1、 . . . 理工大學畢業(yè)設計報告基于80C196KC單片機的膠帶輸送機軟啟動器的設計姓 名：學 號：0專業(yè)班級： 自動化院 系：電氣工程與自動化學院指導老師： 杜慶楠 摘要近年來隨著國民經濟的發(fā)展，我國煤炭生產的機械化、自動化程度不斷提高，長距離、大運量、大功率的膠帶輸送機的使用日益增多，特別是在煤礦等工業(yè)領域中得到廣泛的應用。國的膠帶輸送機也應在向著長距離、高帶速、大傾角、大功率的方向發(fā)展。大功率膠帶輸送機的軟啟動問題日益突出，已成為帶式輸送機發(fā)展的一個瓶頸。目前用了一些軟啟動技術，如：液力偶合器技術、液粘調速技術(CST)等，但都有各自的弊端。本文根據帶式輸送機的啟動特點，結合16位單片

2、機Intel 80C196KC的高速處理能力，基于晶閘管相控調壓理論，研究并設計了一款以單片機Intel 80C196KC為控制核心、以晶閘管作為主控器件的帶式輸送機智能軟起動器。實現了帶式輸送機的軟啟動、軟停車和多種保護功能。研究帶式輸送機軟啟動器的意義不僅在于保證平穩(wěn)地起動、制動，而且還可降低帶式輸送機的成本，保證安全生產。關鍵詞：膠帶輸送機; 軟啟動器; 晶閘管Intel 80C196KCAbstractIn recent years, along with the development of national economy, Mechanization and automation

3、 degree of China's coal production continuously improve. The use of long-distance and large-capacity belt conveyor is increasing fast. Especially it is widely used in the field of coal industry. Large distance, high speed, big angle and high power is the direction of domestic belt conveyor. So t

4、he soft start-up of high-power belt conveyor is a growing problem. It has become the bottleneck of the development of belt conveyor. At present, China has adopted some soft start-up technologies, such as: hydraulic coupling technology and CST. But all have their own shortcomings. According to the be

5、lt conveyors characteristics, combined with the high-speed processing capability of 16-bit SCM Intel 80C196KC and based on the theory of thyristor phased regulator，this article study and design an intelligent soft starter for the belt conveyor based on this microcomputer and the thyristor which is t

6、he main circuit deviceAchieved the soft start-up, soft stop and various protection functions of belt conveyor. The significance of studying on the soft starter is not only to ensure smooth starting and braking, but also to reduce the cost of the belt conveyor and ensure safety production.Key Words：B

7、elt Conveyor，Thyristor，Soft Starter，Intel 80C196KC目錄摘要IIAbstractIII目錄IV1 緒論11.1 膠帶輸送機簡介11.2 膠帶輸送機國外發(fā)展現狀11.3 膠帶輸送機的軟啟動技術21.4 研究容與任務42 電動機軟啟動的原理與分析52.1 軟啟動器簡介52.2 軟啟動器工作原理52.3 晶閘管調壓原理62.4 軟啟動方式122.4.1 異步電機傳統(tǒng)啟動方法122.4.2 異步電動機軟起動方式133 系統(tǒng)硬件設計163.1 膠帶輸送機軟啟動器系統(tǒng)電路結構163.2 系統(tǒng)主電路設計173.3 微處理器的選擇與其基本外圍電路193.4 同步

8、脈沖信號檢測電路203.5 晶閘管觸發(fā)脈沖驅動電路233.6 反饋采樣電路253.6.1 電流采樣電路253.6.2 電壓采樣電路263.6.3 轉速采樣電路263.7 保護系統(tǒng)電路的設計283.7.1 過壓欠壓保護283.7.2 過流保護283.7.3 過熱檢測保護293.7.4 膠帶輸送機膠帶跑偏檢測303.7.5 膠帶輸送機膠帶打滑檢測313.7.6 膠帶輸送機斷帶檢測323.8 其它擴展接口電路設計333.8.1 存儲擴展電路333.8.2 鍵盤電路343.8.3 顯示電路363.8.4 故障指示燈和報警電路373.8.5 旁路接觸器執(zhí)行電路383.9 電源模塊的設計394膠帶輸送機軟

9、啟動控制系統(tǒng)軟件設計414.1 系統(tǒng)主程序流程圖414.2 晶閘管同步觸發(fā)程序434.3 電動機起動程序444.4 按鍵處理子程序464.5 液晶顯示子程序474.6 故障檢測處理子程序475 系統(tǒng)運行505.1 系統(tǒng)軟啟動前505.1.1 系統(tǒng)初始化505.1.2 系統(tǒng)命令輸入505.2 系統(tǒng)啟動過程515.2.1 電源同步和晶閘管觸發(fā)過程515.2.2 系統(tǒng)檢測保護過程525.2.3 軟啟動完成階段535.3 軟停機過程54參考文獻55附錄：系統(tǒng)電氣原理圖56致5758 / 641 緒論1.1 膠帶輸送機簡介膠帶輸送機是一種摩擦驅動以連續(xù)方式運輸物料的機械。它可以將物料在一定的輸送線上，從

10、最初的供料點到最終的卸料點間形成一種物料的輸送流程。它既可以進行碎散物料的輸送，也可以進行成件物品的輸送。除進行純粹的物料輸送外，還可以與各工業(yè)企業(yè)生產流程中的工藝過程的要求相配合，形成有節(jié)奏的流水作業(yè)運輸線。所以帶式輸送機廣泛應用于現代化的各種工業(yè)企業(yè)中，在礦山的井下巷道、礦井地面運輸系統(tǒng)、露天采礦場與選礦廠中，廣泛應用帶式輸送機。膠帶輸送機適用于輸送堆積密度小于1.67/噸/立方米，易于掏取的粉狀、粒狀、小塊狀的低磨琢性物料與袋裝物料，如煤、碎石、砂、水泥、化肥、糧食等，被送物料溫度小于60。其機長與裝配形式可根據用戶要求確定，傳動可用電滾筒，也可用帶驅動架的驅動裝置。常用的膠帶輸送機可分

11、為：普通帆布芯膠帶輸送機、鋼繩芯高強度膠帶輸機、全防爆下運膠帶輸送機、難燃型膠帶輸送機、雙速雙運膠帶輸送機、可逆移動式膠帶輸送機、耐寒膠帶輸送機等等。 1.2 膠帶輸送機國外發(fā)展現狀帶式輸送機經過兩個世紀的發(fā)展，已成為煤炭、冶金、港口、化工、電力等領域廣泛使用的連續(xù)運輸設備，具有連續(xù)運輸、運行阻力小、輸送量大、耗電量低、運行平穩(wěn)、較易自動控制等優(yōu)點。帶式輸送機技術趨向于功能多元化、應用圍擴大化、長運距、大運量、高帶速的方向發(fā)展。對于帶式輸送機的技術來說，國外一直處于領先水平，主要體現在以下兩個方面：一方面，在本身的技術和裝備方面有了巨大的發(fā)展，如大運量、高運速、長距離等大型帶式輸送機

12、已成為其主要的研究和發(fā)展方向；另一方面，帶式輸送機的多元化、應用圍的擴大化也取得了長足的發(fā)展，如大傾角帶式輸送機機、平面或空間轉彎帶式輸送機、管狀帶式輸送機等各種機型。另外，國外帶式輸送機采用了大量的最新技術，如：動態(tài)分析技術、可控啟動技術、自動緊技術、多點驅動技術、機尾快速自移技術、電控與監(jiān)測自動化技術等。這些新技術的采用使帶式輸送機的設計、運行效率、可靠性都有了極大的提高，其代表了當今帶式輸送機發(fā)展的最新方向。上個世紀我國煤礦用帶式輸送機也有了很大發(fā)展，對帶式輸送機的關鍵技術研究和新產品的開發(fā)都取得了可喜的成果，輸送機產品系列不斷增多。進入21世紀以來，隨著煤礦現代化的發(fā)展和需要，我國對大

13、傾角固定帶式輸送機、高產高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機與長運距、大運量帶式輸送機與其關鍵技術、關鍵零部件進行了理論研究和產品開發(fā)。與國外技術相比，我國帶式輸送機技術還有很大的差距，主要表現在可控軟啟動技術、動態(tài)分析與監(jiān)測技術與可靠性等方面。長距離大運量帶式輸送機由于功率大、距離長且為多電機驅動，必須采用軟啟動方式來降低輸送機的力，特別是采用多電機驅動時。目前可控軟啟動裝置大多使用國外的產品，這使產品的成本大大增加，急需國產化。1.3 膠帶輸送機的軟啟動技術近年來，隨著我國國民經濟的不斷增長，對能源與工業(yè)原材料的需求變得更加迫切，國的帶式輸送機也在向著長距離、高帶速、大運量、大傾角、大功率的方向

14、發(fā)展。由于采用大功率的高壓電機驅動，啟動電流較大。傳統(tǒng)的直接啟動方法不僅浪費電能，而且給電網造成沖擊，縮短機械設備的使用壽命，甚至損壞生產設備。因此，大功率膠帶輸送機的必須采用軟啟動。所謂軟啟動是指機械系統(tǒng)即使是在滿載的工況下也能按照比較理想的速度，逐步克服整個系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動。理想的速度曲線如圖1-1所示。圖1-1 膠帶輸送機軟啟動理想速度曲線由于輸送機在啟動之前，輸送帶處于松弛狀態(tài)，為避免輸送帶的沖擊，將輸送帶拉緊啟動，可進一步改善啟動峰值力作用。這樣，需要在啟動開始階段加入一段時間延遲段。在延遲段，下垂皮帶被緊，延遲段結束后，按最小加速度或最小沖擊的方式完成輸送機的起動過程，從而最

15、大程度地降低了膠帶輸送機的啟動力。目前，帶式輸送機主要的軟啟動方法有以下幾種：（1）調速型液力偶合器軟啟動（2）CST可控軟啟動（3）液體黏性軟啟動（4）變頻調速軟啟動（5）晶閘管調壓軟啟動這幾種軟啟動技術實現的方式不同，它們都有各自的優(yōu)缺點，在實際選用中要綜合考慮運行成本與經濟效益。就目前使用情況來看，液力偶合器仍然是帶式輸送機軟啟動方面的主流選擇。后兩種軟啟動方式屬于電氣軟啟動，近幾年，隨著電力電子技術的發(fā)展和電力電子器件的價格不斷下降，以與工業(yè)自動化、智能化的程度不斷提高，電氣軟啟動逐漸得到了廣泛的應用，有著良好的發(fā)展前景。變頻調速軟啟動調速圍寬、精度高，調速效果較為理想。但由于其造價昂

16、貴，成本過高，主要運用于對調速性能要求較高的場合。晶閘管調壓軟啟動具有較高的性價比，因此得到了廣泛的應用。在沒有調速要求的使用場合下，起動負載較輕時采用晶閘管調壓軟起動，晶閘管軟起動裝置是軟起動的主流產品。在重載或負載功率特別大的時候，才用變頻軟起動。目前，從長遠看，隨著變頻器價格的逐漸下降，可靠性的進一步提高，也隨著技術人員水平的提高，變頻軟起動將會取代晶閘管軟啟動。晶閘管調速是用改變可控硅導通角的方法來改變電動機端電壓的波形，從而改變電動機的有效值，達到調速的目的。根據電機學原理，電動機的啟動轉矩與其電壓平方成正比，在啟動轉矩允許的情況下，可以通過降壓啟動來降低啟動電流。晶閘管調壓軟啟動技

17、術就是利用相位載波方式實現電動機的正反轉運行、功率調節(jié)，即通過調節(jié)晶閘管的導通角控制電壓對加速轉矩和啟動電流進行限制，使電動機的電壓按照一定的規(guī)律由零上升到設定值，啟動電流也由零線性上升到設定值，轉速也相應平滑上升，最大限度地消除了機械與電氣沖擊，從而實現了軟啟動。晶閘管調壓軟啟動的啟動特性曲線好，能實現電動機經恒定斜率上升，對電網沖擊很小；可實現軟啟動、軟停車功能，體積小，易維護。目前，軟起動將仍然以高性價比的晶閘管降壓軟啟動為主要形式。1.4 研究容與任務本文通過分析膠帶輸送機軟啟動技術的發(fā)展狀況，介紹晶閘管降壓軟啟動器的工作原理和以晶閘管降壓軟啟動為基礎的電機起動、調速過程，以Intel

18、 80C196KC單片機為控制核心，根據膠帶輸送機的運行特點和要求，設計了晶閘管控制系統(tǒng)的軟起動裝置。本設計彌補了傳統(tǒng)軟啟動器的不足，分別設計了電壓、電流、轉速的采樣反饋電路，數字鍵盤與液晶顯示模塊，晶閘管同步信號檢測電路和觸發(fā)脈沖的功放電路，以與膠帶輸送機系統(tǒng)的保護裝置，從而實現對膠帶輸送機的智能軟啟動控制。2 電動機軟啟動的原理與分析2.1 軟啟動器簡介軟啟動器是一種用來控制三相交流異步電動機專用的產品，它實現了交流電機的軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護。其功能完善，性能優(yōu)越，能夠滿足工業(yè)電機控制的廣泛需要，是傳統(tǒng)Y啟動和自耦變壓器啟動控制方式的理想換代產品。軟啟動器具有性能穩(wěn)定，抗干擾

19、能力強，運行可靠，實現電流、速度的雙閉環(huán)控制等特點，有助于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在傳輸功率較大的輸送機上用軟啟動器來控制系統(tǒng)的啟動和運行具有以下作用：1.使起動平穩(wěn)可靠，膠帶無振動和跳帶，消除了膠帶機致命的動載沖擊，有效防止撒煤到底帶造成的跑偏、刷邊、斷卡子等生產事故。2.取消了限矩型或調速型液力偶合器，避免因此而引起的油污染、漏油、起火等不安全隱患，大大減少油脂、備品備件的消耗。3.延長皮帶的使用壽命，明顯減少打卡次數。4.有效的延長了膠帶機的鋪設長度。5.保證生產安全，提高生產效率。軟啟動器在煤礦電機設備中具有良好的應用前景，隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，選擇智能型電動機起動設備，將是必然的發(fā)展方向

20、。2.2 軟啟動器工作原理軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管(SCR)作為調壓器，將其接入電源和電機定子之間，這種電路如三相全控橋整流電路。軟啟動器啟動電機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免了啟動時過流跳閘，待電機達到額定轉速時，啟動過程結束。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉逐漸下降到零，避免自由停車引啟的轉矩沖擊。軟啟動器還加入了保護電路，通過檢測電機電壓、電流和轉速反饋信號，對電機運行狀況進行實時分析，對故障進行檢測，一旦發(fā)生故障將與時作出保護動作，并通發(fā)出報警信

21、號，顯示輸出系統(tǒng)運行狀況。2.3 晶閘管調壓原理晶閘管(Thyristor)又稱作可控硅整流器(SCR)，晶閘管是一種半控型器件，自發(fā)明以來，便以其優(yōu)異的性能開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和應用的新時代。它有三個聯(lián)接端：陽極A、陰極K和門極G。三相交流異步電機軟起動理論是基于晶閘管的三相交流調壓原理。所謂晶閘管三相交流調壓原理，是指通過改變晶閘管的觸發(fā)控制角來改變三相輸出交流電壓的有效值，從而實現輸出端的電壓可調。晶閘管調壓的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導通角來調壓；二是周波控制，在一定的時間，控制晶閘管導通的工頻周期數來達到調壓的目的。采用控制晶閘管通斷周波比調壓方式的缺點是

22、：難以實現連續(xù)調壓，不易找到合適的調壓比。這種調壓方式在實際應用中受到一定的限制，所以交流調壓大多以相位控制方式為主。該方式是作為開關的晶閘管在每個電源電壓波形周期的選定時刻將負載與電源接通，根據選定時刻的不同可得到不同的輸出負載電壓，從而起到調壓作用。圖2-1為三相交流調壓電路典型原理圖。圖2-1 晶閘管調壓電路主電路圖從圖中可以看出，晶閘管相控調壓主電路由六個晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6兩兩反并聯(lián)連接而成。一對反并聯(lián)晶閘管接交流電源的一相，它們分別在交流電源的正、負半周起作用，主電路輸出端接三相交流異步電機。電機軟起動中，就是通過合理控制晶閘管的觸發(fā)角，使得晶閘管模

23、塊的輸出電壓(即交流電機輸入電壓)按照預定的規(guī)律進行變化，從而實現電機的平滑起動。由三相交流調壓電路的原理可以看出，任何時刻至少有兩只晶閘管同時保持導通，才能構成閉合回路，負載才能得電。為能簡明扼要地說明三相交流調壓電路的工作情況，下面以電阻性負載為例來進行分析。三相電源相位關系互差120°，晶閘管VT1、VT3、VT5工作在電源的正半周， VT2、VT4、VT6工作在電源的負半周。因此，VT1、VT3、VT5（或VT2、VT4、VT6）的觸發(fā)脈沖在相位上應依次相差120°，同一相上的兩個反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應依次相差180°。故六路晶閘管脈沖觸發(fā)順序為VT

24、1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，相位依次相差60°。電阻性負載下，隨著觸發(fā)角口的不同，晶閘管的觸發(fā)導通有三類工作情況：第一類情況是同一時刻下有三個晶閘管導通，三相電源經晶閘管模塊輸入到三相負載中，每相負載得到此刻該相的相電壓；第二類情況是同一時刻下有兩個晶閘管導通，即導通的兩相構成閉合回路，回路負載有電流流過，另一相沒有電流流過；第三類情況是同一時刻下只有一個晶閘管導通，此類情況下因其余兩相的晶閘管不導通，無法形成閉合回路，使得三相負載中沒有電流流過。晶閘管三相交流調壓電路中，隨著觸發(fā)角的變化，相電壓輸出波形亦發(fā)生變化，特別是當觸發(fā)角超過90°時，輸出電壓波形中

25、出現斷續(xù)現象。但輸出波形始終保持嚴格的相位和正負半周對稱關系。在的移相圍，電路工作可分為如下五個部分：1=0°此刻晶閘管工作于第一類工作情況下，同一時刻都有三個晶閘管同時導通，三相電源直接全壓接入了負載中，晶閘管相控調壓電路的輸出電壓也就是三相電源電壓。20°<<60°此圍晶閘管導通既有第一類工作情況也有第二類工作情況，晶閘管工作于兩類情況的交替狀態(tài)。如圖2-2所示。圖2-2 電阻性負載下，=15°和30°時晶閘管導通情況圖2-2中描繪了不同觸發(fā)角下晶閘管的導通規(guī)律。周期T1為=15°時的觸發(fā)規(guī)律；周期T2為=30

26、6;時的觸發(fā)規(guī)律。在三相交流電源的正負半周下，晶閘管VT1VT6分別對應各自的觸發(fā)工作區(qū)。在周期T1，t1時刻對應晶閘管啊觸發(fā)角為15°的時刻，VT1開始觸發(fā)導通(對應圖中起始點a點)，相電壓U經VT1加到負載上；t2時刻對應晶閘管VT2觸發(fā)角為15°的時刻，VT2開始觸發(fā)導通(對應圖中起始點f點)，相電壓W經VT2加到負載上；t3時刻對應晶閘管VT3觸發(fā)角為15°的時刻，VT3開始觸發(fā)導通(對應圖中起始點b點)，相電壓V經VT3加到負載上。T4時刻(對應圖中c點)，晶閘管VT2和VT3都處于導通狀態(tài)，則晶閘管VT1會因承受反相電壓而關斷。因此，晶閘管VT1的導通

27、工作區(qū)為電源W相的f-i段。同理類推，隅的工作區(qū)為電源V相的b-e段；嘎的工作區(qū)為電源W相的f-i段。在周期疋觸發(fā)角為=30°時，晶閘管VT1、VT2和VT4的工作區(qū)分別為U相的j-k段、W相的n-s段和V相的k-m段。經以上分析，=15°時，在時間段t3t4有VT1、 VT2和VT3三個晶閘管同時導通；在時間段t4t5有VT2和VT3兩個晶閘管同時導通；=30°時，任一時間段都只有兩個晶閘管同時導通。故隨著晶閘管觸發(fā)角的變化，晶閘管工作于兩類情況的交替狀態(tài)。以=30°為例，晶閘管相控調壓電路的輸出電壓如圖2-3所示。圖2-3 電阻性負載下，=30

28、76;時的電壓輸出波形360°<90°此圍晶閘管只工作于第二類工作情況下，同一時刻有兩個晶閘管同時導通。如圖2-4所示，以=60°觸發(fā)角為例。可以看出，晶閘管啊的工作區(qū)為U相的a-b段；VT2的工作區(qū)為W相的h-i段；VT3的工作區(qū)為V相的cd段。任一時刻，總有兩個晶閘管同時導通。圖2-4 電阻性負載下，=60°時晶閘管導通情況490°<150°此圍晶閘管工作于第二類工作情況和第三類工作情況的交替狀態(tài)下。而且這個圍晶閘管調壓電路輸出出現了斷續(xù)部分，在半周波形成兩個斷續(xù)的波頭。圖2-5 電阻性負載下，=120°時晶

29、閘管導通情況如圖2-5所示，以=120°觸發(fā)角為例。晶閘管VT1的工作區(qū)為U相的a-b段；VT2的工作區(qū)為W相的g-h段；VT3的工作區(qū)為V相的c-d段。時間段t1t2只有晶閘管VT1導通，時間段t2t3卻沒有晶閘管導通，這也正是為何相控調壓電路的輸出電壓波形出現斷續(xù)的原因所在。=90°和=120°的晶閘管調壓電路輸出波形如圖2-6和圖2-7所示，圖中可以明顯地看出隨著觸發(fā)角度的變化，輸出波形的斷續(xù)程度也隨之變化。圖2-6 電阻性負載下，=90°時的電壓輸出波形圖2-7 電阻性負載下，=120°時的電壓輸出波形5=150°晶閘管全部不

30、導通，整個調壓電路輸出電壓為0V。由上面的分析，可見在電阻性負載下，晶閘管觸發(fā)角的移相圍為0°150°。電阻性負載下，負載電流波形與負載相電壓波形是一致的。因三相交流異步電機是感性的，故負載若換成異步電機，晶閘管的導通區(qū)間會因線路電感的作用而發(fā)生變化，晶閘管相控調壓電路的電壓輸出也會發(fā)生變化，這時各種情況的分析要復雜一些。2.4 軟啟動方式2.4.1 異步電機傳統(tǒng)啟動方法三相交流異步電動機是應用最為廣泛的電氣設備。三相交流異步電機有直接起動、減壓起動與軟起動三種起動方法，直接起動和減壓起動屬于傳統(tǒng)起動方式。直接起動即將電源直接接到電動機的定子繞組上完成起動，是一種最簡單的起

31、動方法。但這種啟動方式起動電流很大，可達到額定電流的47倍，功率因數也較低。過大的起動電流一方面會造成電動機發(fā)熱，影響電動機壽命，嚴重時可能造成短路而燒壞電動機；另一方面會使線路壓降增大，造成電網電壓顯著下降而影響同一電網其它電氣設備的正常工作。對于容量較大的電動機，這些危害也就尤為嚴重。為將起動電流限制在允許的圍，人們采用減壓起動方式。減壓起動方式主要有電阻或電抗減壓起動、星形-三角形(Y-)起動、自耦補償起動等。減壓起動方式可以限制起動電流在一定圍，但電機的起動轉矩小，起動的平滑性不高，無法真正消除電機起動過程中的電流沖擊。2.4.2 異步電動機軟起動方式運用串接于電源與被控電機之間的軟起

32、動器，控制其部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以預設函數關系逐漸上升，直至起動結束，賦予電機全電壓，即為軟起動，在軟起動過程中，電機起動轉矩逐漸增加，轉速也逐漸增加。軟起動一般有下面幾種起動方式。（1） 斜坡升壓軟起動圖2-8 斜坡電壓啟動曲線斜坡電壓起動方式是指在電機起動過程中，通過控制晶閘管觸發(fā)角，使電動機的輸入端電壓從零開始很快的上升到初始電壓U1，U1為電動機帶載起動所需最小轉矩對應的電壓值。然后電壓按所設定的斜率上升，直至達到額定電壓。在此過程中，電機電壓按設定的斜坡增加，起動轉矩則與基波電壓的平方成正比關系增加。整個過程中，起動時間（t1或t2）可調，一般設置為1100s。斜坡電

33、壓起動方式簡單，主要用于重載起動場合，它的起動時間較短，但起動電流相對較大，起動轉矩小。斜坡電壓起動曲線如圖2-8所示。但其缺點是，由于不限流，在電機起動過程中，有時要產生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網影響較大，實際很少應用。 （2） 斜坡恒流軟起動限流起動方式就是電機在起動過程中采用電流，閉環(huán)設計，以限制起動電流不超過預先的設定值Im(圖中為I1或I2)并保持恒定。在此前提下，逐漸升高電機的輸入電壓，直到轉速到達額定轉速后電流自動衰減下來，此時電壓達到額定電壓，起動過程結束，軟起動器旁路。圖2-9 斜坡電壓啟動曲線電流限定值Im一般設定為(24) Ie，故這種起動方式起動電流小且電流限定

34、值可調。但這種起動方式具有難以確定起動壓降，起動時間較長的缺點，主要應用于輕載起動的場合。限流起動波形示意圖如2-9所示。（3）轉矩控制起動圖2-10 斜坡電壓啟動曲線轉矩起動控制方式是指在電機的起動過程中，保持電機的起動轉矩按照線性上升的規(guī)律進行起動。在此過程中，需要按照一定規(guī)律適時調整晶閘管的觸發(fā)角，使得起動轉矩按照線性規(guī)律運行。由于它的最終控制目的就是為了得到線性轉矩，故這種方式下電機起動平滑，保護了拖動系統(tǒng)，延長了其使用壽命。轉矩控制起動方式主要用于重載起動場合，是非常好的重載起動方式之一。其起動過程如右圖所示。（4）轉矩加突跳起動方法圖2-11 斜坡電壓啟動曲線轉矩加突跳控制起動方式

35、和轉矩控制起動方式類似，也應用在重載起動場合。不同的是前者在電機起動的瞬間轉矩多了突跳功能，目的就是為了克服電機起動伊始由負載帶來的較大靜阻力矩，然后轉矩線性平滑上升，完成起動。這種起動方式很好地克服了負載靜阻力矩，縮短了起動時間，但是突跳的存在會給電網和周圍設備造成圖2-11 斜坡電壓啟動曲線影響，這也是本方式的一個缺憾。轉矩加突跳起動曲線如右圖所示。綜上所述，由于膠帶輸送機在啟動開始階段，膠帶與托輥之間有較大的靜摩擦力，電機要克服摩擦力需要很大的轉矩，當膠帶機運轉之后摩擦力會大幅減小，轉矩需求也減小。因此，膠帶輸送機適宜采用轉矩加突跳起動方法進行啟動，以獲得較大的啟動轉矩來克服靜摩擦力，從

36、而順利啟動。3 系統(tǒng)硬件設計3.1 膠帶輸送機軟啟動器系統(tǒng)電路結構膠帶輸送機的電機軟起動器硬件設計結構框圖如圖3-1所示，系統(tǒng)設計是以Intel 16位單片機80C196KC為主控芯片，采用晶閘管為主控功率器件來實現的。圖3-1 軟啟動器硬件設計模塊圖軟起動器系統(tǒng)是綜合三相異步電動機的起動和運行保護裝置，該系統(tǒng)主要由同步信號檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路、電壓電流和轉速檢測電路、膠帶機故障檢測、鍵盤和顯示器接口電路、故障指示報警電路、片外存儲擴展電路、系統(tǒng)電源和時鐘電路等組成。硬件系統(tǒng)基本工作原理如下：軟起動器的各項控制參數(起動電流、起動方式與時間等)經鍵盤進行設置，同步信號檢測電路將檢測到的同步

37、脈沖信號送入單片機80C196KC ，80C196KC主控制器通過運算后按照設定的模式發(fā)出觸發(fā)脈沖以驅動晶閘管模塊的導通，單片機通過控制觸發(fā)脈沖的寬度來改變晶閘管的觸發(fā)角的大小，電機軟起動開始。電機起動過程中，檢測電路將電機的電壓、電流、轉速等參數送入80C196KC中：一方面對電機軟起動過程中的突發(fā)過流、過壓等故障進行實時保護；另一方面則對采集的數據進行計算，以保證電機按預定的控制規(guī)律進行軟起動。同時，80C196KC將電機起動期間的各項參數的運算結果在LCD顯示器上顯示出來。電機起動過程中，晶閘管的觸發(fā)角逐漸減少，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，直到達到電機的額定電壓，電機轉速從零開始加速，實

38、現電動機的無級平滑起動。在運行過對電機的工作電壓和電流的采樣值與保護閥值相比較，判斷是否發(fā)生過壓、過流等情況。另外，還要對膠帶輸送機進行故障檢測，如果發(fā)生膠帶跑偏、打滑和斷帶等故障則與時發(fā)出報警信息，并作出保護反應。3.2 系統(tǒng)主電路設計主電路的設計采用晶閘管三相交流調壓原理，通過相控調壓的方式調節(jié)電機定子端電壓的大小來實現電機軟起動。主電路接線圖如圖3-2所示。用三組雙向反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在Y接法的電機三相定子線圈上，這種接法各相波形對稱，輸出波形中諧波較少且不含偶次諧波，調速性能優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。圖3-2 晶閘管三相調壓主電路處在阻斷狀態(tài)下晶閘管的PN結的結面相當于一個結電容，當

39、加到晶閘管上的正向電壓上升率過大時，會使流過PN結的結面的充電電流過大，起到了觸發(fā)電流的作用，造成晶閘管誤導通，從而引起較大的浪涌電流，損壞晶閘管。因此對電壓上升率也必須予以限制，使之小于晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率。本系統(tǒng)在每一晶閘管的兩端并聯(lián)RC阻容吸收回路進行電壓上升率的限制。 煤礦使用的電子式軟啟動器不允許長期在額定負載工況下運行，本設計采用旁路接觸器，在啟動完畢后把它短接。由于系統(tǒng)的檢測電路在電機側，因此短接后電動機運行回路仍有過載等保護功能。在實際應用過程中，若工藝條件許可，一臺軟啟動器可用于多臺電動機的軟啟動，軟啟動器按其中最大電動機容量進行選擇，這樣便可大大節(jié)省投資費用

40、。CPU通過調節(jié)晶閘管觸發(fā)角逐漸將電壓升至電機的額定電壓后，發(fā)出旁路控制信號，旁路接觸器常開觸點閉合，將晶閘管三相調壓模塊旁路短接掉，電機進入額定運行狀態(tài)，至此，電機整個軟起動過程結束。若需要運行中的電機進行停機，則由鍵盤向系統(tǒng)發(fā)出停機指令，CPU接到停機命令后將旁路接觸器觸點斷開，此時晶閘管三相調壓模塊再次接入，調節(jié)晶閘管觸發(fā)角執(zhí)行軟停車功能，直至電機軟停車完畢。3.3 微處理器的選擇與其基本外圍電路由于膠帶輸送機控制系統(tǒng)比較大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，輸送機的軟啟動、故障檢測、實時保護等環(huán)節(jié)都要求CPU要有較高的運算速度和比較完善的中斷與I/O口資源，并能夠與時地處理一些緊急突發(fā)事件。根據以上

41、分析，8位單片機已無法滿足該裝置的要求，因此，本裝置選用了Intel公司的16位微控制器80C196KC作為系統(tǒng)控制核心。MCS96系列16位單片機是一種在工業(yè)界應用廣泛的嵌入式控制器，由于它的高性能的寄存器寄存器結構，使其非常適用于以實時控制為主的應用，如工業(yè)自動化控制、車輛控制、電機控制等。而80C196KC是Intel公司生產的CHMOS高性能低功耗16位單片機，其CPU采用寄存器寄存器結構，CPU直接面向512字節(jié)的寄存器，消除了CPU結構中單一累加器的瓶頸，提高操作速度和數據吞吐能力。同時80C196KC還集成了更為豐富的外設裝置，如：PTS(外設事務服務器)、EPA(事件處理器陣列

42、)、HSIO(高速輸入輸出器)、ADC等，具有速度快，可靠性高，功能強大，硬件資源資源豐富等特點。80C196KC單片機具有高速輸入、輸出口(HIS.0HIS.3和HSO.0HSO.5)，它們獨立于CPU而工作。本設計中，HIS.0口用于檢測記錄A、B、C三相線電壓的過零點發(fā)生的時間，時間基準由定時器提供形成同步信號。HSO口的輸出信號可以預先設置，并且可以對6個引腳同時尋址，這正好可以用作三相全控橋的六路觸發(fā)脈沖輸出，在程序設計時只要根據觸發(fā)角的要求，分別對HSO.0HSO.5寫入不同的脈沖觸發(fā)事件，就可以實時觸發(fā)相應的晶閘管。另外，80C196KC單片機還具有外設事件服務器PTS，對中斷提

43、供了一種類似于DMA的響應，更有效地處理中斷事務，使CPU的開銷比一般的中斷響應要小得多，增加了單片機的實時性。本設計中單片機80C196KC采用最常用的PLCC封裝形式，其管腳與基本外圍電路如圖3-3所示。為提高運算速度，單片機振蕩電路采用16MHz的晶振，因此其狀態(tài)周期為167ns；復位電路采用上電復位加按鈕手動復位方式；EA端口為存儲器選擇信號，由于本系統(tǒng)擴展了ROM和RAM存儲器，因此EA端口接低電平。圖3-3 單片機80C196KC與其基本外圍接口電路3.4 同步脈沖信號檢測電路為保證晶閘管的正常工作，很重要的一點是保證按觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。這

44、就要求其觸發(fā)脈沖要與其陽極電壓必須保持嚴格的相位關系，才能實現晶閘管的相控調壓。因此，晶閘管同步電路設計是一個非常重要的環(huán)節(jié)。本設計中采用同步變壓器作為同步測量器件，同步變壓器具有體積小，價格低廉，相位關系確定等優(yōu)點。將其一次側接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步電壓信號，這樣，由同步變壓器決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。同步電壓檢測電路設計如圖3-4所示。圖3-4 同步電壓檢測電路在同步變壓器二次側各相的相電壓經過電壓比較器LM339比較后輸出，再經TIL117光電隔離后形成S1、S2、S3三個方波邏輯電平同步信號，分別送給單片機的P1.0、P1.1和P1.2口作

45、為脈沖分配判斷信號。而S1S2S3的邊沿正好與自然換相點重合，因此可以利用它作為同步電壓信號向80C196KC申請中斷，進行同步認相判斷。S1、S2、S3三個方波信號再經74LS86異或后產生同步信號輸入到HIS.0口向單片機申請中斷，當同步脈沖信號的上跳沿發(fā)生時，單片機的HIS.0中斷立即響應，通過檢測P1.0、P1.1和P1.2口脈沖信號從而確定同步相序關系，各信號的波形如圖3-5所示（其中S=S1S2S3）。需要注意的是本電路檢測到的為自然換相點，各相電壓的過零點滯后于自然換相點30°，在單片機計算觸發(fā)脈沖時刻時，需要減去30°。圖3-5 同步電壓信號波形由80C19

46、6KC的高速輸入通道HIS.0檢測S1S2S3的狀態(tài)，當有跳變時發(fā)生中斷，進入中斷服務子程序，并通過進一步查詢S1、S2、S3的狀態(tài)來判斷此時HSO的輸出的位置，其邏輯關系如表3-1所示，可依據此進行編程。表3-1 同步認相電路邏輯關系自然換相點電源狀態(tài)S1 S2 S3將要被觸發(fā)的晶閘管號（括號為補發(fā)觸發(fā)脈沖)HSO通道號0 0 1VT1（VT6）HSO.00 1 1VT2（VT1）HSO.10 1 0VT3（VT2）HSO.21 1 0VT4（VT3）HSO.31 0 0VT5（VT4）HSO.41 0 1VT6（VT5）HSO.53.5 晶閘管觸發(fā)脈沖驅動電路 晶閘管脈沖觸發(fā)電路是軟啟動系

47、統(tǒng)電路中非常關鍵的一部分。為確保電路的正常工作，同時導通的兩個晶閘管需保證均有觸發(fā)脈沖，目前主要采用以下兩種脈沖觸發(fā)形式：一種是寬脈沖觸發(fā)，脈沖寬度大于60°（一般選取80°100°)。另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。兩個脈沖的前沿相差60°，脈寬為20°30°。雙脈沖電路復雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可以少輸出一半脈沖，但需將鐵芯體積做得較大，增加繞組匝數，以抑制脈沖變壓器飽和。為不使脈沖變壓器飽且減少不必要的功率消耗，本設計中采用雙窄脈沖觸發(fā)方式，如圖3-6所示。圖

48、3-6 晶閘管雙窄脈沖觸發(fā)示意圖晶閘管的脈沖觸發(fā)需要一定的電壓幅值、電流強度和觸發(fā)功率，否則晶閘管就無常進行觸發(fā)。脈沖觸發(fā)信號由單片機直接輸出，其幅值和功率都不能滿足要求，必須經過功率放大器件才能可靠的觸發(fā)晶閘管。為保證晶閘管能正常可靠的觸發(fā)，觸發(fā)電路設計如圖3-7所示。前面所述的精確同步電路檢測到的同步脈沖信號通過單片機80C196KC的 HIS.0口信號作為中斷申請，經過單片機的運算后，通過80C196KC輸出口HSO.0HSO.5輸出六個相應的PWM波觸發(fā)脈沖。為了抑制功放電路對控制系統(tǒng)造成的干擾，在前面加了一級光電耦合器進行隔離；為了滿足晶閘管門極對觸發(fā)脈沖的功率要求，在電路中設置了三

49、極管和脈沖變壓器對觸發(fā)脈沖進行功率放大，同時脈沖變壓器也起到了隔離的作用；穩(wěn)壓管D8起電壓箝位的作用，從而保證形成一定幅值的觸發(fā)脈沖；脈沖變壓器的副邊接入了兩個二極管，保證了輸出正的觸發(fā)脈沖。圖3-7 觸發(fā)脈沖驅動電路觸發(fā)電路工作原理為：當單片機80C196KC的高速輸出口HSO.0HSO.5有觸發(fā)脈沖信號輸出時，其輸出為“1”，光電隔離TIL117截止，則三極管Q基極為高電平，因此三極管導通，此時脈沖變壓器T原邊和電源構成回路，其副邊向有脈沖輸出，在晶閘管門極形成滿足晶閘管門極觸發(fā)條件的觸發(fā)脈沖。反之，由于脈沖變壓器副邊的兩個二極管的作用，脈沖變壓器無脈沖輸出，晶閘管門極無觸發(fā)脈沖。3.6

50、反饋采樣電路3.6.1 電流采樣電路本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制調速方法，電流采樣作為雙閉環(huán)控制設計中的電流反饋部分，地位至關重要，是軟起動器電路設計中不可或缺的一環(huán)。電機整個起動過程中需要對起動電流進行實時檢測：一方面將電流值送入控制器CPU中進行數值計算，完成電機起動；另一方面與過流設定值進行比較，實現過流故障的與時保護。如圖4-8所示，本設計中采用三個電流互感器(型號為TBC50BA/BR)作為檢測元件，電流的反饋信號取自電動機的定子側，其三相電流輸出端U1、K1、W1經二極管(D1D6)三相全波整流、電阻分壓、電容濾波后得到一直流電壓信號，再經過由運算放大器LM324構成的電壓跟隨器后，再經R

51、C濾波后送入CPU的A/D口進行AD轉換就得到了我們需要的電流信號。為保護單片機的A/D口不受干擾電壓尖峰損壞，特別加入了兩個二極管構成的電壓限幅環(huán)節(jié)。圖3-8 電流檢測電路3.6.2 電壓采樣電路軟啟動器在運行過程中需要不斷對調壓后輸出的電壓進行采樣，一方面作為調壓效果的反饋，另一方面通過對電壓信號采樣也可以確定電路是否正常工作，以與電機是否工作在過壓欠壓等不良狀態(tài)，從而與時作出保護響應，是保護電路的一部分。電壓采樣是通過電壓互感器來實現的，其調理原理同電流信號調理原理，電路圖如圖4-9所示。處理后的信號也輸入80C196KC的A/D口，經過AD轉換后得到電壓的反饋值，再根據值的大小進行判斷

52、和處理。此反饋電壓信號既作為軟啟動控制算法電壓反饋信號，又作為電動機運行時的過壓和欠壓保護信號。圖3-9 電壓檢測電路3.6.3 轉速采樣電路電機轉速檢測是雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中的速度反饋環(huán)節(jié)。電機轉速的檢測方案可分成兩類：用測速發(fā)電機檢測或用脈沖發(fā)生器檢測。測速發(fā)電機的工作原理是將轉速轉變?yōu)殡妷盒盘枺\行可靠，但體積大，精度低，且由于測量值是模擬量，必須經過A/D轉換后讀入計算機。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機轉速高低，每轉發(fā)出相應數目的脈沖信號。按要求選擇或設計脈沖發(fā)生器，能夠實現高性能檢測。在眾多的數字式轉速傳感器中，因霍爾傳感器具有高可靠性、長壽命、無火花、抗污染能力強、構造簡單、性能好等

53、優(yōu)點，所以本設計選用NJK-5002C型霍爾傳感器作為電機控制系統(tǒng)中電機轉速傳感器。圖3-10 霍爾傳感器測速原理圖如圖3-10所示，在與電機連接的驅動滾筒的周邊均勻地安裝幾塊磁鋼片，將霍爾傳感器固定在合適的位置，隨著滾筒的滾動，當磁鋼片經過霍爾傳感器時將感應出一個脈沖信號，此脈沖信號經過處理后輸入單片機，通過單片機的HIS口進脈沖計數，經過運算后便可輸出轉速結果，并可通過轉速對系統(tǒng)運行狀況進行分析。其電路原理圖如圖3-11所示。圖3-11 電機轉速檢測電路若滾筒周圍安裝了m1個磁鋼片，在被測信號m2個周期，單片機收到的脈沖數為m3，假設部時鐘為16MHz，則電機轉速為：（r/min） （3-

54、1）3.7 保護系統(tǒng)電路的設計3.7.1 過壓欠壓保護當電機經常處于過壓運行時，鐵損增加，效率降低。同時鐵損的增加，帶來鐵芯的溫升、電極的冷卻、絕緣層壽命的縮短以與金屬某些物理性質變壞等諸多問題，所以電機不能長時間地運行在過壓狀態(tài)，因此在系統(tǒng)中加入過壓與欠壓保護環(huán)節(jié)很有必要。在本系統(tǒng)中，電壓反饋信號除了作為調壓結果反饋信號外還作為過壓和欠壓的信號。在實際工作中，當輸入電壓超過1.1倍額定電壓時則認為是過電壓，起動過電壓保護：而當輸入電壓低于0.9倍額定電壓時則認為是欠電壓，起動欠電壓保護。欠壓保護電壓： （3-2）過壓保護電壓： （3-3）過壓和欠壓比較器先設定一個適當的值，采樣到的電壓經CP

55、U進行AD轉換后，通過與設定值進行對比，一旦超過過壓值或者低于欠壓值時，CPU發(fā)出命令立即封鎖晶閘管輸出脈沖，并由控制器發(fā)出過壓或欠壓保護動作信號。3.7.2 過流保護電子式軟啟動器一般不帶短路保護，通過過載保護來完成短路保護，由于可控硅具有有限大的浪涌電流能力，且過流反應能力在微秒級，在實際應用中，在故障點的電流還沒有形成短路電流時，可迅速的關斷主功率單元。系統(tǒng)的過流檢測仍然是通過電流反饋電路檢測的，檢測到的電流經過CPU運算處理后，通過與設定值大小進行比較，從而實現過流故障的與時發(fā)現，CPU與時作出保護響應。3.7.3 過熱檢測保護所有的電力電子器件在運行中都會有導通功率損耗和開關功率損耗

56、發(fā)生。這些功耗通常表現為熱，必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導到外部環(huán)境。但是，當負載過重、開關頻率高或者散熱故障等原因引起溫度上升，當電力電子器件結溫Tj超過允許的最大值Tm時會造成器件的損壞。因此，溫度檢測也是變頻器能正常運行的保障之一。本設計的測溫方法是在靠近晶閘管模塊的散熱器上安裝熱敏電阻，通過檢測熱敏電阻的阻值來判斷晶閘管模塊是否過熱，測溫電路如圖3-12所示。圖3-12 溫度檢測電路熱敏電阻不同的阻值對應不同的溫度，而對于CPU來講，只能采集電壓信號。電路采用電阻分壓，將得到的電壓信號送入單片機的AD轉換口進行AD轉換，從而得到相應的溫度值。為了保證得到合理的測量的圍，用一個1

57、0K的精密電阻與熱敏電阻分壓：VAD=R1/(R1+R2) （3-4）這種方法結構簡單，但由于熱敏電阻本身非線性的影響，會有一定的誤差，需要在軟件里進行校準。3.7.4 膠帶輸送機膠帶跑偏檢測輸送帶跑偏是帶式輸送機運行過程中常出現的問題，膠帶跑偏會造成撒料、膠帶磨損、斷帶等安全隱，影響正常生產，甚至會造成生產事故。因此，這是膠帶輸送機系統(tǒng)必須要克服的問題之一。光電檢測是一種非接觸式測量方法，具有較寬的動態(tài)測量圍和較高的測量精度，對于輸送帶跑偏的檢測。本設計用的光電傳感器選用E3FDS5C1對射式光電開關，由于在帶式輸送機運行中頭尾滾筒處易出現跑偏，因此，光電檢測傳感器應該安裝在輸送帶距離頭部滾筒810m處，也可沿著輸送帶多安裝幾處，便于檢測跑偏位置，本設計在輸送機的兩端各安裝一處。每處由四對光電傳感器分別固定在輸送帶兩側，安裝位置一般在膠帶寬度的510處。圖3-13 膠帶跑偏檢測傳感器安裝示意圖安裝位置如圖3