56F8346的電動機軟啟動器設計

李鑫，李國洪

（天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

引 言

電動機直接啟動時產生的電流很大，一般為額定電流的4～7倍，最高可達15倍，嚴重影響了電動機的啟動性能。晶閘管門極脈沖相位的變化可以改變輸出端電壓的幅值，以此改變負載端的電壓。基于此原理，研究了一種基于Freescale公司的DSP芯片56F8346的軟啟動器，它可以降低啟動電流，并且啟動時間比傳統的單純降壓啟動要短，可以替代傳統降壓啟動方式，解決了電動機控制中存在的一些難題。

1 軟啟動器總體方案

通過研究軟啟動的基本原理和對電動機啟動電流的分析，設計出軟啟動控制策略。硬件設計主要包括主電路和控制電路。采用DSP控制完成系統信號檢測、數據運算、指令傳輸、觸發信號產生等任務，實現電動機的軟啟動。軟件設計采用模塊化方法，并且選用C語言進行編程，這樣既便于軟件調試和運行，又兼顧了源程序面向過程、節省存儲空間的優越性。該軟啟動器可達到以下的技術指標：

◆啟動過程時間為0～60s（可調）。

◆兼有對被制動的電動機正常啟停（非制動停止）的功能。

◆兼有對被制動的電動機短路保護、過載保護、過壓、欠壓保護功能。

◆環境溫度為－40～150℃時均能正常工作。

2 軟啟動器硬件設計

軟啟動器硬件包括主電路和控制電路兩部分。主電路通過控制反并聯的晶閘管的導通角來改變加載在電動機兩端的電壓，從而實現軟啟動。控制電路包括DSP控制電路、觸發驅動電路、檢測電路、同步電路、鍵盤顯示電路等。需要檢測的物理量有電壓、電流、相位、溫度等，這些信息需送入DSP進行處理，以形成對晶閘管的控制信號。系統電路原理圖如圖1所示。

圖1 系統電路原理圖

2.1 同步觸發驅動電路

為了使各個晶閘管的觸發脈沖與其陽極電源保持嚴格的同步相位關系，在系統中必須設置同步電路。本系統中，同步信號采用3個同步變壓器，同步變壓器輸出的信號經過光電隔離及功率驅動后送入DSP，由DSP檢測同步信號狀態，以保證晶閘管觸發脈沖相位與主電路電壓相位精確可調。同時，由三相電源經同步變壓器后輸出的電壓信號通過電阻、電容組成的限流移相電路移相30°后，再經過光耦TLP250驅動后送到晶閘管集成觸發芯片TC787。

TC787主要包括3路相同的部分：同步過零檢測和極性檢測、鋸齒波形成及比較電路，以及抗干擾鎖定、脈沖發生器、脈沖形成、脈沖分配和驅動電路。觸發電路接受DSP的控制，DSP根據控制的需要由PWM輸出轉換得到一個直流電壓。該電壓被加到TC787的第4腳，4腳的電壓與芯片內部的鋸齒波比較，取得交相點，控制輸出脈沖。輸出脈沖通過脈沖放大整形后送出，作為晶閘管的觸發信號。晶閘管的輸入是采用光耦驅動。圖2為一路同步觸發驅動電路，光耦芯片采用TLP250。

圖2 一路同步觸發驅動電路

2.2 電壓電流檢測電路

同步變壓器輸出的三相電壓分別經過全橋整流、濾波和分壓后獲得一個直流電壓信號，將此信號作為反饋輸入到DSP的A／D引腳，A／D轉換器對此信號進行采樣，然后取平均值作為此時電壓的反饋值，再根據值的大小進行判斷和處理。電流互感器的輸出經過全橋整流、濾波和分壓后獲得一個直流電流信號，將此信號作為反饋輸入DSP的A／D口，A／D轉換器對此信號進行采樣，然后取平均值作為此時電流的反饋值，再根據值的大小進行判斷和處理。電流檢測電路如圖3所示。電壓檢測電路與此類似，不再贅述。

圖3 電流檢測電路

2.3 硬件抗干擾措施

繪制印刷電路板時，應注意采用正確的方法，以提高控制系統的可靠性。在測量電路中，通過RC低通濾波器消除由主電路感應過來的尖峰電壓；在控制電路的數字部分，每一個集成電路都要配置一個高頻去耦電容，以消除數字線路上尖峰電流所造成的影響。

3 軟啟動器軟件設計

軟啟動器各部分電路的協調工作需要軟件的配合，因此軟件設計的好壞直接影響到系統能否正常運行、能否滿足系統的設計功能要求。該系統軟件要實現的功能包括控制移相觸發角，以及數據的動態顯示、采集及處理等。系統的軟件流程包括：主程序、中斷處理和按鍵顯示三部分。

3.1 主程序

主程序主要負責系統管理，包括系統自檢和初始化、相應啟動程序和中斷處理部分。主程序流程圖如圖4所示。系統的初始化包括I／O口初始化、A／D采樣模塊初始化、PWM模塊初始化、SCI通信模塊初始化、中斷系統狀態初始化以及DSP外設初始化等。軟啟動系統工作之前要進行系統的自檢，及時發現電路中存在的問題，保證軟啟動系統和電動機工作的安全。自檢的內容包括電壓、電流、溫度、相位。系統啟動部分設計內容包括判斷是否要求啟動，啟動是否完畢，以及系統是否穩定運行等。主程序完成初始化和自檢后如得到啟動命令則進入一個循環，等待中斷發生，直到啟動完成。

3.2 中斷處理

系統中斷響應共4個中斷源，按優先級從高到低包括：故障處理中斷、A／D采樣中斷、電壓環和電流環PI計算中斷、PWM重載中斷。電壓和電流反饋量是晶閘管軟啟動系統的重要反饋信息。在系統中，采用以電流作為反饋量的恒流啟動方式。A／D采樣中斷測得電流電壓反饋量，如果該值是故障值（過流、過壓、欠壓、缺相等），則進入故障處理中斷；否則進入電壓環和電流環PI計算中斷，經PI調節計算得到觸發角，觸發PWM重載中斷，輸出觸發信號，進行調整。

在56F8346中有兩個模／數轉換模塊（ADC），包括16路模／數轉換輸入口，使用4個采樣保持器。本系統使用兩路采樣保持器，對電流、電壓信號進行同時采樣。ADC采樣時刻與PWM中心時刻調整成精確同步，這樣每次PWM正脈寬的中心時刻同步啟動ADC。

3.3 按鍵顯示

本系統采用非編碼鍵盤，以掃描方式查尋鍵值。顯示部分采用5個共陰極的LED顯示器，前2位顯示參數或者故障類別，后3位顯示相應參數的數值。鍵盤部分實現人機對話、參數設定與修改，顯示部分用來實現工作參數及故障類別顯示。

3.4 軟件抗干擾措施

圖4 主程序流程圖

由于各種干擾源的存在，在系統硬件采取措施的基礎上，進行軟件抗干擾設計。在模擬輸入信號端采用硬件濾波后，再使用軟件濾波技術，保證數據信息的可靠和可信；對于狀態信號的抗干擾輸入，多次重復采樣，直到連續兩次或多次采集結果完全一致時為有效；在軟件設計中使用了軟件冗余、軟件陷阱和看門狗技術，有效地防止程序失效和陷入死循環，保證系統和程序正常運行。

4 總 結

本文所設計的軟啟動器能實現以下功能：

①能克服直接啟動和傳統降壓啟動的缺點，實現平滑、無級加速的啟動，完善的保護功能可以實現電動機的缺相、過壓、欠壓、過流、過載、短路保護等；

②根據所需的啟動技術參數和要求進行啟動，對電網及設備的沖擊相對較弱；

③正常工作時顯示工作電壓、工作電流、最大電流等參數。故障時顯示故障原因及參數，并進行故障報警。

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