基于80C196KC的软启动器设计
三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠和价格低廉等优点而被广泛应用。但是异步电动机存在启动电流大，对电网和电动机本身产生严重影响.起动电流会加速电动机的绝缘老化，大大降低电动机的使用寿命，导致大量的能量被消耗；大的电流还会给电网带来不良影响，使电网电压波动。因此控制三相异步电动机起动过程中过大的电流，具有较重要的经济价值。本课题正是基于此目的，对三相异步电动机软起动器进行研究。
本文设计出了以80C196KC单片机为控制核心的软起动系统的硬件电路，包括主电路、触发驱动电路、同步信号电路、电流检测电路的分析与设计等；介绍了控制系统的软件设计，包括主程序、HIS.0中断服务程序、HSO中断服务程序、PI算法子程序等；并给出部分软件模块的流程图。 M000208
分析表明，软起动器能很好的消除电机起动中的电流冲击，达到了设计要求。论文最后对所做的工作进行了简单的总结与展望。
关键词：三相异步电动机 软起动 调压电路 80C196KC单片机。
The three-phase asynchronous motors are nowadays widely used in all types of industry applications due to their simple construction, high reliability and low price. However, the direct start of asynchronous motor can generate much high current, which will contaminate the power grid and injure the motor. High starting current will accelerate the motor’s aging process and lose lots of energy. The very high current will also affect the power network and make the power voltage fluctuant. Therefore, how to strict the starting current of three-phase asynchronous motors has very important economic value. The analysis on the soft starter of three-phase asynchronous motor is based on the purpose.
The hardware design based on 80C196KC single chip is presented in this paper, which includes main circuit, drive circuit, timing signal circuit and current detect circuit. The software design of control system including main program, interrupt routines and PI method subprogram is introduced, and partial detail program flow diagram is given.
The results show that the soft starter can well eliminate the current impact. The soft starter achieves the design requirements. Finally the thesis makes a simple summary and prospect to.
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1绪论 1
2异步电动机的各种启动方式 2
2.1软起动器概述 2
2.1.1软起动器的概念及原理 2
2.1.2软启动器的功能及应用场合 3
2.1.3软启动器的几种工作方式 3
3交流异步电动机软启动器理论分析 5
3.1晶闸管调压电路分析 5
3.2 PID控制原理分析 6
4控制系统的硬件设计 7
4.1系统整体方案设计 7
4.2主电路硬件设计 8
4.3控制回路硬件设计 9
4.3.1 80C196KC单片机简介 9
4.3.2单片机最小系统及扩展电路设计 10
4.3.3按键电路设计 12
4.3.4显示电路设计 13
4.3.5电流检测电路设计 14
4.3.6转速测量电路设计 15
4.3.7同步信号电路设计 15
4.3.8晶闸管驱动电路设计 19
4.3.9旁路接触器电路设计 21
4.3.10声光报警电路设计 22
4.3.11直流电源模块设计 22
5控制系统的软件设计 24
5.1系统主程序流程图 24
5.1.1按键相关程序分析 25
5.1.2数码管显示程序分析 25
5.2同步信号检测程序分析 26
5.3 HSO中断服务程序 28
5.4 A/D转换程序 29
5.5触发角计算程序 30
5.6霍尔测速程序 31
6总结与期望 33
6.1总结 33
6.2展望 33
附录 系统原理图1 35
附录 系统原理图2 36
附录 系统程序 37
致谢 47
1绪论 查看完整请+Q:351916072获取
异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，价格低廉等优点。同时，异步电机还具有较高的运行效率和较好的工作特性，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。所以交流异步电机作为电力拖动系统中一个极为重要的元件在工农业生产、国防、交通运输、商业和家用、医疗电器设备等各方面有着广泛的应用。据统计，其用电量占全国总用电量的30%以上。而在西方发达的工业化国家，三相感应电动机消耗了大约70%的电能。
三相交流异步电机自问世以来，其起动问题就备受关注。三相交流异步电机在全压下起动时，起动电流可达额定电流的4～7倍，有的甚至达到了8～10倍。过大的起动电流将造成电动机发热，影响电机使用寿命；同时还会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响同一电网内其他设备的正常运行；为了配合较大的起动电流，在配备电力变压器时，要求充分的储备容量，这将会给电力网带来极大的电能浪费；同时，过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大，是电机启动冲击大。工业生产中，电机能否进行直接起动受诸多因素的限制：
①电机起动过程中的母线电压降落应小于额定电压的15％；
②低压电机的容量应小于供电变压器容量的10%-15％；
③中、大功率电机一般都不允许直接起动，而要采用一定的起动设备来完成起动。
一般规定，功率低于7．5KW的异步电动机允许直接起动。如果电机功率大
于7．5KW，且电源总容量较大，若满足一定的条件，电动机也可允许直接起动。反之，则必须采用减压起动的方法进行起动。电机降压起动方式多种多样，但传统起动方式分别有着属于有级起动,体积大、故障率高、维修不便，启动转矩低不能带重载等缺点。当然也可以采用变频器起动，但变频器造价昂贵、结构复杂，且主要用于需要对电机进行调速的场合。软起动器则弥补上述缺憾，它是基于晶闸管相控调压原理，通过改变晶闸管触发角来改变电机输入端电压来完成电机起动。软起动器既能限制了冲击电流，达到安全启动，又比变频器经济性好、场合适宜，能更普遍的使用。这是本课题的实践意义所在。
2异步电动机的各种启动方式
2.1软起动器概述
2.1.1软起动器的概念及原理
软起动器的概念：
软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为 Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不 同的要求而变化，就可实现不同的功能。
软起动器的原理：
软启动是指运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零按预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压的起动方法。
图2-1软启动器原理图
目前使用的软启动器，基本上是以单片机作为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，用程序软件自动控制整个起动过程。它通过单片机及相应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的时刻来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变加到电动机三相绕组的电压大小。由于电动机转矩近似与定子电压的平方成正比，电流又和定子电压成正比。这样，电动机的起动转矩和起动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，电动机的起动转矩和起动电流的最大值可根据负载而设定,以满足不同的负载起动要求。电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动。
2.1.2软启动器的功能及应用场合
软启动器具有性能稳定，抗干扰能力强，运行可靠，能实现电流、速度的双闭环控制等特点，有助于系统稳定运行。在三相异步电动机启动中使用软启动器来控制系统的启动和运行具有很多优点。
软启动器的一般功能如下：（1）实现电机的软启动；（2）实现电机的软停车；（3）实现节能功能；（4）实现各种保护功能
软启动器的应用场合：
原则上，异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用。目前的应用范围是交流330（也可660V） ，电机功率从几千瓦到800kW。软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，这些场合急需要需要软起动由需要软停车。对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行场合，应用软起动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能的效果。
2.1.3软启动器的几种工作方式
软起动器最主要的功能是实现电动机的软启动，按起动方式可分为限流起动、电压斜坡起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动。
限流起动：
限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式，起动波形如图2-2所示。主要用于轻载起动的降压起动，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Im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。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定值Im。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。该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。
图2-2 限流起动波
在本设计中，我采用的思想就是限流软启动，通过设置起始最大电流和初始转矩来进行启动。这种思路主要步骤是检测出启动过程中的电流，经过A/D转换后与额定值相比，形成一定的控制规律后输出信号。但这种启动的转矩比较小，适用于轻载启动的场合。
软起动器还可分为旁路型和无旁路型。即软启动器中是否含有旁路接触器，以便在启动完毕后将晶闸管短接，由旁路对电动机供电。
旁路系统：电机运行时可以避免软起动器产生谐波。晶闸管仅在起动停车时工作，避免长期运行使晶闸管发热，延长使用寿命。当软起动器发生故障，可由旁路作为应急备用。其结构如下图2-3所示
图2-3 旁路系统
本设计中，采用的是旁路系统。因为通过查阅资料知道，在大多数现实应用中，不含旁路系统的软启动器性能不够好，而且由接触器控制的旁路开关结构简单，易于构建。 查看完整请+Q:351916072获取
本文设计出了以80C196KC单片机为控制核心的软起动系统的硬件电路，包括主电路、触发驱动电路、同步信号电路、电流检测电路的分析与设计等；介绍了控制系统的软件设计，包括主程序、HIS.0中断服务程序、HSO中断服务程序、PI算法子程序等；并给出部分软件模块的流程图。 M000208
分析表明，软起动器能很好的消除电机起动中的电流冲击，达到了设计要求。论文最后对所做的工作进行了简单的总结与展望。
关键词：三相异步电动机 软起动 调压电路 80C196KC单片机。
The three-phase asynchronous motors are nowadays widely used in all types of industry applications due to their simple construction, high reliability and low price. However, the direct start of asynchronous motor can generate much high current, which will contaminate the power grid and injure the motor. High starting current will accelerate the motor’s aging process and lose lots of energy. The very high current will also affect the power network and make the power voltage fluctuant. Therefore, how to strict the starting current of three-phase asynchronous motors has very important economic value. The analysis on the soft starter of three-phase asynchronous motor is based on the purpose.
The hardware design based on 80C196KC single chip is presented in this paper, which includes main circuit, drive circuit, timing signal circuit and current detect circuit. The software design of control system including main program, interrupt routines and PI method subprogram is introduced, and partial detail program flow diagram is given.
The results show that the soft starter can well eliminate the current impact. The soft starter achieves the design requirements. Finally the thesis makes a simple summary and prospect to.
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1绪论 1
2异步电动机的各种启动方式 2
2.1软起动器概述 2
2.1.1软起动器的概念及原理 2
2.1.2软启动器的功能及应用场合 3
2.1.3软启动器的几种工作方式 3
3交流异步电动机软启动器理论分析 5
3.1晶闸管调压电路分析 5
3.2 PID控制原理分析 6
4控制系统的硬件设计 7
4.1系统整体方案设计 7
4.2主电路硬件设计 8
4.3控制回路硬件设计 9
4.3.1 80C196KC单片机简介 9
4.3.2单片机最小系统及扩展电路设计 10
4.3.3按键电路设计 12
4.3.4显示电路设计 13
4.3.5电流检测电路设计 14
4.3.6转速测量电路设计 15
4.3.7同步信号电路设计 15
4.3.8晶闸管驱动电路设计 19
4.3.9旁路接触器电路设计 21
4.3.10声光报警电路设计 22
4.3.11直流电源模块设计 22
5控制系统的软件设计 24
5.1系统主程序流程图 24
5.1.1按键相关程序分析 25
5.1.2数码管显示程序分析 25
5.2同步信号检测程序分析 26
5.3 HSO中断服务程序 28
5.4 A/D转换程序 29
5.5触发角计算程序 30
5.6霍尔测速程序 31
6总结与期望 33
6.1总结 33
6.2展望 33
附录 系统原理图1 35
附录 系统原理图2 36
附录 系统程序 37
致谢 47
1绪论 查看完整请+Q:351916072获取
异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，价格低廉等优点。同时，异步电机还具有较高的运行效率和较好的工作特性，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。所以交流异步电机作为电力拖动系统中一个极为重要的元件在工农业生产、国防、交通运输、商业和家用、医疗电器设备等各方面有着广泛的应用。据统计，其用电量占全国总用电量的30%以上。而在西方发达的工业化国家，三相感应电动机消耗了大约70%的电能。
三相交流异步电机自问世以来，其起动问题就备受关注。三相交流异步电机在全压下起动时，起动电流可达额定电流的4～7倍，有的甚至达到了8～10倍。过大的起动电流将造成电动机发热，影响电机使用寿命；同时还会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响同一电网内其他设备的正常运行；为了配合较大的起动电流，在配备电力变压器时，要求充分的储备容量，这将会给电力网带来极大的电能浪费；同时，过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大，是电机启动冲击大。工业生产中，电机能否进行直接起动受诸多因素的限制：
①电机起动过程中的母线电压降落应小于额定电压的15％；
②低压电机的容量应小于供电变压器容量的10%-15％；
③中、大功率电机一般都不允许直接起动，而要采用一定的起动设备来完成起动。
一般规定，功率低于7．5KW的异步电动机允许直接起动。如果电机功率大
于7．5KW，且电源总容量较大，若满足一定的条件，电动机也可允许直接起动。反之，则必须采用减压起动的方法进行起动。电机降压起动方式多种多样，但传统起动方式分别有着属于有级起动,体积大、故障率高、维修不便，启动转矩低不能带重载等缺点。当然也可以采用变频器起动，但变频器造价昂贵、结构复杂，且主要用于需要对电机进行调速的场合。软起动器则弥补上述缺憾，它是基于晶闸管相控调压原理，通过改变晶闸管触发角来改变电机输入端电压来完成电机起动。软起动器既能限制了冲击电流，达到安全启动，又比变频器经济性好、场合适宜，能更普遍的使用。这是本课题的实践意义所在。
2异步电动机的各种启动方式
2.1软起动器概述
2.1.1软起动器的概念及原理
软起动器的概念：
软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为 Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不 同的要求而变化，就可实现不同的功能。
软起动器的原理：
软启动是指运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零按预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压的起动方法。
图2-1软启动器原理图
目前使用的软启动器，基本上是以单片机作为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，用程序软件自动控制整个起动过程。它通过单片机及相应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的时刻来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变加到电动机三相绕组的电压大小。由于电动机转矩近似与定子电压的平方成正比，电流又和定子电压成正比。这样，电动机的起动转矩和起动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，电动机的起动转矩和起动电流的最大值可根据负载而设定,以满足不同的负载起动要求。电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动。
2.1.2软启动器的功能及应用场合
软启动器具有性能稳定，抗干扰能力强，运行可靠，能实现电流、速度的双闭环控制等特点，有助于系统稳定运行。在三相异步电动机启动中使用软启动器来控制系统的启动和运行具有很多优点。
软启动器的一般功能如下：（1）实现电机的软启动；（2）实现电机的软停车；（3）实现节能功能；（4）实现各种保护功能
软启动器的应用场合：
原则上，异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用。目前的应用范围是交流330（也可660V） ，电机功率从几千瓦到800kW。软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，这些场合急需要需要软起动由需要软停车。对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行场合，应用软起动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能的效果。
2.1.3软启动器的几种工作方式
软起动器最主要的功能是实现电动机的软启动，按起动方式可分为限流起动、电压斜坡起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动。
限流起动：
限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式，起动波形如图2-2所示。主要用于轻载起动的降压起动，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Im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。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定值Im。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。该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。
图2-2 限流起动波
在本设计中，我采用的思想就是限流软启动，通过设置起始最大电流和初始转矩来进行启动。这种思路主要步骤是检测出启动过程中的电流，经过A/D转换后与额定值相比，形成一定的控制规律后输出信号。但这种启动的转矩比较小，适用于轻载启动的场合。
软起动器还可分为旁路型和无旁路型。即软启动器中是否含有旁路接触器，以便在启动完毕后将晶闸管短接，由旁路对电动机供电。
旁路系统：电机运行时可以避免软起动器产生谐波。晶闸管仅在起动停车时工作，避免长期运行使晶闸管发热，延长使用寿命。当软起动器发生故障，可由旁路作为应急备用。其结构如下图2-3所示
图2-3 旁路系统
本设计中，采用的是旁路系统。因为通过查阅资料知道，在大多数现实应用中，不含旁路系统的软启动器性能不够好，而且由接触器控制的旁路开关结构简单，易于构建。 查看完整请+Q:351916072获取
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