基于单片机的交流异步电机软启动器节能运行研究

山东大学

毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

基于单片机的交流异步电机软启动器节能运行研究

学生姓名：李玮栋

学院：控制科学与工程学院

专业：自动化

年级：2001级

指导教师姓名：崔纳新

2005年6月2日

目录

摘要 (4)

ABSTRACT (5)

1引言 (6)

1.1异步电机软启动与节能运行技术的重要意义 (6)

1.2异步电机软启动技术概述 (6)

1.2.1传统启动与软启动 (6)

1.2.2软启动器的基本原理 (7)

1.2.3软启动器的工作方式 (7)

1.2.4软启动器的适用场合 (8)

1.3节能运行技术发展现状 (8)

1.3.1节能运行的基本原理 (8)

1.3.2节能运行在软启动器上的实现 (9)

1.４本文任务 (10)

2节能运行的工作原理 (11)

2.1功率因数的测量与计算 (11)

2.1.1信号的过零检测 (11)

2.1.2功率因数的计算 (11)

2.1.3技术难点和解决方式 (13)

2.2基于单片机的PID调节 (13)

2.2.1PID调节的原理 (13)

2.2.2运算方式的选择 (14)

3系统构成 (15)

3.1硬件选择与连接 (15)

3.1.1单片机与功率因数检测电路 (15)

3.1.2电机运行控制电路 (15)

3.1.3数据输入与显示电路 (15)

3.2工作原理 (18)

3.2.1键盘 (18)

3.2.2显示 (18)

４控制与运行方式 (20)

4.1运行方式及参数设置 (20)

4.1.1可选方式与参数 (20)

4.1.2操作流程 (20)

4.2程序设计 (21)

4.2.1主程序流程图 (21)

4.2.2数据处理程序流程图 (22)

4.2.3键盘扫描程序流程图 (23)

5结论 (24)

结束语 (26)

谢辞 (28)

参考文献 (29)

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3

摘要

交流异步电机是工农业生产中最重要的拖动设备之一，因其结构简单、维修容易等优点而得到了广泛应用。但电机直接启动时的电流和机械冲击过大，对其自身及拖动设备的使用寿命都会产生影响，较大的电网压降还会影响电网供电和其他设备运行。因此，采用电机软启动技术势在必行。

本文通过分析交流异步电机软启动器工作原理，在Intel 89C51单片机基础上对其软硬件进行了适当扩展，并添加了人机界面，从而可对电机运行的各参数进行设定和修改。借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，单片机可以根据负载变化相应地调整电机输出电压，使电机始终工作在设定功率因数下，从而实现交流异步电机的恒功率因数控制，达到节能运行的目的。

关键词：异步电机；功率因数；软启动；节能运行

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ABSTRACT

In the industrial and agricultural manufacture, alternating current asynchronous motor is one of the most important driving equipments. It has got vast application for a simple framework and well maintain ability. But when asynchronous motor is started directly, the motor and the driving equipments’ longevity will be badly affected by huge starting-current and mechanical collision, and big voltage decrease would influence the power-supply network, even other equipments’operation. So it is necessary to undertake the asynchronous motor’s soft start technology.

The paper analyzes the working principle of asynchronous motor soft-starter, and realizes software and hardware expansion based on single-chip microcomputer Intel-89C51.A interface between human and soft-starter, where the operation data of the motor could be modified has also been added. The power factor measure circuit and the soft-starter’s thyristor voltage modualtor form a close circuit feedback system, by which the single-chip microcomputer can change the motor’s terminal voltage according to the load, and make the motor runs under the set power factor. In this way, the asynchronous motor’s constant power factor control system is realized, and the energy saving operation is achieved.

.

Keywords：asynchronous motor；power factor；soft start；energy saving operation

5

1引言

近年来，我国工农业的飞速发展对电能的需求越来越大，但煤炭、石油等燃料资源的相对短缺极大限制了电力资源的供应、大幅抬升了电力价格。在这种情况下采用现实可行的节能技术，节约用电量、提高能效就成为当务之急。

1.1异步电机软启动与节能运行技术的重要意义

电机是工业生产中最重要的拖动设备之一，交流异步电机由于结构简单、维修容易等优点，被广泛应用于工农业及其他生产当中。但电机直接启动时的电流过大，启动瞬间转矩造成的机械冲击也会影响其本身及拖动设备的使用寿命，过大的启动电流还加速了电机绝缘老化。电机启动时会引起较大的电网压降，影响电网供电和其他设备运行。频繁启动电动机的场合，还会因电机的短路、缺相、过流、欠压、堵转等故障影响设备运行。因此，宜采用软启动控制技术，改善电机的不良启动性能，延长电机寿命，减少电网冲击。

据不完全统计，电机的用电量已占到我国发电总量的50%，研究电机节能运行技术具有很强的现实意义。由电机学理论可知，异步电机运行在额定负载时效率最高，通常可达80%左右；其负载越小，效率和功率因数就越低。多数电机，其大部分运行时间内的负荷率都在50%-60%，实际运行效率较低；而电机选型时又是按照需要的最大负载和最坏情况下所需要的功率而定的，因此在大部分时间内，电机都运行在效率较低的轻载情况下。在轻载情况下降低电机电压，既提高了其运行效率，也可以显著节省电能。[1]

1.2异步电机软启动技术概述

1.2.1传统启动与软启动

异步电机的传统启动方式有全压启动、星三角降压启动和自耦降压启动等。前者启动电流大，5-7倍的启动电流造成能量的巨大消耗，对电网和变压器也有很大冲击，影响电机本身及控制期间的寿命；后两者启动电流较小，但同样存在冲击电流，设备故障率较高，同时启动转矩降低，启动时间延长。[2]

所谓“软启动”，就是按预先设定的控制模式进行的电机降压启动过程。交流电机启动6

时的电流一般是额定电流的1.5倍，软启动的主要目的是降低异步电机的启动电流，提高系统运行稳定性，延长电机及相关设备的使用寿命。

1.2.2软启动器的基本原理

软启动器的晶闸管调压电路由6个晶闸管两两反向并联组成，串接于交流异步电机的三相供电线路之上。(图1-1)加入启动信号后，系统软件首先施加若干毫秒的固定延时用于系统自检，然后进行有关计算，输出晶闸管触发信号，通过控制晶闸管导通角α，使启动器按所设计的模式调节输出电压、控制电动机的启动过程。启动过程完成后，单片机再发出控制信号，启动器将用于短接可控硅的旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使单片机控制系统停止工作，电机直接投入电网运行，避免不必要的电能损耗。

图1-1

1.2.3软启动器的工作方式

(1)限流软启动主要用于轻载启动。在启动过程中限制启动电流不超过某一设定值

(I m)，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I m，然后在保持输出电流I

(2)电压斜坡启动用于重载启动。输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压启动变有级为无级。电压斜坡启动缺点是启动转矩小，转矩特性呈抛物线型上升，对启动不利，且启动时间长，对电机也不利。改进的方法是采用双斜坡启动：输出电压先迅速升至U1（电

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动机启动所需最小转矩所对应的电压值），然后按设定的速率逐渐升压，直至额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种启动方式的特点是启动电流相对较大，但启动时间相对较短。

(3)转矩控制启动主要用于重载启动，它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压，它的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少了对电网的冲击，是最优的重载启动方式，其缺点是启动时间较长。

(4)转矩加突跳控制启动与转矩控制启动同样用于重载启动。不同的是，突跳控制在启动瞬间用突跳转矩克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短启动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷。

(5)电压控制启动用于轻载启动，在保证启动压降的前提下使电动机获得最大的启动转矩，尽可能地缩短启动时间，是最优的轻载软启动方式。

1.2.4软启动器的适用场合

(1)生产设备精密，不允许启动冲击，否则会造成生产设备和产品不良后果的场合。

(2)电动机功率较大，若直接启动，要求主变压器容量加大的场合。

的供电系统。

(3)对电网电压波动要求严格，对压降要求≤10％U

Ｎ

(4)对启动转矩要求不高，可进行空载或轻载启动的设备。严格地讲，启动转矩小于额定转矩50%的拖动系统才适合用软启动器解决启动冲击问题。重载或满载只能采取变频软启动，实现无过流软启动，提供1.2-2倍额定转矩的启动转矩。

(5)软启动器的缺点是不能长时间应用于启动转矩要求很高的电机驱动装置上。这是因为电机软启动器实际上是将自身电压斜坡式抬升至最大值，停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平来完成工作的。由于转矩与电压平方成正比，连接电机无法一开始就达到最大转矩，因此软启动器更适合于风扇、电梯、水泵、传送带等轻型易启动设备。

1.3节能运行技术发展现状

1.3.1节能运行的基本原理

电机效率是电机输出功率与输入功率比值的百分数。因为电机的输入功率并不仅用来驱动电机、在轴上输出功率，还有一部分成为电机的固有损耗，所以电机效率总是小于1。

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电机的主要损耗为铁耗和铜耗，其中铜耗是电流经过电机绕组产生，与电流平方成正比；铁耗是电机定子和转子铁心中的励磁电流而产生，与供电电压成正比。其他损耗很小可忽略。若电压不变而电机负载变化，则与电压成正比的励磁电流基本不变，电机从电网吸取的无功功率Q也不变，但电机吸收的有功功率是随负载增加而增大的。因此，电机在空载和轻载时功率因数很低，同时由于与负载电流成正比的可变损耗降低使电机的效率也大大下降。如能在负载减轻的同时，相应降低电机端电压，则励磁电流随之减小，Q下降，从而提高了功率因数；同时，定子铁损耗下降，可较大地提高效率，达到节电的目的。

1.3.2节能运行在软启动器上的实现

为获得最佳的节能效果，人们提出很多电机端电压优化调节原则，如恒功率因数控制、最小定子电流控制、最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制等，但最为重要的因素应是功率因数角定义的工程实用性。

异步电机通常总在全压下运行，电机从空载到满载，磁场几乎不变。因此磁化电流在所有负载下基本相同。当电机工作在空载或轻载时功率因数很低，造成电机效率低。如在轻载时适当降低端电压，则定子电流中的无功分量将减小，从而使功率因数上升。由此可见，功率因数既能反映电机负载的变化，又能反映供电电压波动，是一个理想的控制参数。因此，恒功率因数控制成为目前在异步电机节能运行技术中采用最多的控制策略。其原理方框图如图1-2所示。[3]

图1-2

利用软启动器实现节能运行，就是单片机通过不断检测电机运行时的功率因数角（cos?），并与设定的功率因数角比较，根据比较结果自动地调节软启动器可控硅的导通角α，cos?数值低表明是轻载，要降低电动机的端电压；cos?数值高表明是重载，则需升高电机的电压。如此一来，实现了可控硅输出电压的自动调节，使电动机始终工作在设定

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的功率因数下，减少了电机轻载运行时的损耗，提高了电机运行效率，从而达到节能的目的。[4]

1.４本文任务

本文将在异步电机软启动器的软硬件基础上扩展节能运行功能。以Intel 89C51单片机为中心，借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，使单片机能根据负载变化相应调整电机输出电压，实现交流异步电机的恒功率因数控制，达到节能运行的目的。与此同时，添加键盘和LED显示器作为人机界面，从而可对电机运行的各参数进行设定、修改和观察。

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2节能运行的工作原理

节能运行是在异步电机软启动器的基础上扩展的功能，采用恒功率因数控制原理，建立了闭环控制回路。通过扩展的人机界面，软启动器可以在平稳启动后按键选择进入节能运行状态。借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，根据负载变化，单片机就可以相应地调整电机输出电压，使电机始终工作在预先设定的功率因数下，从而达到节能运行的目的。

2.1功率因数的测量与计算

2.1.1信号的过零检测

电机的功率因数与功率因数角呈简单的余弦关系，而功率因数角 可以通过测量电压电流之间的相位差获得。由于异步电机是个感性负载，轴上电流滞后于电压，电压过零后尚需一个延迟角电流才过零，因此其夹角即为功率因数角。

电路使用同步变压器，将电机端电压降为同频的低电压信号U1；使用电流互感器将流过可控硅的电流取出，并通过电阻转化为相应的同频同相位电压信号U2。为使软硬件得以简化，在功率因数角的测量中对两路信号采用过零检测，通过电压比较器LM393，将信号与微电平相比较，从而获得同频同相位的矩形波U1’和U2’。以电压的上升沿作为触发脉冲的同基准信号。

2.1.2功率因数的计算

将比较器输出的两路矩形波信号U1’和U2’经与门74LS08相与，输出波形再同U1’一起送异或门74LS86，其输出波形即显示了相位差角的大小（图2-1）。然后将信号输入89C51单片机的INT0口。

先通过软件对寄存器IE赋值，使INT0口关中断。这是因为，定时器/计数器0检测89C51的INT0口，通过定时器工作方式寄存器TMOD来控制定时器/计数器0的工作方式和操作模式，通过定时器控制寄存器TCON来控制它们的工作状态。由于程序需要当INT0脚由低电平变为高电平时，定时器/计数器0开始计时，为了消除外部干扰，须先将INT0口关中断。

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12 定时器/计数器0选择工作方式一，将定时器工作方式寄存器TMOD 中GATE 位置位，C/T 位清零；将定时器控制寄存器TCON 中TR0位置位；并将中断允许寄存器IE 中EX0位清零。这样，由于电压信号和电流信号经过一个异或门，当电压首先过零而电流未过零时，INT 0口就会由低电平跳变为高电平，定时器0同时开始计时；当滞后的电流也过零时，INT 0口又由高电平跳变为低电平，定时器0停止计时。随后，程序将计时值送至指定单元。为提高检测精度，又不使计数器溢出，程序连续纪录4个矩形波的时间，算得平均值作为检测值t 。

图2-1

由于异步电机是在工频（50Hz ）下工作，单片机的晶振频率也可知，那么就可以求出电压或电流一个变化周期所对应的定时器的计数值T 。由

π?

2=

T t 可知T

t π?2=，t 由单片机定时器/计数器0计时获得。而cos ?可通过事先在单片机内输入?与cos ?相对应的数表，从而查询取得。

单片机算出cos ?的值后送七段数码管显示，同时与设定的功率因数值相比较，开始可控硅调节。

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2.1.3 技术难点和解决方式

在功率因数的计算过程中，求相位差的值是通过式T

t

π

?2=来实现的。t 即单片机定时器/计数器0计时值，T 即电压或电流一个变化周期所对应的定时器的计数值。显然，t

2.2 基于单片机的PID 调节

2.2.1 PID 调节的原理

PID 调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。其实质是根据输入的偏差量，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果是其输入的比例、积分、微分的函数，用于输出控制。由于PID 控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型变可以调节，因此模拟调节器和数字调节器大都采用PID 调节规律。[5]

检测到的功率因数经与设定值进行比较后得到偏差量；然后由PID 算式算出可控硅的控制角，再换算成相应的控制电压，经D/A 转换器和运算放大器后送到智能电机控制模块。根据控制电压0-10V 的大小，智能电机控制模块可以相应地使可控硅导通角α在0-180o之间调整，通过调节电机电压，达到根据负载调整电机转速的目的。

在模拟系统中，PID 算法的表达式为：

()()[()()]dt

t de T dt t e T t e K t P D I p ++

=?1 （2-1） 其中，P(t)为调节器的输出信号，e(t)为调节器的偏差信号，K P 、T I 、T D 分别为调节器的比例系数、积分时间和微分时间。

14 2.2.2 运算方式的选择

由于计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此在机算机控制系统中，必须对式（2-2）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，将积分项和微分项用求和及增量式表示。常用的PID 算法中分为位置型和增量型两种，两种方法各有优缺点，宜根据被控对象的实际情况加以选择。鉴于电机运行控制电路以晶闸管作为执行部件，因此应当采取位置型PID 算法，写出第k 次采样时PID 的输出表达式：

()()()()()[]∑=--++=k

j D I P k e k e K j e K k e K t P 01 （2-2）

其中，I P I T T

K K =，为积分系数；T

T K K D P D =，为微分系数；T 为系统采样周期。

在用8051汇编语言进行PID 程序设计时，有定点运算和浮点运算两种计算方法，定点运算速度较快，但精度低一些；浮点运算精度高，但运算速度较慢。在本系统中，电机转速的变化速度与单片机计算及工作速度相差甚远，所以采用浮点运算就可以满足要求。

3系统构成

添加了节能运行功能的异步电机软启动器主要由单片机、功率因数检测电路、电机运行控制电路、数据输入与显示电路等部分构成。系统基于8位的Intel 89C51单片机开发，外接4位七段数码管显示器，并配有一个2

4?的矩阵式键盘，用于电机启动及节能运行过程中各控制参数的设定、输入和显示。

3.1硬件选择与连接

3.1.1单片机与功率因数检测电路

系统使用了8位的Intel 89C51单片机、电压比较器LM393等[6]。电机端电压和线电流被同步变压器和电流互感器转化为电压信号后，通过比较器LM393获得两路矩形波。经异或门后，与功率因数角对应的矩形波即送89C51单片机的INT

口，由单片机通过定时器

0记录矩形波的时间，计算功率因数角。（图3-1）

3.1.2电机运行控制电路

根据检测到的功率因数与设定值的偏差量， 89C51单片机通过PID算式给出一控制电压，经过8位数模转换器DAC0832和运算放大器送至智能电机控制模块，DAC0832采取单极性输出。智能电机控制模块的控制电压大小为0-10V，对应可控硅导通角α的0-180o，各输出端接异步电机的三相。（图3-1）

3.1.3数据输入与显示电路

系统的人机对话界面配有4位LED共阴极数码管显示器和2

4?的矩阵式键盘，上电或复位时启动并自检。键盘上8个按键的功能与名称分别为电机启动（RUN）、停车(STOP)、设置(SET)、复位(RESET)、上调(▲)、下调(▼)、节能运行(SAVE)以及确定(OK)，电机运行各参数的设定与显示均通过这个界面完成。为兼顾键盘和显示，系统使用可编程并行扩展I/O接口芯片8155与单片机进行连接。8155的PA口提供字符的段选码，PB口提供字符的位选码及输出键盘的列扫描线，PC0和PC1则提供键盘的行输入。（图3-2）[9]

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图3-1

图3-2 见下页16

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LED数码管采用动态扫描方式。在同一时刻只选通一个数码管并送出相应的字符段码，而在下一个时刻再选通另一个显示器送出相应段码，如此循环，使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻分别显示，但由于人眼的视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，就可以给人同时显示的感觉。

3.2工作原理

3.2.1键盘

矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。行、列线分别接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V电源上。无键按下时行线处于高电平状态，而当有键按下时，行、列线将导通，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。[7]单片机对键盘的控制为程序控制扫描方式。通过程序，控制单片机在空闲时调用键盘扫描子程序，并反复扫描键盘，直到用户从键盘上输入命令或数据。

键盘扫描子程序完成如下几个功能[8]：

（1）判别有无键按下：PA口输出全为0，读PC口状态。若PC0—PC1全为1，则说明无键按下；若不全为1，则说明有键按下；

（2）消除按键抖动：判断有按键按下后，用软件延时的方法延时10ms，再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下，否则当作按键抖动处理；

（3）求按键位置：根据前面介绍的扫描法进行逐列置0扫描，最后确定按键的行、列值，并通过计算得到按键的键号。键盘用0-7赋予键号，扫描键盘时设置列计数器R4，行首键号送A，则闭合键号=行首键号+列号，即：键号=（A）+(R4)；

（4）键闭合一次仅进行一次按键的处理方法是等待按键释放之后，再进行按键功能的处理操作。

3.2.2显示

4个数码管各设一个显示缓冲单元，要显示的内容首先送到显示缓冲区各位数码管对应的显示缓冲单元。（本文中为50H—53H，50H对应最左边数码管，53H对应最右边数码管。）各命令键的服务子程序入口地址连续存放在一起形成入口地址表，程序执行时根据按下的

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命令键号，用查表指令找到对应的入口地址，从而执行相应的命令功能。

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４控制与运行方式

键盘和显示是系统的核心部分。作为人机对话的界面，系统用了8个按键和4个LED 显示器完成各种启动方式及运行参数的设定与修改，功能较为强大。单片机软件采用C51语言编程，C51与汇编语言相比，有编程效率高、代码易维护等优点。

4.1运行方式及参数设置

4.1.1可选方式与参数

本系统共设计了4种启动方式及2种停车方式，可由智能电机控制模块完成。分别为全压启动、电压斜坡启动、电压阶跃启动、限流启动；软停车和自由停车。其在数码管上的显示代码分别为0、1、2、3；4（将软停车的停车时间设为0，即为自由停车，故不单列）。

可进行设定的运行参数包括额定电压、额定电流、启动时间、停车时间、额定功率因数等，参数种类根据启动方式的不同而在显示上略有区别。

4.1.2操作流程

（1）单片机上电或复位后，键盘和数码管显示启动，系统自检。一切正常时，数码管显示“good”，方可开始其他操作；

（2）按设置(SET)键数次，选择需要设定的启动、停车方式和运行参数。各种运行方式下的参数将在数码管上循环显示，并采用方式代码与参数相结合的形式。如显示“1U”时，“1”代表电机采用电压斜坡启动，“U”代表待调参数为初始启动电压；

（3）各运行参数在数码管上显示时即被选中，再按上调(▲)或下调(▼)键则调整参数数值，数码管同步显示；

（4）参数调整完毕后，按确认(OK)键，存储运行参数。此后如不作修改，则始终按当前参数运行，关机与掉电情况下也不会丢失。需要重新设定时，须按复位(RESET)键将各参数清零，再重复上述操作；

（5）运行参数储存后，按启动（RUN）键，电机则根据设定的方式与参数开始软启动；（6）电机完成软启动过程，进入平稳运转后，按下节能运行(SA VE)键，即进入节能运

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