摘要：本文结合电机专用控制芯片Intel 80C196MC的优异性能，讲述了以此单片机为控制核心的电机软起动器基本原理以及软起动控制方法。在此控制规律下，电机起动平滑，限流作用明显，取得了相当好的起动效果。
关键词：电机   软起动器   软起动   限流
中图分类号：TP368.1       文献标识码：B         文章编号：
The Control Method Research Of Motor Soft Start
 Based on 80C196MC
Zhang Xiao
(ShanDong University,School of Control Science And Engineering,JiNan,250061,China)
Abstract: Accompany with the excellent function of dedicated control chip Intel 80C196MC, This article introduces the basic principle and control methods of motor soft starter which has the control core of this singlechip microcomputer. Under this control law, the motor starts smoothly, the current-limit action is obvious and we get a very good starting effect.
Key word: Motor   Soft Starter  Soft Start   Current-Limit

1前言

       三相交流异步电机的起动方式有多种，传统的起动方式有定子串电阻、 降压和自耦变压器降压等。但上述方法普遍存在起动转矩小、对电网冲击大、缩短电机寿命且属于有级降压起动的缺陷。而软起动则克服了上述缺点，实现了电机的平滑无级起动，是传统起动方式所无法比拟的。本文讲述了一款以单片机Intel 80C196MC为控制核心的电机软起动器，并重点对电机软起动方式及其控制规律进行了研究。

2 Intel 80C196MC简介
       在众多的电机控制芯片中，Intel控制芯片可谓独树一帜，80C196MC就是其MCS-96芯片家族中的典型代表。Intel 80C196MC是一款高性能CHMOS 16位微控制器，它由一个C196核心和一个13路通道的A/D转换器、一个事件处理器阵列(EPA)、两个l6位定时器等若干其他片内外设构成。它具有丰富的硬件接口、较低的功率消耗、高速的处理能力，尤其是内嵌三相波形发生器(WFG)，使得它特别适用于电机控制和其它高速处理场合，应用领域广泛。其原理框图如图1所示。

 图1 80C196MC结构原理框图

3 电机软起动原理
3.1三相交流调压原理
        三相交流异步电机软起动器是基于晶闸管的三相交流调压原理。所谓晶闸管三相交流调压原理，是将三个反并联晶闸管模块并联后串在交流电路中，通过改变晶闸管触发角的大小，进而改变其导通角的大小，借以改变晶闸管模块输出端电压的大小，从而实现三相输出交流电压可调。
        这种电路不改变交流电的频率，仅通过改变晶闸管开通相位的控制就可方便地调节输出电压的有效值。因而广泛地应用于灯光控制及异步电机的软起动场合。其原理图如图2所示。
 

图2 晶闸管三相交流调压原理图

3.2软起动器设计原理
基于三相交流调压原理的电机软起动器原理图如图3所示。
       由图3可以知道，软起动器内部电路分主电路和控制电路两部分。主电路一般都采用三个反并联晶闸管模块组成的三相调压电路。三相交流电源 分别接到一个晶闸管模块上，每个模块的两个晶闸管分别在交流电源的正、负半周起作用，晶闸管模块的输出接三相交流异步电机。电机软起动中，就是通过合理控制晶闸管的触发角，使得电机端电压按照预定的规律进行变化，从而实现电机的平稳起动。
       控制电路主要有80C196MC控制器、晶闸管相序检测、晶闸管驱动、流压温检测、状态输出、89S51辅助控制器、键盘参数输入和LCD液晶显示输出共八部分组成。软起动器的各控制参数首先经键盘进行设置，由89S51单片机传递到80C196MC中，经计算后按照既定的模式发出触发脉冲以驱动晶闸管模块导通，电机起动开始。在此过程中，检测电路将电机的电压、电流等参数进行实时检测：一方面对电机起动过程中的过压、过流等故障作出保护；另一方面进行数据计算，以保证电机按既定规律起动。同时，80C196MC将相应数据的运算结果传递给89S51，将电机起动过程中的各参数进行LCD显示。
 

图3 软起动器模块原理图

4 软起动控制方法
       软启动器一般有以下几种典型起动方式： 斜坡电压启动方式、限流启动方式、转矩控制起动方式和转矩加突跳起动方式。下面对这几种起动方式的特点和性能进行简述。
4.1 斜坡电压起动控制方法
        斜坡电压起动方式是指在电机起动过程中，通过控制晶闸管触发角 ，使电动机端电压从零开始按设定的斜率平滑上升，直至达到额定电压。在此过程中，电机电压按设定的斜坡增加，起动转矩则与基波电压的平方成正比关系增加。整个过程中，起动时间可调，一般设置为1～100s。此种方式主要用于重载起动场合，起动时间较短，但起动电流相对较大，起动转矩小。斜坡电压起动曲线如图4所示。
 

图4 斜坡电压起动曲线

        系统上电伊始，按照既定的规律改变晶闸管触发角，使得电机电压很快的上升到初始电压 ， 为电动机带载起动所需最小转矩对应的电压值。然后，在 的变化下，电机电压按所设定的斜率上升，直至额定电压。至此，电机起动过程结束，软起动器旁路。
4.2 限流软起动控制方法
 

图5 限流起动曲线
 

图7 转矩加突跳起动曲线
       限流起动方式就是电机在起动过程中采用电流闭环设计，以限制起动电流不超过预先的设定值并保持恒定，在此前提下，逐渐升高电机的输入电压，直到转速到达额定转速后电流自动衰减下来，此时电压达到额定电压，起动过程结束，软起动器旁路。电流限定值一般设定为(2～4) ,故这种起动方式起动电流小且限定值可调，但具有难以确定起动压降，起动时间较长的缺点，主要应用于轻载起动的场合。
限流起动曲线图如图5所示。
4.3转矩控制起动方法
       转矩起动控制方式是指在电机的起动过程中，保持电机的起动转矩按照线性上升的规律进行起动。在此过程中，需要按照一定规律适时调整晶闸管的触发角，使得起动转矩按照线性规律运行。由于它的最终控制目的就是为了得到线性转矩，故这种方式下电机起动平滑，保护了拖动系统，延长了其使用寿命。转矩控制起动方式主要用于重载起动场合，是非常好的重载起动方式之一。其起动过程如图6所示。
 

图6 转矩控制起动方式曲线

4.4转矩加突跳起动方法
        转矩加突跳控制起动方式和转矩控制起动方式类似，也应用在重载起动场合。不同的是前者在电机起动的瞬间转矩多了突跳功能，目的就是为了克服电机起动伊始由负载带来的较大静阻力矩，然后转矩线性平滑上升，完成起动。这种起动方式很好地克服了负载静阻力矩，缩短了起动时间，但是突跳的存在会给电网和周围设备造成影响，这也是本方式的一个缺憾。
本方式起动曲线如图7所示。

5 程序设计
       从电机软起动的要求和场合来看，斜坡电压起动方式和限流起动方式是两种较为常用的起动方式，以下就这两种起动方式进行程序设计。
5.1斜坡电压起动控制流程
       斜坡电压起动方式采用开环控制。电机上电瞬间，系统发出触发脉冲给晶闸管，使得输出电压很快上升到设定的初始电压。然后按照一定的触发规律继续发脉冲，使得电机的电压按照线性斜坡上升。在起动过程中要不断的查询设定的时间到达与否，时间到，则电机起动完毕，软起动器旁路。
基于上述控制方法的斜坡电压起动方式程序流程图如图8所示。
 

图8 斜坡电压起动程序流程图

5.2限流起动控制流程
        限流起动方式采用电流反馈闭环控制。电机上电瞬间，进行电流适时采集，并不断地和预定的限流值进行比较。当达到电流限定值时，程序自动进入电流闭环控制，本控制中采用的是电流闭环PID控制规律，采集的电流经PID计算后，得出晶闸管触发角的值，不断地调整晶闸管的触发角，以将电流限制在恒定值。直至电机起动结束。限流起动程序流程如图9所示。
 

图9 限流起动程序流程图

6 结语
         本文简述了80C196MC的控制优点和电机软起动器的基本原理，并重点描述了电机软起动控制方法的原理及特点。采用电机软起动器，实现了电机的平滑无级起动，转速上升平稳，取得了相当显著的起动效果。

参考文献
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