基于STM32的軟起動器程序設計

孟彥京，高筱筱，李林濤，陳 君

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

異步電機起動時有很高的起動電流，空載時達到其額定電流的4倍～7倍，帶載可達到8倍～10倍，對電機自身和電網的沖擊比較大，嚴重影響了電動機的使用壽命以及同一變壓器上的其他用電設備的正常工作［1］。本文所設計的軟起動器控制旨在限制電機起動電流，減小起動電流對電網的沖擊，同時也能達到節能的目的。

STM32相對于大多數8 bit或16 bit的微處理器來說，性能較高，成本較低，它的全部引腳都可以作為中斷輸入，支持SWD調試，并且是32 bit微處理器市場上功耗最低的產品。

1 系統總體結構設計

該系統建立在市場上出現的軟起動器的基本結構上［1］，如圖1所示，主要由 SCR主電路、電壓檢測、電流檢測，觸發控制、調節環節(CPU等)及顯示等部分組成。其中電壓檢測部分包含缺相檢測和相序檢測，STM32負責接收檢測到的電壓和模擬電流信息，然后根據不同的需要對信號進行分析，產生不同的觸發方案。起動完成后，通過旁路接觸器短路，電動機開始全壓運行。

圖1 系統總框圖

系統總流程圖如圖2所示，首先對系統上電，如果主函數中的檢測環節檢測到高電平，那么開始進行系統初始化，初始化過程主要包含片內硬件初始化和片外硬件初始化，前者主要是對定時器，中斷，串口，時鐘等進行配置。為了防止缺相引起的三相不平衡現象，初始化完成后要進行缺相檢測，缺相檢測原理圖如圖3所示。

圖2 系統總流程圖

圖3 缺相檢測原理圖

當有三相電經過時，系統硬件檢測電路將每項電的上半軸變為高電平，下半軸變為低電平，在圖中可以看出，三相電形成的高低電平相互疊加，使得高電平信號一直保持，沒有間斷。當缺少一相及以上時，指定IO口出現低電平，系統開始報警，嗡鳴器持續響，LED燈閃爍，程序中止，在不缺相的情況下，指定IO口會一直檢測到高電平信號。

缺相檢測完畢后，進行相序檢測子程序，由于三相電每個正弦周期是20 ms，每路信號為高電平的時間約為7 ms，并且依次疊加，因此當檢測到A路高電平時，相隔7 ms后檢測B路信號，再相隔7 ms檢測C路信號，如果均可以檢測到高電平，那么說明沒有缺相，否則進入故障檢測模塊。

系統檢測環節完成后，進入軟起動方案子程序，該系統有斜坡升壓軟起動，限流軟起動以及離散變頻軟起動三種起動方案。使用者根據不同的需求進入不同的模塊，起動過程中由串口進行數據采集，將結果顯示在上位機上，如果采集到的各路信號均按預定趨勢變化，那么說明起動過程正常，反之，進入故障檢測環節，輸出錯誤信息。起動完成后，旁路接觸器吸合，軟起動器切出，電機進入全壓運行狀態。待發出停車指令后，斷開旁路接觸器，接入軟起動器，進入軟停車模塊，該系統停車采用觸發角控制方式，在停車過程中逐步增大晶閘管的觸發角，使異步電動機上所加電壓由全壓開始逐漸減小，實現軟停車。停車過程中，顯示系統停車參數，根據參數來判定停車過程是否故障。

圖4 斜坡升壓軟起動

2 系統起動功能塊設計

2.1 斜坡升壓軟起動

斜坡升壓起動示意圖如圖4(a)所示。t1，t2，t3分別代表不同的起動上升時間，初始電壓設定范圍為(30%～75%)Ue，初始電壓的基準值(Ust)可以在此范圍內任意選擇，Ue為額定電壓(一般為380 V)。通常輕載或空載電動機可選擇較低的起始電壓，如30%Ue。有負載時，視負載情況適當提高起始電壓，如60%Ue，以使電動機有足夠的初始轉矩克服機械特性，為防止起動過程中沖擊電流對電網產生不利影響，此方案適用于輕載起動［2］，起動的斜率由起始電壓和設定的起動時間共同決定。

給定起始電壓，初始觸發角可以根據公式［3］計算得到。

當選擇斜坡升壓起動方式時，進入子模塊，過程如圖4(b)所示，首先給定起始電壓，起動時間，根據起動時間可以得知觸發角增大/減小的速率，以10 s為例，10 s內有500個正弦周期，若觸發角從120度開始減小，那么電機在全壓運行之前，觸發角每減小一度，都會經歷大約4個正弦周期。在外部中斷函數中設置變量進行計數，當變量自加到4時，觸發角減小一度。該系統中斷設置如圖5所示。

圖5 中斷原理圖

圖中，t1，t4:定時器達到比較值，進入定時器中斷;t2，t5:定時器達到溢出值，關閉定時器;t3:下降沿觸發，進入外部中斷，開定時器;t6:上升沿觸發，進入外部中斷，開定時器，開始計數。

外部中斷觸發方式為雙邊沿觸發，正弦波每到一個上升沿或者下降沿，都會觸發外部中斷，在中斷函數中設置定時器的比較值(由觸發角的大小決定)及溢出值，同時打開定時器，定時器開始計數，當定時器達到比較值時，進入定時器中斷，產生觸發脈沖觸發上下半波對應的晶閘管，當定時器達到溢出值時，清空定時器計數值，停止觸發，關閉定時器［4］。

當觸發角減小到0時，切換到旁路接觸器，起動完成，電機開始全壓運行。

2.2 限流軟起動

限流起動方式采用電流反饋閉環的控制方式，這樣可以將起動電流限制在一定的范圍內，可以減小電流沖擊，使電機平滑起動。起動時，電壓由初始值逐漸增大，電流則迅速增加，當電流達到設定值時，調節環節開始運行，此時保持電壓不變，電流會隨電機轉速上升而下降，此時升高電壓，電流值又上升，當電流值比設定值大，降低電壓，達到設定值時保持電壓不變，如果電流下降(上升)那么再次升高(降低)電壓，如此循環，使電機電流始終不超過設定值，直至起動過程結束。

限流起動方式示意圖如圖6(a)所示，電動機起動的初始階段起動電流逐漸增加，當電流達到預先所設定的值后保持恒定(t1至t2階段)，直至起動完畢。Ie的確定可以根據不同的負載進行設定，最大起動保護電流設定范圍400%Ie～600%Ie，達到給設定值后延時150 ms。起動過程中，電流上升變化的速率是可以根據電動機負載調整設定，電流上升速率大，則起動轉矩大，起動時間短。該起動方式是應用最多的起動方式，尤其適用于風機、泵類負載的起動［5］。

圖6 限流起動

子程序流程圖如圖6(b)所示，當選擇限流起動方式時，進入子模塊，首先設置限流值，輸入初始觸發角，程序中設定為120°，然后開始有規律地減小觸發角，觸發角每減小一度，都對模擬電流值進行采樣，采樣完之后對得到的采樣值和設定值進行比較，如果比設定值小，說明觸發角仍然可以減小，那么程序回到開始處繼續執行;如果比設定值大，說明電流值過大，那么增加觸發角，繼續對模擬電流量進行采樣與比較，如果和設定值相等，即已達到限流值，那么保持這個觸發角，每隔一段時間檢測一次模擬電流值，若與設定值不一致，繼續進行調節，直至起動完成退出子程序。

2.3 離散變頻軟起動

離散變頻起動按照開環的控制策略進行，人為設定不同頻率下的起動工作時間，到達設定時間后馬上切換至下一頻率進行起動。

該程序假定分頻次序為f/4—f/3—f/2—f［6］，如圖7(a)所示，圖中t1為f/4分頻運行時間;t2為f/3分頻運行時間;t3為f/2分頻運行時間;t4為工頻運行時間，工頻起動采用上文中斜坡升壓起動方式。由于離散變頻軟起動在降低電壓的同時，降低了頻率，因此可以獲得較高的起動轉矩［7］，該方式適用于各類負載起動。

圖7 離散變頻軟起動

當系統收到指令后，進入離散變頻子程序，如圖7(b)所示，首先對各次分頻的觸發角，起動時間進行設置，之后進入4分頻觸發脈沖函數，當觸發時間達到設定時間后，跳出4分頻觸發脈沖函數，否則繼續進行觸發，然后依次進入3分頻、2分頻觸發函數中，當2分頻觸發完成后，程序跳轉至斜坡升壓起動函數中(理論上計算各分頻電機電壓對應的觸發角，從該角度開始觸發)，在設定的時間中完成整個起動過程。

3 實驗結論

以15 kW的三相異步電機為實驗對象，設定起動時間為1 min，實驗室中對3種起動方式進行了驗證，得出，斜坡升壓方式電機起動過程較為穩定，但是由于不限制電流，測得電流值波動很大。額定負載轉矩下，電機起動過程中，相電流最大值為33.6×6.4 A，經過48 s即可達到額定轉速的90%，對電網中的其他設備有一定的影響，后續工作應改進算法，使觸發角的變化隨著正弦波的走勢波動，實現非線性變化。限流起動方式起動過程平穩，額定負載轉矩下，在電機起動過程中，相電流最大值為33.6×5.1 A，限流起動的最大電流峰值比斜坡升壓起動明顯減小，但是起動時間比斜坡升壓起動長，經過53 s才達到額定轉速的90%，后續工作中應該在硬件上增加采樣電流的精度，以此來獲得更好的預期效果。以上兩種起動方式使用同一個軟停車子程序，按照預定的時間平穩停車。離散變頻起動過程中由于頻率分四級變化，在切換的瞬間經仿真驗證電流波動十分劇烈［8］，如圖8所示，出現最大振幅3倍以上的脈動轉矩，可以預計到電機振動將會很明顯。以上問題可在今后的研究中進一步解決。

圖8 變頻切換點的相電流、轉速、轉矩

［1］胡紅明，毛承雄，陸繼明，等.電機分級變頻系統中轉矩脈動的研究［J］.電氣傳動，2009，39(8):11-15.

［2］余洪明，章克強.軟起動器實用手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.北京:機械工業出版社.2005.

［4］喻金錢，俞斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發與應用［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［5］諶頤，歐陽培果，廖泰長.一種新型的異步電動機軟起動控制器［J］.計算技術與自動化，1999(4):35-37.

［6］徐甫榮.采用分級交-變頻方法的高轉矩軟起動器的研制［J］.電源技術應用，2005，8(2):14-19.

［7］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，2007，51-56.

［8］李林，董林璽.基于MATLAB的交流感應電機矢量控制系統研究［J］.電子器件，2010，33(5):617-621.