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基于MCS51单片机的大功率交流电动机软启动器的设计摘要：本文基于MCS51单片机设计了一种大功率交流电动机软启动器，通过对交流电动机进行软启动，实现电机启动时电流的平稳变化，减少对配电网的影响，同时保护电机不受过大的启动电流损坏。
本文详细介绍了软启动器的原理、电路结构以及程序设计等方面，并进行了实验验证，结果表明该软启动器能够有效地实现大功率交流电动机的平稳启动。
关键词：MCS51单片机，大功率交流电动机，软启动器，电流平稳变化1.引言在实际的生产过程中，大功率交流电动机的启动时需要非常大的电流，如果直接将电机接入电源中，会对电源造成严重的冲击。
为了避免这种情况的发生，需要对电机进行软启动，使电流平稳变化。
此外，对于一些需要高精度控制的电机系统，如果启动电流过大，还会对电机本身或者系统造成不良影响，因此软启动器在工业自动化控制中得到了广泛应用。
2.软启动器原理软启动器的原理是通过控制电源门极触发器，将直流电源的电压逐渐加到电机的绕组上，实现电机启动时电流的平稳变化。
电源门极触发器是基于晶闸管技术的一种半导体器件，在控制电源门极触发器的开关状态时，可以实现电机启动时电流的平稳调节。
3.软启动器电路结构设计软启动器的电路结构主要由直流电源、触发器、电阻、电容和继电器等组成。
其中，继电器用于保护电机，当电机电流达到一定值时，继电器将停止启动，从而避免电机损坏。
4.程序设计软启动器的程序设计采用MCS51单片机，使用Keil C编译器进行程序编写。
程序主要包括控制电源门极触发器的开关状态、监测电机电流大小以及继电器的控制等功能。
5.实验验证本文通过实验验证了设计的软启动器的可行性。
实验结果表明，软启动器能够实现大功率交流电动机的平稳启动，并且对电机以及配电网的影响非常小。
6.结论本文基于MCS51单片机设计了一种大功率交流电动机软启动器，通过控制电源门极触发器实现电机启动时电流的平稳变化。
实验结果表明，该软启动器能够有效地实现大功率交流电动机的平稳启动，对电机以及配电网的影响非常小，具有很好的应用前景。
电机软起动的单片机技术固体控制器
引言
随着社会经济的不断发展，作为重要执行机构的电动机被越来越广泛地
应用，尤其是三相异步电机，作为应用最广泛的电机，约占电机总数的70%，
但三相交流异步电机起动电流大、起动时对电网的冲击大等问题也不容忽视。
因此对三相交流电动机控制器已提出智能化的控制要求，要求具有软起动、软
停止、故障检测等智能化功能。
本文将介绍一种基于单片机技术的三相交流电机软起动固体控制器，该
控制器具有软起动，软停止，缺相保护、相序检测、运行状态输出等功能。
设计原理
该电机软起动控制器采用的是电压斜坡起动。
将传统的降压起动有级起
动变为无级起动，起动电压先迅速升至U0(U0 为电动机起动所需的最小转矩
所对应的门限电压值)，然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压，门限
电压与电压上升率可根据负载特性调整。
斜坡电压起动方式负载电压随时间变
化的曲线图如图1 所示。
逐渐升压的过程通过控制输出开关器件可控硅来实现。
软起动时，不断
增大可控硅导通角，实现逐渐升压最终可控硅完全导通，电机进入正常运行状态。
软停止时，不断减小可控硅导通角，实现逐渐降压最终电机进入停止状态。
设计方案
电机软起动固体控制器原理框图如图2 所示，主要由控制端、状态输出、缺相检测电路、相序检测电路、SCR 状态检测电路、微控制器、SCR 控制电路、。
智能电器及计算机应用低压电器(2007№15)通用低压电器篇王静红(1967—),女,副教授,博士生,研究方向为计算机应用及人工智能控制。
基于STC 单片机的电动机软起动器开发3王静红1,3, 王震洲2, 刘教民1,2(1.河北工业大学,天津 300130;2.华北电力大学,河北保定 071003;3.河北师范大学,河北石家庄 050091)摘 要:提出一种以ST C 单片机为控制核心的三相异步电动机软起动控制器,阐述了该控制器的工作原理、回路结构。
在有效降低电动机起动电流的前提下,该控制器还具有软停止、节能运行以及实时监测和保护等多种可选功能,可实现多种负载类型下的平稳、可靠起动。
关键词:异步电动机;STC 单片机;软起动;隔爆中图分类号:T M 573∶TP 273+.5 文献标识码:A 文章编号:100125531(2007)1520021203D evel opm en t of Soft Sta r ti ng Con tr oller of M otorBa sed on STC M icr opr ocessorWA N G J ingh ong1,3, WANG Zhenzhou 2, L I U J iao m in1,2(1.Hebe i University of Technol ogy,Tianjin 300130,China;2.North C hina Electric Po wer U niversity,B a oding 071003,China;3.H ebe i Nor m al U niversity,Shijiazhuang 050091,China ) Abstra c t:A s oft sta rting controller of the asynchronous motor ba s ed upon STC m icrop r ocessor was p roposedand the o pe ra ti onal pr i nci p le of the controll e r,func ti onal block di agram was giv en .On the p rem ise of effec tive re 2duc ti on of starting current the controlle r ha smany opti onal functi ons,such a s s oftst opping,energ y s aving operati on,rea l ti m e monit oring and s afeguarding,t o rea lize s mooth and reliab l e sta rt of different l oads .Key word s:a synchr onou s m otor;STC m i cr opr oce ssor;s oft st a r t ;flam epr oof王震洲(1978—),男,博士研究生,研究方向为智能电器。
摘要异步电动机具有结构简单、制造容易、性价比高、坚固耐用、工作性能好等诸多优点，已经被广泛地应用。
但是，在起动过程中又存在着不少问题。
针对该现状，本文设计了一款以单片机AT89S52为控制核心，基于晶闸管调压原理的异步电动机软起动器。
本文首先介绍了国内外软起动技术的发展现状及前景，并认真分析了三相交流异步电动机的固有起动特性和软起动器的工作原理及其控制策略，其次深入分析了异步电动机的工作特性，并建立了异步电动机的数学模型。
最后设计了硬件电路，其中包括系统主电路、保护电路和控制电路等部分，并对其工作原理进行了详细的分析。
本文设计的软起动器操作方便简单，在满足异步电动机起动转矩要求及降低起动电流的前提下，能够及时跟随电机负载的变化，使异步电动机能够平稳可靠起动。
关键词：异步电动机；AT89S52；晶闸管；软起动器IAbstractInduction motor has a simple structure, easy to manufacture, cost-effective, durable, work performance, and many other advantages, has been widely used. However, in the starting process and there are many problems. According to the present situation, the paper designs a monolithic integrated circuit AT89S52 as control core, based on thyristor principle of voltage asynchronous motor soft starter.This paper describes the development of domestic and international soft-start technology status and prospects, and a careful analysis of the inherent three-phase AC induction motor starting characteristics and the soft starter operating principle and control strategy, followed by in-depth analysis of the induction motor operating characteristics, and established a mathematical model of induction motor. Finally the hardware circuit design, including system main circuit, protection circuit and control circuit and other parts and the work principle of a detailed analysis.This design of the soft starter operation easy and convenient, to meet the requirements of induction motor starting torque and reduce the starting current context, the ability to follow the motor load changes, so smooth and reliable induction motor to start.Keywords: induction motor; AT89S52; thyristor; soft starterII。
基于单片机ATCl的三相异步电动机软启动器基于单片机AT89C5l的三相异步电动机软启动器这里所介绍的基于单片机AT89C5l的三相异步电动机软启动器从本质上改善交流电动机的启动特性，而且具有节电运行、过流保护、过载保护、缺相保护等功能。
1 工作原理及硬件构成该软启动器的硬件电路结构框图。
在晶闸管导通期间，该电路Vo应输出高电平信号，否则该相缺相(电流为零)。
各相的检测信号也送入单片机进行处理及判断。
相位检测与同步信号产生电路见图3。
A相电流、电压信号经光耦变为方波后送入异或门，定时/计数器8253的通道0(工作于方式2)用于检测A相电压与电流的相位差，电压过零时门控端GATE0得到高电平，开始计数，电流过零时GATEo变为低电平，计数停止。
单片机在GATE。
低电平期间读出计数值则可得到电压电流相位差。
由8253的通道l、2(工作于方式5)延时实现触发脉冲的移相控制，A相电压过零为同步信号启动定时。
通道l与单片机的定时/计数器T0配合控制l、2、3号晶闸管的导通时刻，通道2与单片机的定时/计数器T，配合控制4、5、6号晶闸管的导通时刻，T0、T1定时时间均为3.3ms，它是利用前一次定时中断启动下一次定时，而在一周期内分别产生相差3.3ms的三个触发控制脉冲。
启动(停)指令来自机床电气控制系统主控制器，按照加工工艺流程，要求该电动机启动(停)时，主控制器会发出启动(停)指令，则软启动器控制电机启动(停)。
在机床设备中往往需要联锁控制，这样当电动机出现故障而停机保护时，就需向主控制器回馈一个停信号，主控制器随之可以进行联锁控制处理2 控制软件该软件的任务是控制硬件系统自动采集、检测输人信号，对输人数据进行判断与处理，按要求输出所需的控制信号。
主程序流程图。
接到启动指令后首先启动电机，之后进人循环工作过程直至接到停指令或故障停机。
由于有较强功能的硬件电路的配合，使得主程序在每次循环中都能进行故障检测、电流值采样显示、功率因数角测量、触发脉冲移相和输出控制，因此做到了控制迅速，采样、故障诊断两不误。
第32卷第2期电子科技大学学报V ol.32 No.2 2003年4月 Journal of UEST of China Apr. 2003 基于单片机的电机保护与软起动控制
成开友*
(江苏盐城工学院电气工程系江苏盐城 224003)
【摘要】介绍了一种以MCS-51系列80C31八位单片机为核心的电动机软起动控制和保护系统。
分析了该系统的工作原理、硬件配置与软件设计方法。
该软起动控制系统具有起动平稳、电流超调量小的优点，解决了电机起
动时电流冲击问题，减少了应力冲击，延长了电机使用寿命。
关键词异步电动机; 单片机; 软起动; 保护; 晶闸管
中图分类号TP274 文献标识码 A
Motor’s Soft-Starting Controlling and Preventing System
Based on Single-Chip Microcomputer
Chen Kaiyou
(Department of Electric Engineering of Yancheng Institute of Technology Jiangsu Yancheng 224003)
Abstract This paper introduces motor’s soft-starting controlling and preventing system based on MCS-51 80C31 8bit single-chip microcomputer. It presents work principle、hardware structure and software designing. The designing of soft-starting controlling and preventing system solves problems in moter starting and prolongs the longevity of motor.
Key words induction moter; single-chip microcomputer; soft-starting; preventing; thyristor 三相交流鼠笼式异步电动机应用非常广泛，但当电动机直接合闸起动时，会造成高于额定电流4~7倍的起动电流，特别是大功率电机，起动电流会严重冲击电网，降低电网供电质量并影响其他设备运行，而且起动转矩也很大，造成的机械冲击会影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命[1]。
为解决此问题，目前大部分电动机起动时使用传统的降压起动设备，如饱和电抗器、自耦变压器、Y-△转换器等[2]，只是缩短了大电流冲击的时间，并未在本质上解决问题。
而且这些起动设备还有一些固有的缺点，如对负载适用能力差、起动电流不连续、维修工作量大等。
随着工作现场对自动化、机械化要求的提高，矛盾日益突出。
因此，为解决这一问题设计了一种在起动过程中电流无瞬时冲击，且能控制其大小的软起动控制系统，该系统除了能完成软起动功能外，还有多种保护功能(如断相、短路、过流、漏电闭锁、过热等)和控制方式(如程控/非程控、近控/远控、慢速/快速起动等)。
为保护控制功能和完善抗干扰措施，提高了开关的可靠性。
1 基本原理
主回路原理如图1所示，图中采用了三相平衡调压式主回路，利用晶闸管的开关特性将三对反并联的晶闸管串联于电动机的三相电路上，用单片机控制其触发角的大小，进而改变电动机起动电压的大小，控制电动机起动特性。
当起动完成后，程序控制将真空接触器闭合，短接掉晶闸管，使电机直接投网运行，以避免元件的持续损耗。
这种装置控制简单、工作可靠、装置容量大造价也较低。
2002年5月22日收稿
* 男 40岁硕士讲师主要从事电频调速方面的研究
电 子 科 技 大 学 学 报 第32卷
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图1 主回路原理图 图3 电压同步信号采样电路
2 控制系统
控制系统的硬件配置框图如图2所示，中央控制单元采用功能齐全、价格低廉的80C31单片机，再配以其他芯片构成主控系统[3]。
整个装置电路简单，易于实现。
各单元电路主要工作原理如下： 2.1 电压同步信号采样及处理电路
电压同步信号采样电路如图3所示，来自同步变压器的电压信号经电压比较器、光电隔离及功率驱动后送入80C31的外部中断(INTO )，以保证80C31控制晶闸管触发脉冲相位时能使之与主回路电压相位精确可调。
2.2 电流互感器电路
电动机的实时工作电流，经整流、滤波、放大、A/D 转换及光电隔离后送入单片机，用软件来进行非线性补偿，作为控制晶闸管导通角大小的依据，并用数码管显示。
2.3 脉冲触发电路
晶闸管触发脉冲经单片机计算后发出，经光电隔离、驱动放大、脉冲变压器隔离后送晶闸管控制极。
为了可靠触发，采用宽脉冲。
用软件进行延时，精度可达0.036°。
具体算法有以下三种特点：
1) IF(I g <4I e )，I g 为工作电流，由电流互感器获得；2) THEN(αn =αn −1+Δα)，Δα为本周期及前周期的晶闸管的触发角；3) ELSE(αn =αn −1)，αn 为本周期的晶闸管触发角增量。
隔离开关
分台闸控制电路中间继电器控制电路
控制变压器电压同步信号取样电路
状态继电器电路
电压取样电路
本安先导电路控制方式输入电路
工作电源及 信号转换电路
80C31及外围电路
输远入方 接控 点制 输程入序 接控 点制 晶闸管保护电路
电流整定电路
输本出安 接控 点制
输程出序 接控 点制
LED 整定电路
脉冲隔离放大电路
断相信号取样电路漏电检测电路
阻容吸合电路
电流信号取样电路晶闸管及接触器 电流互感器电路
A B C 图2 控制系统硬件配置框图
2.4 电源及信号转换电路
该电路由过流信号取样、断相信号取样、电压同步信号取样、试验检测、过流整定、开关量信号输入、直流电源、光电耦合器、隔离放大器等组成，其作用是将外部电路的电流、电压及各种开关量信号通过适当变换再经光电隔离传输给80C31及外围电路。
另外，由控制变压器来的不同电压经滤波、整流、稳压后变成标准工作电源供给整个系统。
第2期 成开友 等: 基于单片机的电机保护与软起动控制 157
2.5 80C31及外围电路
该电路由单片机80C31、地址锁存器74HC373、程序存储器27C64、输入/输出接口81C55、定时器/计数器82C53、多路开关、“看门狗”电路、复位电路及各种门电路组成。
它是整个系统的核心，在程序的指挥下完成对各种信号的检测、分析、判断和处理。
3 软件设计
采用模块化程序设计，其特点是思路清晰、通用性强、易于查找故障。
软件主要由主程序、故障检测模块和软起动模块等几部分组成。
3.1 主程序
主要完成80C31内部定时器、中断系统、堆栈指针、寄存器区、RAM 、I/O 口、81C55、82C53等单元的初始化。
3.2 故障检测模块
主要完成起动前后的异常故障检测，如断相、过压、短路、过热等故障，作出反应(如跳闸等) 3.3 软起动模块
软起动模块程序流程如图4所示，该程序采用最小电流控制原理，根据互感器送来的电流信号和电压同步信号，经单片机计算后得到当前晶闸管触发角的大小，严格按顺序送出，实现电动机的限流起动。
这种控制方式电流超调量小，参数整定简单，对电动机参数和运行状态的变化反应快。
I g /A
O
直接起动
自耦变速器起动
软起动
t /s
图5 软起动与传统起动方式的比较
图4 软起动模块程序流程图 4 结 论
试验运行曲线如图5所示，设计的软起动控制系统与传统的起动方式系统相比，具有起动平稳，电流超调量小等优点，这在空载或轻载(负荷不大于额定负载的40％)时更为明显。
其表现如下：
1) 控制机理先进，性能价格比高，适合工业控制；
2) 系统结构简单，与传统起动器相比无触点、无噪音、重量轻、占地面积小； 3) 电动机起动平稳，起动电压可调；
4) 起始时间可调，在设定的范围内，电动机转速逐渐上升，以避免转速冲击； 5) 软起动后全电压起动，使电机的转速上升很快，从而缩短了起动时间；
6) 该系统有断相、过压、短路检测等保护，保护整定值可预先设定或由用户指定，保护性能可靠； 7) 人机界面友好，工作时显示工作电压、工作电流、最大电流，故障时显示故障原因及参数。
综上所述，此保护与软起动控制系统能够较好地解决电动机起动时电流冲击问题，减少应力冲击，延长电机使用寿命。
参 考 文 献
[1] 黄 俊. 半导体变流技术[M]. 北京：机械工业出版社，1986 [2] 杨兴瑶. 电动机调速的原理与系统[M]. 北京：水利电力出版社，1995
[3] 何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1990
编 辑 刘文珍。
