智能软起动器控制系统的硬件设计

孟彦京，宫文展

(陕西科技大学，陕西西安710021)

0 引 言

交流异步电动机构造简单、运行可靠性能高、适应能力强，但直接起动时其电流大而转矩小，对电机自身和电网都不利。在工业生产中，采用晶闸管降压软起动器来抑制起动电流。由于转矩与电压的平方成正比，电压的降低导致了转矩的急剧降低。传统的软起动器只能应用于空载或轻载起动场合。

为了拓宽软起动器的应用领域，Antonio Ginart提出了采用离散变频的思想来提高起动转矩［1］，国内学者也对其进行了研究［2］。这些采用了与常规调压软起动器相同的三相反并联晶闸管作为主电路，通过通断控制控制晶闸管的方法，控制三相工频电源电压某些半波导通，另一些半波截止，调压的同时实现频率的变化，该系统的设计思路即来源于此。

1 整体结构设计

离散变频重载软起动器对控制系统的实时性、稳定性、可靠性要求比较高，因此选用ST公司高速高性能的STM32F103C8T6芯片作为核心控制CPU。该智能软起动器硬件系统的设计主要包括主电路和控制系统电路两部分。本文的控制系统采用ST公司的STM32F103C8T6作为主控核心CPU，选用Altera公司生产的EPM240F100可编程逻辑器件完成辅控单元设计，选用AT89C52进行操作界面和显示处理设计等，通过RS485通讯口进行数据通讯［3］。

重载软起动器的设计核心是系统控制电路设计。控制系统硬件电路设计主要包括CPU的选择及外围电路设计、电源电路单元、人机操作界面和显示、检测及保护电路设计等。重载软起动控制系统整体框架图如图1所示。

图1 软起动系统控制框图

2 控制系统硬件设计

软起动器控制系统硬件设计是整个控制系统设计过程中最为重要的环节，是整个系统可靠工作的根基。设计本控制系统的目的是要实现异步电动机高转矩、小电流平滑软起动，根据交流异步电动机软起动控制要求，完成起动所需参数的检测和输出。

(1)同步电压检测，检测输入工频电源电压过零点、相序以及是否缺相等;

(2)电流检测，检测起动电流是否在控制系统所允许的安全运行范围内;

(3)控制及运行参数的设置和显示;

(4)对外部输入参数进行采样;

(5)不同系统之间的数据通讯传输。

智能重载软起动器硬件控制系统的设计必须要考虑所要实现的功能，设计各个硬件电路单元模块。

2.1 芯片介绍

该软起动器控制系统的核心控制CPU选用ST公司的STM32F103C8芯片，负责相关信号检测与判别、算法处理和控制、输出控制等功能。相对于单片机而言，STM32F103C8T6运行速度更快、功耗更低，更符合控制系统的要求［4］。

2.2 系统控制电路

系统控制电路主要分为以下几部分:

(1)主控单元:主要指STM32F103C8T6及其相关外围电路。负责信号的检测与判别、算法处理与控制，负责与单片机及外部设备进行通讯等。

(2)辅助控制单元:以CPLD(EPM240)为核心，主要负责对STM32F103C8T6的控制信号进行滤波，触发脉冲信号的产生，给出故障报警信号及旁路输出信号等。

(3)人机操作界面与显示系统:以AT89C52为该单元CPU进行人机操作界面和显示处理最小系统设计，保证外部与STM32F103C8T6进行数据通讯。将主控制单元和界面显示单元分开进行控制，不仅可以有效地利用STM32F103C8T6的快速数据处理能力和丰富的外围硬件电路资源，同时，AT89C52分担了操作界面和显示处理的工作，使STM32F103C8T6能更专心于算法的运算与系统功能的控制实现，提高了系统运行的快速性、稳定性和可靠性，保障了控制系统实时快速地处理各种控制和监测的数据，保障了控制系统相应控制功能的顺利实现。

3 部分关键电路设计

3.1 工作电源电路

按照设计要求，该电路系统中所需要的电源有3.3 V、12 V、24 V 三种类型。

图2 工作电源电路

工作电源电路如图2所示，变压器将380V交流线电压降低为18 V和8.5 V，通过J1接口接入控制电源电路中，通过整流模块分别转换为24 V(DC)和12 V(DC)，最后通过三段稳压芯片再分别转换为12 V和3.3 V。

3.2 最小系统设计［4］

该最小系统采用STM32F103C8为核心芯片，采用3.3 V供电，采用8 MHz无源晶振，采用JTAG标准接口。时钟电路及复位电路如图3所示。

图3 时钟及复位电路

软起动器控制板采用手动复位，如图3所示。图中CPU_RST直接与STM32F103C8T6的复位引脚NREST相接，B1为复位开关。

3.3 同步电压信号检测电路

由于晶闸管的触发角都是以三相电源同步信号为基准的，因此同步电压信号电路是用来确定每一相电压准确的过零点时刻，进而确定初始触发时刻，保证正确触发晶闸管。因此，同步电压信号检测对软起动器控制系统具有重要的意义。

工频电源电压在过零点附近容易受到外界干扰或者电源本身就含有一些谐波成分，导致过零比较器的输出端输出信号出现抖动，进而引发CPU外同步中断在同一过零点时刻中断次数不只一次，造成软起动控制系统的不稳定，甚至导致起动失败，因此必须在同步电压检测电路中加入滤波电路，以抑制低频和高频成分。电路原理图如图4所示。

在实际运行过程中电压会出现负值，因此不能用地作为参考点，该同步电压信号检测电路采用5 V稳压管为参考点，三相同步信号源直接取自电网电压通过电阻分压得到同步电压信号，经过阻容移相后，由LM339对电压进行比较，输出高低电平，将交流信号经整形变换为矩形脉冲。最后再由光耦对信号进行隔离和发送至触发角控制和条件单元CPLD。此电路同时具有过零和缺相检测功能。

3.4 电流检测电路

电动机在起动时，如起动电流过大，会对电网及同一电网中的其它用电设备造成冲击;如果起动电流过小，则会增加起动时间。因此在电动机起动过程中必须施加限流和过流保护措施，即在软起动过程中必须要有电流检测环节。电流检测的方法有很多，图5为本文采用的电流检测电路。在主回路中接入400∶1的电流互感器测得电机起动运行时的电流值，将得到的电流互感器二次侧电流值通过整流电路转换成直流，最终输入STM32F103C8T6的CUR_ADC口，由软件比较检测电流与给定电流的差值，完成限流调节和过流保护功能。

图4 电压同步检测电路

图5 电流检测电路

3.5 晶闸管触发系统

产生正确的触发脉冲是整个控制系统的核心，晶闸管的可靠触发是晶闸管运作的首要条件。工作过程示意图如图6所示。由STM32F103C8T6产生触发脉冲控制信号后送入EPM240，然后由EPM240进行必要的逻辑运算处理后，经过三态缓冲器74HC244对驱动信号进行增强，由光隔TPL521对信号进行隔离后再经过反向缓冲器MC1413后将控制信号送到脉冲变压器及继电器一侧，在脉冲变压器的另一侧产生触发脉冲序列加到晶闸管的门极，完成对晶闸管导通与关闭的控制。

图6 晶闸管触发系统示意图

3.6 操作界面、显示单元电路

软起动器带有键盘操作界面和显示模块，可以通过软起动器进行外部控制和显示异步电动机起动以及运行过程中的电流、电压等相关信息，同时通过操作界面可以输入控制信息及显示系统的状态信息。本系统通过AT89C52实现界面操作和显示单元电路模块的控制［3，5］。通讯单元硬件连接原理示意图如图7所示。AT89C52负责外部界面操作和运行参数显示，减轻了STM32F103C8T6的工作量，使其更加专注于软起动程序的执行，避免了频繁中断引起的累积错误。

图7 操作界面、显示单元示意图

另外，硬件电路的设计还包括通讯接口单元、温度检测单元、旁路输出单元和故障输出单元等，限于篇幅在此不再一一赘述。

4 硬件抗干扰措施

由于在实际工业控制过程中存在各种干扰源，虽然多数干扰不会对控制系统造成致命性破坏，但会使整个控制系统无法正常工作，严重的，甚至无法实现电动机平滑软起动。某些干扰可以通过硬件电路设计消除或是避免，但是有的却很难用硬件方法解决，必须采用软件措施。下面主要介绍一下在硬件抗干扰方面的一些措施。

(1)电源抗干扰设计

在电源与地之间接入无极性电容以滤除杂波，以此来保证系统能够获得稳定的直流电源。

(2)接口抗干扰设计

电路中，通过RC滤波器滤除感应的尖峰电压;在尽可能靠近集成电路的附近配置高频去耦电容，消除数字电路上尖峰电流产生的影响;对模拟和数字部分进行光电隔离，防止相互干扰。

(3)电路板抗干扰设计［6］

若电流允许，尽量加粗电源线，减少环路电阻。电源线、地线走向与数据传输方向一致，增强抗噪声的能力;尽量选用小电流、低功耗的元器件，减少板内EMI及发热;地线尽可能粗，在PCB板上绕一圈不闭合的数字地等。另外，继电器、按键等元件操作时会产生较大火花，设置RC电路来吸收放电电流。

5 控制系统电路板

在电路原理图设计完成后，通过原理图生成PCB板，然后制版，本课题选用Protel99SE作为画图软件。控制系统电路板如图8所示。

6 结 语

本文主要设计了软起动器控制系统硬件电路。从控制电路方案、同步电压信号的产生到相序检测及缺相检测电路、触发脉冲的产生、电流检测电路、外部操作界面及键盘显示单元电路等，给出了各个功能单元模块的具体硬件实现电路，分析了系统中各个功能单元模块的原理和作用。对所设计的系统进行了实物制作，制成一块测试实验用的控制系统电路板，为后期有效进行实际电路测试及相应功能验证提供了基础。

［1］ Antonio G，Rosana E，Maduro A，et al.High Starting Torque for AC SCR Controller［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14(3):553 －559.

［2］ 郭德胜，高强，徐殿国，等.离散变频软启动器启动转矩分析［C］//第五届变频器行业企业家论坛论文集.2007:51－56.

［3］ 高卫东，辛友顺，韩彦征.51单片机原理与实践［M］.北京:北京航空航天大学，2008.

［4］ STMicroelectronics.RM0008 Reference manual，Doc ID 13902 Rev 11［2010 －04］.http://www.st.com.

［5］ 王幸之，钟爱琴，王雷，等.AT89系列单片机原理与接口技术［M］.北京:航空航天出版社，2004.

［6］ 清源科技.Protel99SE电路原理图及PCB设计与仿真［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［7］ 王幸之，王雷，翟成.单片机应用系统抗干扰技术［M］.第一版.北京:北京航空航天大学出版社，2001.