為了減小電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械裝置的沖擊，同時(shí)可以控制大力矩電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)，提出了一種通過(guò)AVRATmega128單片機(jī)控制晶閘管調(diào)壓的三相交流異步電機(jī)軟啟動(dòng)器，并分別介紹了其硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了軟啟動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)的正確性，達(dá)到了控制電機(jī)定子兩端電壓的效果。

　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為電廠電動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力裝置，是電廠自動(dòng)化儀表中的執(zhí)行單元，目前應(yīng)用非常廣泛，但也存在不少問(wèn)題�，F(xiàn)電廠多回轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用三相交流異步電機(jī)，其傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式是將三相交流異步電機(jī)通過(guò)正反轉(zhuǎn)模塊或交流接觸器直接接到電網(wǎng)上。這樣啟動(dòng)電流大，容易對(duì)電網(wǎng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身造成損害。在許多場(chǎng)合這種過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)造成不良的影響。為了滿足電動(dòng)機(jī)自身啟動(dòng)條件、負(fù)載傳動(dòng)機(jī)械工藝要求、保護(hù)其他用電設(shè)備正常工作的需要，應(yīng)當(dāng)在電機(jī)自身啟動(dòng)過(guò)程中采取必要的措施控制其啟動(dòng)過(guò)程，降低啟動(dòng)電流沖擊和和轉(zhuǎn)矩沖擊�，F(xiàn)國(guó)內(nèi)針對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的晶閘管軟啟動(dòng)器技術(shù)研究不多，已有的軟啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用三路晶閘管控制，可靠性不高且啟動(dòng)方式單一，不適合用于大力矩的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用六路晶閘管控制比三路晶閘管控制具有更高的可靠性，且可以根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)啟動(dòng)方式，可大力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)啟停，限制啟動(dòng)電流，減少機(jī)械沖擊，減弱對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。文中在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以ATmega128單片機(jī)為控制核心，分別控制六路晶閘管的導(dǎo)通角從而調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電機(jī)兩端的電壓，滿足閥門(mén)的軟啟動(dòng)需要。

1、系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　該軟啟動(dòng)裝置是由一片處理器(ATmega128)控制六路晶閘管實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)定子兩端電壓進(jìn)行控制，用以達(dá)到軟啟動(dòng)的功能。利用電流傳感器對(duì)起動(dòng)電流進(jìn)行幅值檢測(cè)，通過(guò)電壓檢測(cè)電路對(duì)三相電進(jìn)行相序檢測(cè)和過(guò)零檢測(cè)，利用正反轉(zhuǎn)模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的切換。整個(gè)系統(tǒng)用變壓器將強(qiáng)電弱電隔離，并且通過(guò)后級(jí)電路進(jìn)行整形濾波后對(duì)控制系統(tǒng)、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路以及正反轉(zhuǎn)模塊供電。整個(gè)系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

2、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1、系統(tǒng)主回路

　　軟起動(dòng)器主回路采用圖2所示的三相交流調(diào)壓電路。在電源和異步電動(dòng)機(jī)之間接入反并聯(lián)的晶閘管調(diào)壓電路，通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)角來(lái)改變電動(dòng)機(jī)定子兩端電壓，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和定子電流等物理量。由于圖2所示的電路中沒(méi)有中線，因此工作時(shí)若負(fù)載電流流通，至少要有兩相構(gòu)成通路，其中一相是正向晶閘管導(dǎo)通，另一相則是反向晶閘管導(dǎo)通。為了保證電路起始工作時(shí)有2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，文中的設(shè)計(jì)采用了能產(chǎn)生大于60°的寬PWM脈沖觸發(fā)電路。

圖2 軟啟動(dòng)系統(tǒng)主回路

2.2、系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)

　　電源模塊主要完成控制系統(tǒng)各單元的供電，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用電源輸入工頻變壓器后級(jí)加六路隔離變壓器驅(qū)動(dòng)晶閘管的整體方案。電源變壓器提供20W的輸出能力作為控制系統(tǒng)總的供電，后級(jí)輸出+5V，+12V，+24V作為各個(gè)單元電路供電。系統(tǒng)電源分配如圖3所示。晶閘管驅(qū)動(dòng)板輸入輸出部分與系統(tǒng)電氣隔離，保證系統(tǒng)的安全性。

圖3 系統(tǒng)電源分配

2.3、系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)

　　軟啟動(dòng)器控制電路以高性能、低功耗8位微處理器ATmega128單片機(jī)為控制核心，包括電流檢測(cè)電路，電壓過(guò)零檢測(cè)電路，脈沖觸發(fā)電路以及正反轉(zhuǎn)控制電路。軟啟動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)

2.4、電壓過(guò)零檢測(cè)電路

　　過(guò)零檢測(cè)電路的作用是把高壓過(guò)零信號(hào)采集后送給單片機(jī)，作為單片機(jī)定時(shí)器的標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)采用光耦與大功率電阻采集高壓信號(hào)，電阻降壓，光耦過(guò)零觸發(fā)。光耦后級(jí)接上拉電阻，相電壓過(guò)零后光耦導(dǎo)通，電平信號(hào)有高低會(huì)產(chǎn)生變化。單片機(jī)通過(guò)采集到的電平變化信號(hào)來(lái)確定相電壓過(guò)零導(dǎo)通的時(shí)間，并且可以通過(guò)過(guò)零導(dǎo)通的時(shí)序?qū)θ�相電進(jìn)行相序檢測(cè)。電壓過(guò)零檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 過(guò)零檢測(cè)電路

2.5、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路

　　利用ATmega128單片機(jī)發(fā)出的六路PWM脈沖控制A，B，C三相6個(gè)晶閘管的觸發(fā)。由于單片機(jī)輸出觸發(fā)信號(hào)不足以觸發(fā)晶閘管，故需將PWM脈沖觸發(fā)信號(hào)通過(guò)晶閘管觸發(fā)變壓器將觸發(fā)功率放大。由于主電路中沒(méi)有中線，為了保證可控硅的導(dǎo)通以及觸發(fā)時(shí)序的正確，在同一時(shí)刻必需有2個(gè)晶閘管導(dǎo)通。考慮到可靠性的要求，該設(shè)計(jì)采用大于60°的寬PWM脈沖列觸發(fā)信號(hào)。

　　脈沖驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，單片機(jī)發(fā)出一串寬PWM脈沖，經(jīng)過(guò)三極管進(jìn)行功率放大，然后將放大信號(hào)通過(guò)晶閘管觸發(fā)變壓器使晶閘管控制極和陰極之間加正向電壓，從而觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

圖6 晶閘管觸發(fā)電路

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟啟動(dòng)器的軟件主要包括系統(tǒng)主程序和中斷脈沖觸發(fā)程序，并采用模塊化設(shè)計(jì)。

3.1、系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)上電初始化、缺相檢測(cè)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、軟啟動(dòng)與軟停車(chē)模式選擇、軟啟動(dòng)控制方式的選擇，以及按預(yù)定方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

3.2、中斷脈沖觸發(fā)程序

　　由于晶閘管觸發(fā)變壓器本身伏秒特性的限制，不能給出寬脈沖觸發(fā)信號(hào)，故該設(shè)計(jì)采用寬PWM觸發(fā)脈沖，即給需要導(dǎo)通的晶閘管1個(gè)大于60°的PWM脈沖列，這樣可至少保證兩相之間構(gòu)成通路，并且該觸發(fā)方式比雙脈沖觸發(fā)方式有更高的可靠性。設(shè)計(jì)中PWM脈沖頻率為5kHz，占空比25%。

　　ATmega128單片機(jī)通過(guò)3個(gè)外部中斷INT2，INT6，INT7分別檢測(cè)到電壓過(guò)零檢測(cè)電路送來(lái)的相電壓過(guò)零中斷信號(hào)，并按照觸發(fā)角的變化延時(shí)相應(yīng)的角度，給出觸發(fā)信號(hào)，然后延時(shí)大約3.5ms停止觸發(fā)脈沖的發(fā)送。利用單片機(jī)的2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C1和T/C3的定時(shí)功能，將T/C1和T/C3的工作模式設(shè)置為快速PWM模式，利用定時(shí)器比較匹配中斷和溢出中斷實(shí)現(xiàn)脈沖列的定時(shí)。同時(shí)利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C0實(shí)現(xiàn)觸發(fā)角和脈沖列寬度的定時(shí)。其中A相中斷脈沖觸發(fā)程序流程如圖8所示。

圖8 A相脈沖觸發(fā)程序流程

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)并制作了1臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟啟動(dòng)器樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。三相異步電機(jī)額定功率為1.5kW，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min。圖9為晶閘管VT1與VT6觸發(fā)脈沖列的關(guān)系，脈沖列寬度為3.5ms且VT6脈沖列比VT1脈沖列超前60°。由于A相正半周期和C相負(fù)半周期相位差60°，按照觸發(fā)順序，在A相導(dǎo)通的同時(shí)，需同時(shí)將C相導(dǎo)通，這樣就保證兩相之間構(gòu)成了通路，說(shuō)明了觸發(fā)脈沖相序的正確性。

圖9 晶閘管VT1與VT6觸發(fā)脈沖關(guān)系

　　圖10為當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)，輸出線電壓Uab與晶閘管VT1觸發(fā)信號(hào)之間的關(guān)系。圖11為當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)，負(fù)載相電壓Ua與晶閘管VT1觸發(fā)信號(hào)之間的關(guān)系。圖12為A相負(fù)載電流的變化情況。從相電壓Ua及相電流Ia的波形可以看出加在電機(jī)定子兩端之間的電壓電流發(fā)生了變化，說(shuō)明軟啟動(dòng)器起到了調(diào)壓調(diào)速的效果，同時(shí)表明單片機(jī)輸出的脈沖列通過(guò)隔離、放大之后可以成為可靠觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)脈沖信號(hào)。

圖10 α=90°線電壓Uab與VT1脈沖列的關(guān)系

圖11 α=90°相電壓Ua與VT1脈沖列的關(guān)系

圖12 α=90°A相負(fù)載電流變化

5、結(jié)束語(yǔ)

　　提出了一種采用六路晶閘管控制有多種啟動(dòng)控制方式的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟啟動(dòng)器，并介紹了其硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。文中所做的工作驗(yàn)證了其硬件電路設(shè)計(jì)的可靠性和中斷觸發(fā)程序的正確性，為下一步電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟啟動(dòng)器多種控制方式的研究做準(zhǔn)備。