有效地利用STM32F103C8T6的快速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外圍硬件電路資源，同時(shí)，AT89C52分擔(dān)了操作界面和顯示處理的工作，使STM32F103C8T6能更專心于算法的運(yùn)算與系統(tǒng)功能的控制實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的快速性、穩(wěn)定性和可靠性，保障了控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)快速地處理各種控制和監(jiān)測的數(shù)據(jù)，保障了控制系統(tǒng)相應(yīng)控制功能的順利實(shí)現(xiàn)。

3 部分關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

3.1 工作電源電路

按照設(shè)計(jì)要求，該電路系統(tǒng)中所需要的電源有3.3 V、12 V、24 V 三種類型。

圖2 工作電源電路

工作電源電路如圖2所示，變壓器將380V交流線電壓降低為18 V和8.5 V，通過J1接口接入控制電源電路中，通過整流模塊分別轉(zhuǎn)換為24 V(DC)和12 V(DC)，最后通過三段穩(wěn)壓芯片再分別轉(zhuǎn)換為12 V和3.3 V。

3.2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)［4］

該最小系統(tǒng)采用STM32F103C8為核心芯片，采用3.3 V供電，采用8 MHz無源晶振，采用JTAG標(biāo)準(zhǔn)接口。時(shí)鐘電路及復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘及復(fù)位電路

軟起動(dòng)器控制板采用手動(dòng)復(fù)位，如圖3所示。圖中CPU_RST直接與STM32F103C8T6的復(fù)位引腳NREST相接，B1為復(fù)位開關(guān)。

3.3 同步電壓信號(hào)檢測電路

由于晶閘管的觸發(fā)角都是以三相電源同步信號(hào)為基準(zhǔn)的，因此同步電壓信號(hào)電路是用來確定每一相電壓準(zhǔn)確的過零點(diǎn)時(shí)刻，進(jìn)而確定初始觸發(fā)時(shí)刻，保證正確觸發(fā)晶閘管。因此，同步電壓信號(hào)檢測對(duì)軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)具有重要的意義。

工頻電源電壓在過零點(diǎn)附近容易受到外界干擾或者電源本身就含有一些諧波成分，導(dǎo)致過零比較器的輸出端輸出信號(hào)出現(xiàn)抖動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)CPU外同步中斷在同一過零點(diǎn)時(shí)刻中斷次數(shù)不只一次，造成軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致起動(dòng)失敗，因此必須在同步電壓檢測電路中加入濾波電路，以抑制低頻和高頻成分。電路原理圖如圖4所示。

在實(shí)際運(yùn)行過程中電壓會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，因此不能用地作為參考點(diǎn)，該同步電壓信號(hào)檢測電路采用5 V穩(wěn)壓管為參考點(diǎn)，三相同步信號(hào)源直接取自電網(wǎng)電壓通過電阻分壓得到同步電壓信號(hào)，經(jīng)過阻容移相后，由LM339對(duì)電壓進(jìn)行比較，輸出高低電平，將交流信號(hào)經(jīng)整形變換為矩形脈沖。最后再由光耦對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和發(fā)送至觸發(fā)角控制和條件單元CPLD。此電路同時(shí)具有過零和缺相檢測功能。

3.4 電流檢測電路

電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，如起動(dòng)電流過大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)及同一電網(wǎng)中的其它用電設(shè)備造成沖擊;如果起動(dòng)電流過小，則會(huì)增加起動(dòng)時(shí)間。因此在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中必須施加限流和過流保護(hù)措施，即在軟起動(dòng)過程中必須要有電流檢測環(huán)節(jié)。電流檢測的方法有很多，圖5為本文采用的電流檢測電路。在主回路中接入400∶1的電流互感器測得電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電流值，將得到的電流互感器二次側(cè)電流值通過整流電路轉(zhuǎn)換成直流，最終輸入STM32F103C8T6的CUR_ADC口，由軟件比較檢測電流與給定電流的差值，完成限流調(diào)節(jié)和過流保護(hù)功能。

圖4 電壓同步檢測電路

圖5 電流檢測電路

3.5 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)

產(chǎn)生正確的觸發(fā)脈沖是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，晶閘管的可靠觸發(fā)是晶閘管運(yùn)作的首要條件。工作過程示意圖如圖6所示。由STM32F103C8T6產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制信號(hào)后送入EPM240，然后由EPM240進(jìn)行必要的邏輯運(yùn)算處理后，經(jīng)過三態(tài)緩沖器74HC244對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，由光隔TPL521對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離后再經(jīng)過反向緩沖器MC1413后將控制信號(hào)送到脈沖變壓器及繼電器一側(cè)，在脈沖變壓器的另一側(cè)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖序列加到晶閘管的門極，完成對(duì)晶閘管導(dǎo)通與關(guān)閉的控制。

圖6 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)示意圖

3.6 操作界面、顯示單元電路

軟起動(dòng)器帶有鍵盤操作界面和顯示模塊，可以通過軟起動(dòng)器進(jìn)行外部控制和顯示異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)以及運(yùn)行過程中的電流、電壓等相關(guān)信息，同時(shí)通過操作界面可以輸入控制信息及顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息。本系統(tǒng)通過AT89C52實(shí)現(xiàn)界面操作和顯示單元電路模塊的控制［3，5］。通訊單元硬件連接原理示意圖如圖7所示。AT89C52負(fù)責(zé)外部界面操作和運(yùn)行參數(shù)顯示，減輕了STM32F103C8T6的工作量，使其更加專注于軟起動(dòng)程序的執(zhí)行，避免了頻繁中斷引起的累積錯(cuò)誤。

圖7 操作界面、顯示單元示意圖

另外，硬件電路的設(shè)計(jì)還包括通訊接口單元、溫度檢測單元、旁路輸出單元和故障輸出單元等，限于篇幅在此不再一一贅述。

4 硬件抗干擾措施

由于在實(shí)際工業(yè)控制過程中存在各種干擾源，雖然多數(shù)干擾不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)造成致命性破壞，但會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)無法正常工作，嚴(yán)重的，甚至無法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平滑軟起動(dòng)。某些干擾可以通過硬件電路設(shè)計(jì)消除或是避免，但是有的卻很難用硬件方法解決，必須采用軟件措施。下面主要介紹一下在硬件抗干擾方面的一些措施。

(1)電源抗干擾設(shè)計(jì)

在電源與地之間接入無極性電容以濾除雜波，以此來保證系統(tǒng)能夠獲得穩(wěn)定的直流電源。

(2)接口抗干擾設(shè)計(jì)

電路中，通過RC濾波器濾除感應(yīng)的尖峰電壓;在盡可能靠近集成電路的附近配置高頻去耦電容，消除數(shù)字電路上尖峰電流產(chǎn)生的影響;對(duì)模擬和數(shù)字部分進(jìn)行光電隔離，防止相互干擾。

(3)電路板抗干擾設(shè)計(jì)［6］

若電流允許，盡量加粗電源線，減少環(huán)路電阻。電源線、地線走向與數(shù)據(jù)傳輸方向一致，增強(qiáng)抗噪聲的能力;盡量選用小電流、低功耗的元器件，減少板內(nèi)EMI及發(fā)熱;地線盡可能粗，在PCB板上繞一圈不閉合的數(shù)字地等。另外，繼電器、按鍵等元件操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大火花，設(shè)置RC電路來吸收放電電流。

5 控制系統(tǒng)電路板

在電路原理圖設(shè)計(jì)完成后，通過原理圖生成PCB板，然后制版，本課題選用Protel99SE作為畫圖軟件?？刂葡到y(tǒng)電路板如圖8所示。

6 結(jié) 語

本文主要設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)硬件電路。從控制電路方案、同步電壓信號(hào)的產(chǎn)生到相序檢測及缺相檢測電路、觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生、電流檢測電路、外部操作界面及鍵盤顯示單元電路等，給出了各個(gè)功能單元模塊的具體硬件實(shí)現(xiàn)電路，分析了系統(tǒng)中各個(gè)功能單元模塊的原理和作用。對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)物制作，制成一塊測試實(shí)驗(yàn)用的控制系統(tǒng)電路板，為后期有效進(jìn)行實(shí)際電路測試及相應(yīng)功能驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。

［1］ Antonio G，Rosana E，Maduro A，et al.High Starting Torque for AC SCR Controller［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14(3):553 －559.

［2］ 郭德勝，高強(qiáng)，徐殿國，等.離散變頻軟啟動(dòng)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析［C］//第五屆變頻器行業(yè)企業(yè)家論壇論文集.2007:51－56.

［3］ 高衛(wèi)東，辛友順，韓彥征.51單片機(jī)原理與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)，2008.

［4］ STMicroelectronics.RM0008 Reference manual，Doc ID 13902 Rev 11［2010 －04］.http://www.st.com.

［5］ 王幸之，鐘愛琴，王雷，等.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.北京:航空航天出版社，2004.

［6］ 清源科技.Protel99SE電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［7］ 王幸之，王雷，翟成.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)［M］.第一版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.