基于ATmega8控制的交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)

王志華 郭英芳 劉 紅

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中三相交流異步電動(dòng)機(jī)占據(jù)了十分重要的地位，電機(jī)不同啟動(dòng)方式不僅影響它的性能還有其使用壽命。三相交流電動(dòng)機(jī)電路中，主電路直接與電源相連，啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流是交流電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)電流的4～7倍，這個(gè)沖擊電流會(huì)造成電源系統(tǒng)和串聯(lián)在電路中的其他開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備過(guò)載，甚至影響一個(gè)電源系統(tǒng)下其他電氣設(shè)備正常工作。其次，交流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生的沖擊會(huì)造成機(jī)械裝置受損。工業(yè)上使用的軟啟動(dòng)設(shè)備多采用電子電路設(shè)計(jì)，沒(méi)有MCU單元，本文基于ATmega8單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)電路，該電路在交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可以降低啟動(dòng)電流、提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，該電路可保證電機(jī)可靠啟動(dòng)，降低啟動(dòng)沖擊的作用。

1 軟啟動(dòng)原理

設(shè)計(jì)中在三相交流電機(jī)的主電路中串入軟啟動(dòng)電路，該電路由三相并聯(lián)可控硅組成，通過(guò)光電耦合器進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)，在過(guò)零點(diǎn)處以電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓的時(shí)間為依據(jù)觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通角，電機(jī)啟動(dòng)電壓隨可控硅的導(dǎo)通角從零逐漸上升，交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速，可控硅導(dǎo)通角全導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)以額定電壓工作，并進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，軟啟動(dòng)電路完成交流電動(dòng)機(jī)的平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成，可控硅停止工作，自動(dòng)切換至接觸器控制的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電路，電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速下整個(gè)場(chǎng)運(yùn)行。如圖1所示。

圖1 三相交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制電路

2 軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)根據(jù)大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，負(fù)載大小影響著電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程，造成啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電流增大，轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱量過(guò)大，絕緣層熱損壞，致使繞組間出現(xiàn)短路等故障現(xiàn)象。該設(shè)計(jì)采用MCU控制單元，由CPU控制啟動(dòng)電壓，電路獲取電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓上電，進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，獲取光耦采集過(guò)零點(diǎn)信息，根據(jù)電壓移相觸發(fā)電路改變導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)啟動(dòng)電壓。

基于單片機(jī)的三相交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)的典型框圖如圖2所示。

圖2 軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)基本原理圖

可控硅控制移相觸發(fā)的軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)，通過(guò)檢測(cè)交流電壓過(guò)零點(diǎn)，根據(jù)啟動(dòng)時(shí)間，在過(guò)零點(diǎn)處觸發(fā)三相交流電源的相位角的大小，控制電源電壓在半個(gè)周期內(nèi)的幅值，達(dá)到平穩(wěn)啟動(dòng)、降低啟動(dòng)電流、防止電機(jī)高溫受損的效果。

軟啟動(dòng)器電路設(shè)計(jì)采用ATmega8單片機(jī)作為中央控制單元，該單片機(jī)是基于AVR的RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，功耗低、性能高。以單片機(jī)為核心的中央處理單元主要包括復(fù)位、外部晶振、電平轉(zhuǎn)換等電路，檢測(cè)與控制單元主要包括過(guò)零檢測(cè)、移相觸發(fā)、電壓控制輸出等電路。中央處理單元采集過(guò)零檢測(cè)送來(lái)的信號(hào)，獲取過(guò)零點(diǎn)，打開(kāi)導(dǎo)通角調(diào)整電壓幅值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)電壓的控制，達(dá)到降壓軟啟動(dòng)效果軟啟動(dòng)器CPU單元電路如圖3所示。

圖3 軟啟動(dòng)器CPU單元電路設(shè)計(jì)

2.2 過(guò)零檢測(cè)電路

過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)三相交流電源電壓波形在正負(fù)周期交替出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)TLP521光電耦合器件采集過(guò)零點(diǎn)信息，電壓波形在過(guò)零點(diǎn)處光電耦合器截止，向單片機(jī)單元發(fā)送高電平信號(hào)，用于CPU控制觸發(fā)角。TLP521是可控制的光電耦合器，負(fù)責(zé)電路之間的信號(hào)傳輸，將電信號(hào)經(jīng)過(guò)光傳輸，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具備電路干擾小的特點(diǎn)，對(duì)于大功率電機(jī)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的干擾具有強(qiáng)抗磁干擾的作用。如圖4所示。

為了保證光電耦合器的可靠性，設(shè)計(jì)穩(wěn)壓管與光電耦合器并聯(lián)，進(jìn)行穩(wěn)壓保護(hù)。在程序設(shè)計(jì)中，光電耦合信號(hào)的輸入PD3端口的中斷設(shè)置為：DDRD&=～0X08。

圖4 三相電源過(guò)零檢測(cè)電路

2.3 移相觸發(fā)電路

移相觸發(fā)電路是在過(guò)零點(diǎn)時(shí)，電路觸發(fā)開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制雙向可控制導(dǎo)通，導(dǎo)通的起點(diǎn)以過(guò)零點(diǎn)為基準(zhǔn)，導(dǎo)通角的大小由電機(jī)啟動(dòng)持續(xù)的時(shí)間和啟動(dòng)電流的大小在控制程序中設(shè)定，達(dá)到改變輸出電壓的目的。原理圖如圖5所示。

圖5 可控硅導(dǎo)通的移相觸發(fā)波形圖

移相觸發(fā)電路采用雙向可控硅TRIAC進(jìn)行開(kāi)斷控制，雙向可控硅結(jié)構(gòu)為五層的半導(dǎo)體器件，由兩個(gè)主電極和一個(gè)柵極組成。具備以小功率控制大功率，反應(yīng)極快，無(wú)觸點(diǎn)運(yùn)行，等特點(diǎn)。雙向可控硅的兩個(gè)主電極之間接通電源之后，在柵極上加載一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，雙向可控硅導(dǎo)通，該觸發(fā)信號(hào)與極性無(wú)關(guān)，可以是正信號(hào)，也可以是負(fù)信號(hào)。觸發(fā)電路如圖6所示。

圖6 可控硅觸發(fā)電路

雙向可控硅觸發(fā)電路CPU信號(hào)接收電路、高頻變壓器T1電路和可控硅觸發(fā)保護(hù)電路組成。三極管Q1、Q2并聯(lián)電路組成信號(hào)接收電路，接受CPU發(fā)送的高電平控制信號(hào)，控制信號(hào)為正高電平，三極管Q1導(dǎo)通，T1原邊接通電源，副邊輸出高頻脈沖電壓；信號(hào)為負(fù)高電平，三極管Q2導(dǎo)通，T1原邊無(wú)電源信號(hào)，副邊無(wú)感應(yīng)電壓?？煽毓栌|發(fā)保護(hù)電路由穩(wěn)壓管D9和電阻R31組成，防止雙向可控硅上的主電極電壓過(guò)高，造成損壞。

三相對(duì)稱電源控制信號(hào)輸出對(duì)稱，在程序中定義A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，設(shè)置CPU的硬件連接端口，將PD4端口初始為高電平，地址編碼設(shè)置為：DDRD|=0X10；端口編碼設(shè)置為：PORTD|=0X10。

3 軟啟動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由CPU初始化、過(guò)零點(diǎn)采集中斷輸入、移相調(diào)壓?jiǎn)?dòng)控制、計(jì)時(shí)調(diào)壓輸出、外部中斷觸發(fā)方式和程序保護(hù)等組成。圖7所示軟啟動(dòng)軟甲設(shè)計(jì)程序流程圖。

圖7 軟啟動(dòng)程序流程圖

接通電源，程序初始化，CPU中斷使能，獲取光耦過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)，計(jì)時(shí)開(kāi)始，半周波為10 ms，采集信號(hào)10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，主函數(shù)根據(jù)上電信號(hào)開(kāi)始采集過(guò)零點(diǎn)、控制雙向可控硅導(dǎo)通角大小的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定控制。程序設(shè)計(jì)中通過(guò)電壓輸出延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電壓延時(shí)輸出端口程序設(shè)計(jì)如下：

_delay_us（k*16+500）；

PORTD&=～0X10；

_delay_us（120）；

PORTD|=0X10；

通過(guò)該端口電壓輸出的時(shí)間，計(jì)時(shí)控制，進(jìn)行電壓移相輸出，保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓處于較低電壓下，根據(jù)負(fù)載的大小設(shè)定啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，達(dá)到交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的效果。

4 結(jié)論

本文基于單片機(jī)Atmega8設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具備緩解電流過(guò)載問(wèn)題，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊的軟啟動(dòng)器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用，該軟啟動(dòng)電路具備啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用和推廣價(jià)值。