智能軟起動器控制系統的硬件設計

孟彥京，宮文展

(陜西科技大學，陜西西安710021)

0 引 言

交流異步電動機構造簡單、運行可靠性能高、適應能力強，但直接起動時其電流大而轉矩小，對電機自身和電網都不利。在工業生產中，采用晶閘管降壓軟起動器來抑制起動電流。由于轉矩與電壓的平方成正比，電壓的降低導致了轉矩的急劇降低。傳統的軟起動器只能應用于空載或輕載起動場合。

為了拓寬軟起動器的應用領域，Antonio Ginart提出了采用離散變頻的思想來提高起動轉矩［1］，國內學者也對其進行了研究［2］。這些采用了與常規調壓軟起動器相同的三相反并聯晶閘管作為主電路，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通，另一些半波截止，調壓的同時實現頻率的變化，該系統的設計思路即來源于此。

1 整體結構設計

離散變頻重載軟起動器對控制系統的實時性、穩定性、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。該智能軟起動器硬件系統的設計主要包括主電路和控制系統電路兩部分。本文的控制系統采用ST公司的STM32F103C8T6作為主控核心CPU，選用Altera公司生產的EPM240F100可編程邏輯器件完成輔控單元設計，選用AT89C52進行操作界面和顯示處理設計等，通過RS485通訊口進行數據通訊［3］。

重載軟起動器的設計核心是系統控制電路設計。控制系統硬件電路設計主要包括CPU的選擇及外圍電路設計、電源電路單元、人機操作界面和顯示、檢測及保護電路設計等。重載軟起動控制系統整體框架圖如圖1所示。

圖1 軟起動系統控制框圖

2 控制系統硬件設計

軟起動器控制系統硬件設計是整個控制系統設計過程中最為重要的環節，是整個系統可靠工作的根基。設計本控制系統的目的是要實現異步電動機高轉矩、小電流平滑軟起動，根據交流異步電動機軟起動控制要求，完成起動所需參數的檢測和輸出。

(1)同步電壓檢測，檢測輸入工頻電源電壓過零點、相序以及是否缺相等;

(2)電流檢測，檢測起動電流是否在控制系統所允許的安全運行范圍內;

(3)控制及運行參數的設置和顯示;

(4)對外部輸入參數進行采樣;

(5)不同系統之間的數據通訊傳輸。

智能重載軟起動器硬件控制系統的設計必須要考慮所要實現的功能，設計各個硬件電路單元模塊。

2.1 芯片介紹

該軟起動器控制系統的核心控制CPU選用ST公司的STM32F103C8芯片，負責相關信號檢測與判別、算法處理和控制、輸出控制等功能。相對于單片機而言，STM32F103C8T6運行速度更快、功耗更低，更符合控制系統的要求［4］。

2.2 系統控制電路

系統控制電路主要分為以下幾部分:

(1)主控單元:主要指STM32F103C8T6及其相關外圍電路。負責信號的檢測與判別、算法處理與控制，負責與單片機及外部設備進行通訊等。

(2)輔助控制單元:以CPLD(EPM240)為核心，主要負責對STM32F103C8T6的控制信號進行濾波，觸發脈沖信號的產生，給出故障報警信號及旁路輸出信號等。

(3)人機操作界面與顯示系統:以AT89C52為該單元CPU進行人機操作界面和顯示處理最小系統設計，保證外部與STM32F103C8T6進行數據通訊。將主控制單元和界面顯示單元分開進行控制，不僅可以有效地利用STM32F103C8T6的快速數據處理能力和豐富的外圍硬件電路資源，同時，AT89C52分擔了操作界面和顯示處理的工作，使STM32F103C8T6能更專心于算法的運算與系統功能的控制實現，提高了系統運行的快速性、穩定性和可靠性，保障了控制系統實時快速地處理各種控制和監測的數據，保障了控制系統相應控制功能的順利實現。

3 部分關鍵電路設計

3.1 工作電源電路

按照設計要求，該電路系統中所需要的電源有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換為24 V(DC)和12 V(DC)，最后通過三段穩壓芯片再分別轉換為12 V和3.3 V。

3.2 最小系統設計［4］

該最小系統采用STM32F103C8為核心芯片，采用3.3 V供電，采用8 MHz無源晶振，采用JTAG標準接口。時鐘電路及復位電路如圖3所示。

圖3 時鐘及復位電路

軟起動器控制板采用手動復位，如圖3所示。圖中CPU_RST直接與STM32F103C8T6的復位引腳NREST相接，B1為復位開關。

3.3 同步電壓信號檢測電路

由于晶閘管的觸發角都是以三相電源同步信號為基準的，因此同步電壓信號電路是用來確定每一相電壓準確的過零點時刻，進而確定初始觸發時刻，保證正確觸發晶閘管。因此，同步電壓信號檢測對軟起動器控制系統具有重要的意義。

工頻電源電壓在過零點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，導致過零比較器的輸出端輸出信號出現抖動，進而引發CPU外同步中斷在同一過零點時刻中斷次數不只一次，造成軟起動控制系統的不穩定，甚至導致起動失敗，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。

在實際運行過程中電壓會出現負值，因此不能用地作為參考點，該同步電壓信號檢測電路采用5 V穩壓管為參考點，三相同步信號源直接取自電網電壓通過電阻分壓得到同步電壓信號，經過阻容移相后，由LM339對電壓進行比較，輸出高低電平，將交流信號經整形變換為矩形脈沖。最后再由光耦對信號進行隔離和發送至觸發角控制和條件單元CPLD。此電路同時具有過零和缺相檢測功能。

3.4 電流檢測電路

電動機在起動時，如起動電流過大，會對電網及同一電網中的其它用電設備造成沖擊;如果起動電流過小，則會增加起動時間。因此在電動機起動過程中必須施加限流和過流保護措施，即在軟起動過程中必須要有電流檢測環節。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起動運行時的電流值，將得到的電流互感器二次側電流值通過整流電路轉換成直流，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，完成限流調節和過流保護功能。

圖4 電壓同步檢測電路

圖5 電流檢測電路

3.5 晶閘管觸發系統

產生正確的觸發脈沖是整個控制系統的核心，晶閘管的可靠觸發是晶閘管運作的首要條件。工作過程示意圖如圖6所示。由STM32F103C8T6產生觸發脈沖控制信號后送入EPM240，然后由EPM240進行必要的邏輯運算處理后，經過三態緩沖器74HC244對驅動信號進行增強，由光隔TPL521對信號進行隔離后再經過反向緩沖器MC1413后將控制信號送到脈沖變壓器及繼電器一側，在脈沖變壓器的另一側產生觸發脈沖序列加到晶閘管的門極，完成對晶閘管導通與關閉的控制。

圖6 晶閘管觸發系統示意圖

3.6 操作界面、顯示單元電路

軟起動器帶有鍵盤操作界面和顯示模塊，可以通過軟起動器進行外部控制和顯示異步電動機起動以及運行過程中的電流、電壓等相關信息，同時通過操作界面可以輸入控制信息及顯示系統的狀態信息。本系統通過AT89C52實現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負責外部界面操作和運行參數顯示，減輕了STM32F103C8T6的工作量，使其更加專注于軟起動程序的執行，避免了頻繁中斷引起的累積錯誤。

圖7 操作界面、顯示單元示意圖

另外，硬件電路的設計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

由于在實際工業控制過程中存在各種干擾源，雖然多數干擾不會對控制系統造成致命性破壞，但會使整個控制系統無法正常工作，嚴重的，甚至無法實現電動機平滑軟起動。某些干擾可以通過硬件電路設計消除或是避免，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)電源抗干擾設計

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

(2)接口抗干擾設計

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

(3)電路板抗干擾設計［6］

若電流允許，盡量加粗電源線，減少環路電阻。電源線、地線走向與數據傳輸方向一致，增強抗噪聲的能力;盡量選用小電流、低功耗的元器件，減少板內EMI及發熱;地線盡可能粗，在PCB板上繞一圈不閉合的數字地等。另外，繼電器、按鍵等元件操作時會產生較大火花，設置RC電路來吸收放電電流。

5 控制系統電路板

在電路原理圖設計完成后，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。控制系統電路板如圖8所示。

6 結 語

本文主要設計了軟起動器控制系統硬件電路。從控制電路方案、同步電壓信號的產生到相序檢測及缺相檢測電路、觸發脈沖的產生、電流檢測電路、外部操作界面及鍵盤顯示單元電路等，給出了各個功能單元模塊的具體硬件實現電路，分析了系統中各個功能單元模塊的原理和作用。對所設計的系統進行了實物制作，制成一塊測試實驗用的控制系統電路板，為后期有效進行實際電路測試及相應功能驗證提供了基礎。

［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，徐殿國，等.離散變頻軟啟動器啟動轉矩分析［C］//第五屆變頻器行業企業家論壇論文集.2007:51－56.

［3］ 高衛東，辛友順，韓彥征.51單片機原理與實踐［M］.北京:北京航空航天大學，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系列單片機原理與接口技術［M］.北京:航空航天出版社，2004.

［6］ 清源科技.Protel99SE電路原理圖及PCB設計與仿真［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［7］ 王幸之，王雷，翟成.單片機應用系統抗干擾技術［M］.第一版.北京:北京航空航天大學出版社，2001.