1、畢業設計交流電機軟起動器控制系統設計姓 名： 陳 然 學 號： 05000002 班 級： 05通信 專 業： 通信工程 所在系： 電子信息工程 指導老師： 呂 榮 姓 名： 趙國棟 學 號： 07020212 班 級： 07電氣6 專 業： 電氣工程及其自動化所在系： 自動化工程 指導老師： 黃孫偉 摘 要三相異步電動機的起動電流高達額定電流的58倍，對電網造成較大干擾，尤其在工業領域中的重載起動，有時可能對設備安全構成嚴重威脅。傳統的降壓起動方式，如星三角起動、自耦變壓器起動等，要么起動電流和機械沖擊過大，要么體積龐大笨重、損耗大，要么起動力矩小、維修率高等等，都不盡人意。軟啟動技術不僅實

2、現在整個起動過程中無沖擊而平滑地起動電動機，而且可根據電動機負載的特性來調節起動過程中的參數如限流值、起停時間等，以達到最佳的起停狀態。我們從三相異步電動機的應用控制出發, 介紹了基于單片機控制的電機軟啟動原理, 給出了基于單片機控制的電機軟啟動裝置的設計方法。用該方法控制電機的軟啟動系統具有控制結構簡單, 實用性強等優點。 關鍵詞: 交流電動機 軟啟動原理 單片機 軟啟動程序 晶閘管Ac motor soft starter controlABSTRACTThree-phase asynchronous motor starting current is as high as rated c

3、urrent of 5 8 times of grid, cause bigger interference, especially in the industrial field, sometimes the overloading of equipment starting may pose a serious threat to security. The traditional step-down start way, if star triangle starting, self coupling transformer starting etc, or starting curre

4、nt and mechanical shock is too large, or heavy, bulky or loss is big, small, maintenance starting torque rate high, etc., are unsatisfactory. Soft start-up technology not only in the whole start process of realizing no impact and smoothly, and can according to starting motor load characteristics to

5、adjust motor starting process of parameters such as the current limit value, starting and stopping time etc, so as to achieve the best of starting and stopping state. We from three-phase asynchronous motor, based on the application of introduced control based on single chip microcomputer control mot

6、or soft start, gives the principle based on single chip microcomputer control motor soft starter design method. Use this method to control the motor soft start-up system has control of simple structure, practical strong, etc. Key words：Ac motor Soft start principle Microcontroller Thyristor Soft sta

7、rt-up procedures 目 錄第一章 緒論11.1交流電機軟啟動存在的問題11.2 軟啟動器的簡單介紹11.2.1 軟啟動器的保護功能31.2.2 它與變頻器有的區別31.2.3 軟啟動的作用31.2.4 軟啟動器的優點41.3 國內外軟啟動現狀41.4 本課題的意義及主要工作5第二章 軟啟動的基本原理和特點62.1 軟啟動原理62.2 軟啟動常用的幾種啟動方式72.3 軟啟動常用的幾種停機方式82.4 接觸器旁路工作92.5 軟啟動的基本接線92.6電機軟啟動方式的選擇102.7 與傳統啟動的比較102.8 單片機的簡單介紹112.8.1 單片機的介紹112.8.2單片機的硬件特性

8、132.9單片機的選擇13第三章 軟啟動控制系統硬件設計153.1 電機軟啟動系統原理方框圖153.2 硬件設計153.2.1 單片機的選型163.2.2 單片機的連接電路圖173.2.3 可編程邏輯器件的選型173.3 軟起動控制系統硬件電路設計193.3.1 軟起動控制系統框圖193.3.2 軟起動主電路及觸發電路203.3.3單片機控制電路243.3.4 三相同步信號采集電路253.3.5脈沖放大整形電路263.3.6 檢測電路273.3.7 AD轉換電路283.3.8 鍵盤與顯示電路29第四章 軟啟動控制系統軟件設計314.1單片機控制部分程序設計314.1.1 主程序的編寫314.1

9、.2 軟起動子程序324.1.3 CPLD器件分解結構圖334.1.4 同步信號產生模塊34總 結36參考文獻37謝 辭39天津理工中環信息學院2011屆本科畢業設計說明書第一章 緒論三相異步電機由于結構簡單、控制維護方便、性能穩定、效率高等優點而被廣泛地應用于煤礦生產和各種動力設備的拖動中。因其直接起動時產生的沖擊電流對電網及其負載造成沖擊，同時由于起動應力較大，使負載設備的使用壽命降低，因此常采用降壓起動方式來減少影響。但是，傳統的降壓起動方式，如星三角起動、自耦變壓器起動等，要么起動電流和機械沖擊過大，要么體積龐大笨重、損耗大，要么起動力矩小、維修率高等等，都不盡人意。隨著電子技術的發展

10、，使用軟啟動器可以無沖擊而平滑地起動電動機，而且可根據電動機負載的特性來調節起動過程中的參數達到最佳的起停狀態，從而延長機械設備的使用壽命，減少設備的維修量，提高經濟效益。1.1交流電機軟啟動存在的問題我們都知道，全壓啟動有什么缺陷：1.起動電流達到電機全載工作電流的800%以上。2.巨大的起動電流引起電網電壓下降，影響到其他負載。3.電氣元件（接觸器、過載）必須選擇能耐受滿浪涌電流的規格。4.機械系統- 齒輪箱、風扇皮帶、電機軸、水泵軸壽命縮短，磨損加劇。5.易碎的產品碎裂、破裂、散落，定位產品的位移等。由上面可以看出全壓啟動還是有蠻多缺陷的，所以就提出了降壓啟動這個概念。傳統的起動方式有Y

11、-起動，串電抗器降壓起動，自藕變壓器降壓起動、延邊三角形起動等。上述種種方式，在起動過程中，都有一個線圈電壓切換過程，因而對電網存在“二次沖擊”的問題。軟起動器將電力電子技術與微電腦控制技術相結合(結合了計算機技術)，起動時，由電子電路控制晶閘管的導通角使輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，自動地將起動電壓連續、平滑地上升，直至晶閘管全導通，達到額定電壓，使電機實現無沖擊軟起動；停機時，則控制晶閘管的關斷速度，使電機的端電壓由全電壓逐漸下降至零，實現軟停車；并能徹底的解決傳統起動方式帶來的“二次沖擊”的問題。1.2 軟啟動器的簡單介紹軟啟動顧名思義，就是不直接啟動，而是慢慢的、一點一點的啟動。比

12、如在電機的輸入端一點一點地把電壓從0升高到額定電壓，頻率由0漸漸的變化到額定頻率，這樣電機在啟動過程中的啟動電流，就由過去不可控的過載沖擊電流變成為可控的、可根據需要調解大小的啟動電流。電機啟動的全過程都不存在沖擊轉矩，而是平滑的啟動運行。這就是所謂的電動機的軟啟動。軟啟動器于20世紀70年代末和80年代初投入市場，填補了星-三角啟動器和變頻器在功能實用性和價格之間的鴻溝。采用軟啟動器，可以控制電動機電壓，使其在啟動過程中逐漸升高，很自然地控制啟動電流，這就意味著電動機可以平穩啟動，機械和電應力降至最小。因此軟啟動器在市場上得到廣泛應用，并且軟啟動器所附帶的軟停車功能有效地避免水泵停止時所產生

13、的“水錘效應”。 圖1.1 軟啟動器figure 1.1 Soft starter異步電動機以其優良的性能及無需維護的特點，在各行各業中得到廣泛的應用。然而由于其起動時要產生較大沖擊電流(一般為Ie的5-8倍)，同時由于起動應力較大，使負載設備的使用壽命降低。國家有關部門對電機起動早有明確規定，即電機起動時的電網電壓將不能超過15%。解決辦法有兩個：增大配電容量，采用限制電機起動電流的起動設備，如果僅僅為起動電機而增大配電容，從經濟角度上來說，顯然不可取。為此，人們往往需要配備限制電機起動電流的起動設備，過去人們多采用Y/轉換，自藕降壓，磁控降壓等方式來實現。這些方法雖然可以起到一定的限流作用

14、，但沒有從根本上解決問題。 伴隨傳動控制對自動化要求的不斷提高，采用可控硅為主要器件、單片機為控制核心的智能型電動機起動設備軟起動器，已在各行各業得到越來越多的應用，由于軟起動器性能優良、體積小、重量輕，并且具有智能控制及多種保護功能，而且各項起動參數可根據不同負載進行調整，其負載適應性很強。因此電子式軟起動器將逐步取代落后的Y/、自耦減壓和磁控式等傳統的減壓起動設備成為必然。 電力電子技術的快速發展，智能型軟起動器得到廣泛應用。智能型軟起動器是一種集軟起動、軟停車、輕載節能和多功能保護于一體的新穎電機控制裝置，又稱為SoftStarter。它不僅實現在整個起動過程中無沖擊而平滑的起動電機，而

15、且可根據電動機負載的特性來調節起動過程中的參數，如限流值、起動時間等。此外，它還具有多種對電機保護功能，這就從根本上解決了傳統的降壓起動設備的諸多弊端。1.2.1 軟啟動器的保護功能1.過載保護功能：軟起動器引進了電流控制環，因而隨時跟蹤檢測電機電流的變化狀況。通過增加過載電流的設定和反時限控制模式，實現了過載保護功能，使電機過載時，關斷晶閘管并發出報警信號。2.缺相保護功能：工作時，軟起動器隨時檢測三相線電流的變化，一旦發生斷流，即可作出缺相保護反應。 3.過熱保護功能：通過軟起動器內部熱繼電器檢測晶閘管散熱器的溫度，一旦散熱器溫度超過允許值后自動關斷晶閘管，并發出報警信號。 4.其它功能：

16、通過電子電路的組合，還可在系統中實現其它種種聯鎖保護。1.2.2 它與變頻器有的區別軟啟動器和變頻器是兩種完全不同用途的產品。變頻器是用于需要調速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；軟啟動器實際上是個調壓器，用于電機起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟啟動器功能，但它的價格比軟啟動器貴得多，結構也復雜得多。大多數軟啟動器在晶閘管兩側有旁路接觸器觸頭，其優點是： 1.在電機運行時可以避免軟啟動器產生的諧波。2.軟啟動的晶閘管僅在起動停車時工作，可以避免長期運行使晶閘管發熱，延長了使用壽命。 3.一旦軟啟動器發生故障，可由旁路接觸器作為應急備用。1.2.3 軟啟動的作用軟

17、啟動器采用三相反并聯晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動機定子之間。使用軟啟動器啟動電動機時，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，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。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，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。軟起動器安裝調節方便，所有控制連接及參數調節均在正面

18、上完成。該軟啟動器在安裝后用戶仍可方便就地改造，如：附加限流功能和內接/外接轉換選擇。該軟起動器可不帶旁路持續在線運行。軟起動器為旁路和故障單獨設置了控制繼電器。該軟起動器所有參數均通過面板上的三只旋鈕電位計和一只拔碼開關設定，直觀準確。它甚至可以工作在有振動和環境溫度較高的應用場合。當該軟起動器用于內接時因可控硅模塊上承受的是三角形接法時的相電流，所以相同電流的軟起動器在內接時可以負載比外接時大1.73倍的電機。如一臺58A的S型軟起動器內接應用時可以負載100A的電機。 原則上，籠型異步電動機凡不需要調速的各種應用場合都可適用。應用范圍是交流電380V（也可660V），電機功率從幾千瓦到8

19、00千瓦。軟起動器特別適用于各種泵類負載或風機類負載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變負載工況、電動機長期處于輕載運行，可廣泛用于紡織，冶金、石油化工、水處理、船舶、運輸、醫藥、食品加工，采礦和機械設備等行業。1.2.4 軟啟動器的優點對于大功率異步電動機而言，軟啟動比硬起動（即直接起動）和傳統降壓起動具有以下主要優點： 1.減少起動過程引起的電網電壓降使之不影響同一供電網其它電氣設備的正常運行； 2.對電動機提供平滑的起動過程，降低電機起動過程中線路的沖擊電流，減少電動機（傳動機械）的沖擊電流及對電網和配電系統的沖擊，延長電動機（傳動機械）使用壽命；3.減少電磁干擾：硬起動產生的沖擊電流

20、會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行；4.有多臺電動機控制功能，用一臺起動器控制多臺電動機的起動，起動電流、起動時間可分別設置；多種起動模式：電壓斜坡起動、限流起動、脈沖突跳起動，具有軟停車功能； 5.具有完善的保護功能：過載保護、斷相保護、過壓和欠壓保護等。1.3 國內外軟啟動現狀隨著國民經濟的飛速發展，科學技術的日新月異，智能控制系統得到了廣泛的應用。如：智能大廈、無人值守泵站、無人值守供熱站、各種遙控調度系統、生產作業自動化等等。這正是國家實現科學技術現代化的重要標志，也是每一個技術人員肩負的重要責任。智能控制技術的應用，給我們提出了很多要求。如電網的波動性，執行機構的智能配套等，都要

21、求越來越嚴格。作為重要驅動執行機構的電動機來說，它的控制方式受到廣大技術人員的高度重視。既要為智能控制打下良好基礎，又要降低電動機起動時對電網的沖擊。所以，不得不在電動機的起動設備上做工作。鼠籠型異步電動機電子軟啟動器的誕生給技術人員解決了這個問題。它既能改變電動機的起動特性保護拖動系統，更能保證電動機可靠起動，又能降低起動沖擊。我國軟起動行業現狀與國外有所不同，國產液態軟起動裝置占據了很大的市場份額。國產液態軟起動裝置比國外產品簡單，成本更低，電解液配置不采用蒸餾水，液箱也做成不密封的。國產裝置得以流行的原因是它比較適合現時我國的國情。它能夠滿足起碼的軟起動要求，售價低，維護雖然麻煩，但難度

22、不大。在國家政策、經濟環境的影響下，用戶對電氣設備節能要求不斷提高，加上近年來電力行業的快速發展，帶動了國內用戶對軟起動器產品認識的提高。國內廠商開始在軟起動器市場的研發、生產和制造加大投入，推出各類型610kV的國產固態軟起動系統，促進了整個軟啟動市場的開發和增長。單純起動功能的軟起動器產品已經不能滿足用戶的需求，評選“設計師最喜愛的軟起動器品牌”活動正是希望從一線設計師的工作中總結軟起動器未來發展的方向。從國外軟啟動器的發展狀況看，發達國家的電動機軟起動產品主要是固態軟起動裝置和兼作軟起動的變頻器。在生產工藝兼有調速要求時，則采用變頻裝置；在沒有調速要求的使用場合下，起動負載較輕時（例如風

23、機、水泵）采用固態軟起動；在重載或負載功率特別大的時候，才用變頻軟起動。固態軟起動裝置是發達國家軟起動的主流產品，各知名廠家均有自己固態軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。而液態軟起動產品，由于其種種缺點，在降壓軟起動領域的發展空間有限。發達國家生產的液態軟起動產品，一般用在中壓繞線轉子電動機軟起動中。進口的液態軟起動產品，主要是60年代到90年代的產品，在發達國家有被淘汰的趨勢。1.4 本課題的意義及主要工作電機直接起動存在較大的沖擊，消耗了大量電能。看似直接起動方式起動簡單，其實電機在直接起動時會產生很大的瞬間電流沖擊，造成許多危害：A過大的熱應力極易導致繞組損壞，造成繞組絕緣提前老化，從

24、而降低電動機的使用壽命B過大的起動電流將使感應電動機的起動轉矩沖擊很大C過大的起動電流還造成對電網的沖擊，造成能源浪費，傳統降壓起動方法無法從根本上解決這些問題。因此研究交流電動機的軟起動器控制系統，以此來克服上述電動機起動時的缺點，是很有現實意義和經濟效益的。課題主要工作：（a）實現交流電機軟起動數字控制系統設計。（b）采用51單片機，設計單片機及其接口電路、晶閘管主電路和驅動板。（c）應用Keil編程軟件，設計交流電機軟起動器控制軟件，對程序進行調試。第二章 軟啟動的基本原理和特點2.1 軟啟動原理軟啟動是指運用串接于電源與被控電機之間的軟啟動器，控制其內部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從

25、零以預設函數關系逐漸上升，直至起動結束，賦予電機全電壓的起動方法。軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路，通過運用不同的方法，控制三相反向并聯晶閘管的導通角，使被控電動機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能。如圖2.1所示。 圖2.1基本原理圖Figure 2.1 basic principle diagram目前使用的軟啟動器，基本上是以單片機作為中央控制器控制核心來完成測量及各種控制算法，用程序軟件自動控制整個起動過程。它通過單片機及相應的數字電路控制晶閘管觸發

26、脈沖的遲早來改變觸發角的大小，從而改變晶閘管的導通時間，最終改變加到電動機三相繞組的電壓大小。由于電動機轉矩近似與定子電壓的平方成正比，電流又和定子電壓成正比。這樣，電動機的起動轉矩和起動電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現，而定子電壓又是通過可控硅的導通相角來控制的，所以不同的初始相角可實現不同的端電壓，電動機的起動轉矩和起動電流的最大值可根據負載而設定,以滿足不同的負載起動要求。電動機起動過程中，晶閘管的導通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機從零開始加速，直到晶閘管全導通，從而實現電動機的無級平滑起動，并使電動機工作在額定電壓的機械特性上。2.2 軟啟動常用的幾種啟動方式1.

27、限流起動 電動機起動時，軟啟動器輸出電壓從零迅速增加，直到輸出電流上升到設定的限流值Iq，在輸出電流不大于Iq下，電壓逐漸上升，電機加速，直到起動完成。如圖2.2所示，Iq可調，Ie為電機額定電流。此方式的優點是起動電流小，且可按需要調整，對電網影響小。缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間；損失起動力矩，起動時間相對較長，對電動機不利。圖2.2 限流起動示意圖Figure 2.2 current limiting start schemes2.電壓斜坡起動 指輸出電壓按預先設定的斜坡線性上升，即電壓由小到大斜坡線性上升，它是將傳統的降壓起動從有級變成了無級。主要用在重載起動，它

28、的缺點是初始轉矩小，轉矩特性拋物線型上升對拖動系統不利，且起動時間長對電動機不利。如圖2.3所示。圖2.3 電壓斜坡起動示意圖Figure 2.3 voltage ramp start schemes3.突跳控制起動 也是用在重載起動，不同的是在起動的瞬間用突跳轉矩克服電機靜轉矩，然后轉矩平滑上升，縮短起動時間。但是，突跳會給電網發送尖脈沖，干擾其它負荷，應用時要特別注意。如圖2.4所示。圖2.4 突跳控制起動示意圖Figure 2.4 turkestan jump control diagram starting4.電壓控制起動 用在輕載起動的場合，在保證起動壓降下發揮電動機的最大起動轉矩，

29、盡可能的縮短了起動時間，是最優的輕載軟啟動方式。2.3 軟啟動常用的幾種停機方式1.自由停車 傳統的控制方式都是通過瞬間停電完成的，即慣性停車（斷電自停）。2.軟停車 如圖2.5所示，在停車信號發出后，軟啟動器輸出電壓從額定電壓Ue迅速降到跌落電壓Usd，再按所設定的時間降到起始電壓Ui，軟啟動器停止輸出。 這種停車方式可以消除由于自由停車帶來的拖動系統反慣性沖擊，如皮帶運輸機、升降機等許多負荷并不宜突然停機，高層建筑的水泵系統也因自由停車，而產生巨大的“水錘”效應，使管道、水泵損壞。軟停車功能正好能滿足此要求。晶閘管在收到軟停機信號后，導通角漸減，經一定時間才過渡到全關，即電動機端電壓漸減至

30、零，停車時間可按實際需要設定。圖2.5 軟停車示意圖Figure 2.5 soft parking schemes3.制動停車 向電機輸入直流電流，從而加快制動，制動時間可調，主要用于慣性力矩大的負載或需快速停機的場合，在一定的場合代替了反接制動停車。2.4 接觸器旁路工作軟啟動器有在線型和旁路型。在線型是指起動完畢，不需要觸器旁路，一直帶電工作的工作方式，晶閘管長期在線運行功耗太大造成能源浪費、給電網帶來高次諧波污染等。旁路型是為了延長使用壽命，使電網避免諧波污染，減少軟啟動器中的晶閘管發熱損耗，在電動機達到滿速運行時用旁路接觸器取代已完成起動任務的軟啟動器。旁路型電路復雜化，系統可靠性降低

31、。2.5 軟啟動的基本接線KRQS110/P型軟啟動器基本接線示意圖如圖2.6所示：圖2.6 基本接線示意圖Figure 2.6 basic wiring diagram全數字電子軟啟動器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動機起動電流，減緩電流對電動機和電網的沖擊，還能在起動和運行過程檢測電流、電壓參數，對異常情況進行處理、顯示及報警，實現對電動機的綜合保護。 三相鼠籠式異步電動機以其結構簡單、性價比高和工作特性好等諸多優點，在當今工業應用的各個領域都有廣泛的應用，但它有一明顯缺點，就是起動電流過大(一般起動電流為額定電流的57倍甚至更大)，這樣不論是對電動機本身，還是對電網以及其他電氣設備，都會

32、產生不利的影響。 電子軟啟動器的誕生，已經從很大程度上提供了解決這個技術難題的有效手段，而且近年來隨著電力電子技術以及智能控制技術的不斷發展，電子軟啟動器已經逐步取代了傳統的起動方法，例如“Y”降壓起動、自耦變壓器降壓起動以及磁性調壓起動等。所謂電子軟啟動器，就是使用晶閘管調壓技術，采用單片機控制的起動器，在用戶規定的起動時間內自動地將起動電壓連續平滑地上升，直到達到額定電壓，從而達到有效控制起動電流的目的。2.6電機軟啟動方式的選擇作為應用最廣泛的鼠籠型異步電動機，它采用降壓起動的條件：一是電動機起動時，機械不能承受全壓起動的沖擊轉矩；二是電動機起動時，其端電壓不能滿足規范要求；三是電動機起

33、動時，影響其他負荷的正常運行。對于降壓起動目前有兩種方式，一種是降壓起動，一種是軟啟動。他經過了三個發展階段，一是“ Y-” 起動器和自藕降壓起動器，二是磁控式軟啟動器，三是目前最先進最流行的電子軟啟動器。電子軟啟動器一般都是采用16位單片機進行智能化控制，他既能保證電動機在負載要求的起動特性下平滑起動，又能降低對電網的沖擊，同時，還能實現直接計算機通訊控制，為自動化智能控制打下良好的基礎。它們的造價比較是：“ Y-”起動器須六根出線而且故障率太高，維修費也高已不常采用，自藕方式每個千瓦80元左右，磁控的每千瓦150元左右，自藕和磁控的體積較大且故障率較高，維修費較高，電子軟啟動器每個千瓦在1

34、00元到200元之間，一般情況下，一臺開關柜能放多臺電子軟啟動器，節省工程造價，且故障率較低，維修費也低。所以，電子軟啟動器應是我們首選的目標。2.7 與傳統啟動的比較籠型電機傳統的減壓起動方式有 Y- 起動、自耦減壓起動、電抗器起動等。這些起動方式都屬于有級減壓起動，存在明顯缺點，即起動過程中出現二次沖擊電流。由于傳統的減壓起動方式技術落后，國家已明令淘汰。軟啟動與傳統減壓起動方式的不同之處是： （1）無沖擊電流。軟啟動器在起動電機時，通過逐漸增大晶閘管導通角，使電機起動電流從零線性上升至設定值。對電機無沖擊，提高了供電可靠性，平穩起動，減少對負載機械的沖擊轉矩，延長機器使用壽命。 （2）有

35、軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機，它可以克服瞬間斷電停機的弊病，減輕對重載機械的沖擊。 （3）起動參數可調，根據負載情況及電網繼電保護特性選擇，可自由地無級調整至最佳的起動電流。2.8 單片機的簡單介紹單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。2.8.1 單片機的介紹單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller

36、 Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業控制領域。單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發展便分道揚鑣。早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發展出了MCS51系列單片機系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片

37、機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端1的型號也只有10美元。當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至

38、可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數量最多的計算機。現代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業控制系統上甚至可能有數百臺單片機在同時工作！單片機的數量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數量還要多。單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。

39、相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。單片機內部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可.用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！.它主要是作為控制部分的核心部件。它是一種在線式實時控制計算機，在線式

40、就是現場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區別。   圖2.7 單片機芯片Figure 2.7 single-chip microcomputer chip單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別！只

41、因為單片機的通過你編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可靠性！由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十K的尺寸！對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統和應用

42、軟件拿到家用PC上來運行，家用PC的也是承受不了的。可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。現在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等。各種產品一

43、旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在產品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機等。現在有些工廠的技術人員或其它業余電子開發者搞出來的某些產品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。2.8.2單片機的硬件特性1、單片機集成度高。單片機包括CPU、4KB容量的ROM（8031 無）、128 B容量的RAM、 2個16位定時/計數器、4個8位并行口、全雙工串口行口。 2、系統結構簡單，使用方便，實現模塊化; 3、單片機可靠性高，可工作到106 107小時無故障; 4、處理功能強，速度快。2.9單片機的選擇AT89C5

44、1是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。所以我們選擇AT89C51單片機。AT89C51的主要特征：（1）與MCS-51 兼容（2）4K字節可編程閃爍存儲器（3）壽命：1000寫/擦循

45、環（4）數據保留時間：10年（5）全靜態工作：0Hz-24Hz（6）三級程序存儲器鎖定（7）128*8位內部RAM（8）32可編程I/O線（9）兩個16位定時器/計數器（10）5個中斷源（11）可編程串行通道（12）低功耗的閑置和掉電模式（13）片內振蕩器和時鐘電路（14）AT89C51管腳說明：（15）VCC：供電電壓。（16）GND：接地。1.P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時

46、，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。2.P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。3.P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時

47、，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。4.P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。第三章 軟啟動控制系統硬件設計3.1 電機軟啟動系統原理方框圖基于單片機的電機軟啟動系統原理方框圖如圖3.1所示。本系統以89C51單片機為核心組成晶閘管觸發控制系統, 該系統能實

48、現復雜的控制算法, 從而完成復雜的控制任務。該晶閘管裝置采用反并聯方式。該裝置可在異步電動機啟動和停止過程中將繼電器斷開, 并通過晶閘管三相交流調壓裝置對電機進行控制,而在電機正常運行過程中將繼電器接通, 并把三相交流電直接加到電動機上。這樣, 既能保證電動機的軟啟動與軟停止, 又能在電動機正常運行時用繼電器短接晶閘管裝置, 從而去除晶閘管裝置的附加能耗, 提高系統的可靠性。單片機控制系統實現的功能主要是讀取啟動停止信號, 通過輸入的同步信號并按照一定的規律產生晶閘管觸發控制信號和繼電器的控制信號, 同時進行狀態和故障顯示。單片機產生的觸發脈沖經光耦隔離后, 可用于觸發主電路的晶閘管。單片機則

49、可根據檢測得到的輸入信號, 來對電機進行繼電保護。圖3.1 電機軟啟動系統原理方框圖Figure 3.1 motor soft start-up system principle charts3.2 硬件設計該系統的硬件部分主要包括單片機AT89S51和Altera公司的CPLD器件EPM7128 SLC8415為核心器件，輔以外圍電路。其中單片機主要實現監控和算法生成并完成數據處理工作，CPLD負責軟起動器觸發脈沖及單片機邏輯擴展。3.2.1 單片機的選型本系統中單片機主要用來作數據處理及讀取按鍵信號和故障信號顯示的功能，所以我們只要考慮它的運算速度、存儲容量以及IO口的數量即可。考慮到這些

50、因素，我們采用了ATMEL公司的產品AT89S51芯片作為控制系統的核心控制部件。AT89S51兼容標準MCS51指令系統及89C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，體積小，功能全，適合于機電一體化的智能控制。物美價廉而功能強大的AT89S51為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。AT89S51單片機是一種低功耗、高性能的8位微控制器，其主要部分包括：內部包含有1個8位CPU、振蕩器和時鐘電路、4K字節的Flash片內程序存儲器、128字節的隨機存取數據存儲器(RAM)，2個外部雙向輸入，輸出(IO)口，5個中斷優先級和2層中斷嵌套中斷，2個16

51、位J編程定時器計數器，2個全雙上串行通信口，看門狗(WDT)電路。此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能自至外中斷激活或硬件復位。AT89s51封裝及主要引腳功能說明：PO口：P0口是一組8位漏極開路型雙向加口，即地址，數據線復用口，每腳可吸收81TL門電流。對端口PO寫“1“時，可作為高阻抗輸入端用。PO能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據上電址的低8位。P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I0口，P1口輸出

52、緩沖級可驅動4個11'L邏輯電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。Pl口被外部下拉為低電平時，將輸出電流。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低8位地址接受。P2口：P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I0口，P2的輸出緩沖級可驅動4個rrL邏輯電路。對端口P2寫1，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器，P2口送出高8位地址數據。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙I0口。P3口輸出緩沖級可驅動4個1限邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。P3

53、口也可作為AT89S51的一些特殊功能口。ALEPROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。再FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。一般情況下，ALE端以不變的頻率周期輸出固定的脈沖信號，此頻率為其頻率的16。因此它可用作對外輸出時鐘或用于定時口的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可再SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，值位無效。圖3.2 AT89C51單片機引腳圖Figure

54、 3.2 AT89C51 pins figure3.2.2 單片機的連接電路圖 單片機的連接電路圖如圖3.3所示。VREF8GND3VCC20CS1DI74GND10RFB9WR12DI65DI56DI47IOUT111IOUT212DI11(DI3)13DI10 (DI2)14DI9 (DI1)15DI8 (DI0)16XFER17WR218BYTE1/219U1DAC1230+15VWRCSWRXFERVOUT2V+1GND3U2AD581VREFVREFR12.2k-15VC10.1uFVREF32184U3:AOP285GP+15V-15VR21M567U3:BOP285GPR324.

55、9kR449.9kR549.9kVOUTC210pFXTAL218XTAL119RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115AD0.7A8.15ALE30EA31PSEN29P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.2/ECI3P1.3/CEX04P1.4/CEX15P1.5/CEX26P1.6/CEX37P1.7/CEX48U4AT89C51RD2D3D2D1D0D4D5D6D7D0.7A8.15C51uFR620kX111.059MHzC327pC427pWRA2Y04B3Y15Y26E1Y37U5:A74HC139A15A14A14Y012B13Y111Y210E15Y39U5:B74HC139A13A12