基于ATmega8控制的交流電動機軟啟動設計

王志華 郭英芳 劉 紅

（楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

在工業生產中三相交流異步電動機占據了十分重要的地位，電機不同啟動方式不僅影響它的性能還有其使用壽命。三相交流電動機電路中，主電路直接與電源相連，啟動時啟動電流是交流電動機在額定運行時電流的4～7倍，這個沖擊電流會造成電源系統和串聯在電路中的其他開關電氣設備過載，甚至影響一個電源系統下其他電氣設備正常工作。其次，交流電動機直接啟動，還會產生較大的轉矩，產生的沖擊會造成機械裝置受損。工業上使用的軟啟動設備多采用電子電路設計，沒有MCU單元，本文基于ATmega8單片機設計了一種電動機軟啟動電路，該電路在交流電動機啟動時，可以降低啟動電流、提高啟動轉矩，同時，該電路可保證電機可靠啟動，降低啟動沖擊的作用。

1 軟啟動原理

設計中在三相交流電機的主電路中串入軟啟動電路，該電路由三相并聯可控硅組成，通過光電耦合器進行過零點檢測，在過零點處以電動機啟動電壓的時間為依據觸發可控硅的導通角，電機啟動電壓隨可控硅的導通角從零逐漸上升，交流電動機轉速加速，可控硅導通角全導通時，電動機以額定電壓工作，并進入額定轉速運行，軟啟動電路完成交流電動機的平滑啟動，降低啟動電流。此時，電動機啟動完成，可控硅停止工作，自動切換至接觸器控制的電動機運行電路，電動機在額定電壓、額定轉速下整個場運行。如圖1所示。

圖1 三相交流電動機軟啟動控制電路

2 軟啟動電路設計

2.1 整體設計

交流電動機軟啟動設計根據大功率電動機啟動時，負載大小影響著電動機啟動過程，造成啟動時間過長，轉子上的感應電流增大，轉子繞組發熱量過大，絕緣層熱損壞，致使繞組間出現短路等故障現象。該設計采用MCU控制單元，由CPU控制啟動電壓，電路獲取電動機的啟動電壓上電，進行過零點檢測電路，獲取光耦采集過零點信息，根據電壓移相觸發電路改變導通角來實現調節啟動電壓。

基于單片機的三相交流電動機軟啟動器設計的典型框圖如圖2所示。

圖2 軟啟動器設計基本原理圖

可控硅控制移相觸發的軟啟動器設計，通過檢測交流電壓過零點，根據啟動時間，在過零點處觸發三相交流電源的相位角的大小，控制電源電壓在半個周期內的幅值，達到平穩啟動、降低啟動電流、防止電機高溫受損的效果。

軟啟動器電路設計采用ATmega8單片機作為中央控制單元，該單片機是基于AVR的RISC結構的8位單片機，功耗低、性能高。以單片機為核心的中央處理單元主要包括復位、外部晶振、電平轉換等電路，檢測與控制單元主要包括過零檢測、移相觸發、電壓控制輸出等電路。中央處理單元采集過零檢測送來的信號，獲取過零點，打開導通角調整電壓幅值，實現對電機啟動電壓的控制，達到降壓軟啟動效果軟啟動器CPU單元電路如圖3所示。

圖3 軟啟動器CPU單元電路設計

2.2 過零檢測電路

過零檢測電路檢測三相交流電源電壓波形在正負周期交替出現時，通過TLP521光電耦合器件采集過零點信息，電壓波形在過零點處光電耦合器截止，向單片機單元發送高電平信號，用于CPU控制觸發角。TLP521是可控制的光電耦合器，負責電路之間的信號傳輸，將電信號經過光傳輸，再轉換為電信號，具備電路干擾小的特點，對于大功率電機啟動現場的干擾具有強抗磁干擾的作用。如圖4所示。

為了保證光電耦合器的可靠性，設計穩壓管與光電耦合器并聯，進行穩壓保護。在程序設計中，光電耦合信號的輸入PD3端口的中斷設置為：DDRD&=～0X08。

圖4 三相電源過零檢測電路

2.3 移相觸發電路

移相觸發電路是在過零點時，電路觸發開關信號，控制雙向可控制導通，導通的起點以過零點為基準，導通角的大小由電機啟動持續的時間和啟動電流的大小在控制程序中設定，達到改變輸出電壓的目的。原理圖如圖5所示。

圖5 可控硅導通的移相觸發波形圖

移相觸發電路采用雙向可控硅TRIAC進行開斷控制，雙向可控硅結構為五層的半導體器件，由兩個主電極和一個柵極組成。具備以小功率控制大功率，反應極快，無觸點運行，等特點。雙向可控硅的兩個主電極之間接通電源之后，在柵極上加載一個觸發信號，雙向可控硅導通，該觸發信號與極性無關，可以是正信號，也可以是負信號。觸發電路如圖6所示。

圖6 可控硅觸發電路

雙向可控硅觸發電路CPU信號接收電路、高頻變壓器T1電路和可控硅觸發保護電路組成。三極管Q1、Q2并聯電路組成信號接收電路，接受CPU發送的高電平控制信號，控制信號為正高電平，三極管Q1導通，T1原邊接通電源，副邊輸出高頻脈沖電壓；信號為負高電平，三極管Q2導通，T1原邊無電源信號，副邊無感應電壓?？煽毓栌|發保護電路由穩壓管D9和電阻R31組成，防止雙向可控硅上的主電極電壓過高，造成損壞。

三相對稱電源控制信號輸出對稱，在程序中定義A相驅動信號輸出，設置CPU的硬件連接端口，將PD4端口初始為高電平，地址編碼設置為：DDRD|=0X10；端口編碼設置為：PORTD|=0X10。

3 軟啟動軟件設計

系統軟件由CPU初始化、過零點采集中斷輸入、移相調壓啟動控制、計時調壓輸出、外部中斷觸發方式和程序保護等組成。圖7所示軟啟動軟甲設計程序流程圖。

圖7 軟啟動程序流程圖

接通電源，程序初始化，CPU中斷使能，獲取光耦過零點檢測信號，計時開始，半周波為10 ms，采集信號10個點進行分析，主函數根據上電信號開始采集過零點、控制雙向可控硅導通角大小的調整，實現電動機啟動穩定控制。程序設計中通過電壓輸出延時來實現軟啟動，電壓延時輸出端口程序設計如下：

_delay_us（k*16+500）；

PORTD&=～0X10；

_delay_us（120）；

PORTD|=0X10；

通過該端口電壓輸出的時間，計時控制，進行電壓移相輸出，保證電動機啟動時電壓處于較低電壓下，根據負載的大小設定啟動時長，達到交流電動機軟啟動的效果。

4 結論

本文基于單片機Atmega8設計并實現了一種具備緩解電流過載問題，降低對電網的沖擊的軟啟動器，根據現場測試使用，該軟啟動電路具備啟動電流小、啟動轉矩大的優點，具有一定的市場應用和推廣價值。