交流电机软起动器控制系统模块设计 毕业设计 交流电机软起动器控制管理系统设计 摘要 三相界步电动机的起动电流高达额定电流的5、8倍，对电网造成较大干 扰，尤其在工业领域中的重载起动,有时可能对设备安全构成严重威胁。传统的降 压起动方式，如星三角起动、自耦变压器起动等，要么起动电流和机械冲击过大, 要么体积庞大笨重、损耗大，要么起动力矩小、维修率高等等，都不尽人意。软启 动技术不仅实现在整个起动过程屮无冲击而平滑地起动电动机，而且可根据电动 机负载的特性来调节起动过程中的参数如限流值、起停时间等，以达到最佳的起 停状态。我们从三相异步电动机的应用控制出发，介绍了基于单片机控制的电机 软启动原理，给出了基于单片机控制的电机软启动装置的设计方法。用该方法控 制电机的软启动系统具有控制结构简单，实用性强等优点。 关键词：交流电动机软启动原理单片机软启动程序晶闸管 Ac motor soft starter control ABSTRACT Three-phase asynchronous iiiotor starting current is as high as rated current 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 current and mechanical shock is too large, or heavy, bulky or loss is big, smeil 1, 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 charac teris tics to adjus t motor star ting process of pcireimeters 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 motor soft start, gives the principle based on single chip microcomputer control motor soft steirter design method. Use this method to control the motor soft start-up system has control of simple structure, practical strong, etcKey words:Ac motorSoft start principleMicrocontrollerThyristorSoft start-up procedures 目录 第一章绪论1 TOC \o 1-5 \h \z 1.1交流电机软启动存在的问题 1 1.2软启动器的简单介绍1 1软启动器的保护功能 3 1.2.2它与变频器有的区别 3 1.2.3软启动的作用3 1.2.4软启动器的优点4 1.3国内外软启动现状 4 1.4木课题的意义及主要工作5 第二章软启动的基本原理和特点6 1软启动原理 6 2.2软启动常用的几种启动方式 7 2.3软启动常用的几种停机方式 8 4接触器旁路工作 9 2.5软启动的基本接线 2.8单片机的简单介绍11 2.8. 1单片机的介绍 11 & 2单片机的硬件特性13 9单片机的选择13 第三章软启动控制系统硬件设计15 TOC \o 1-5 \h \z 1电机软启动系统原理方框图 15 2硬件设计15 1单片机的选型16 3.2.2单片机的连接电路图 17 3.2.3可编程逻辑器件的选型17 3.3软起动控制系统硬件电路设计19 3. 1软起动控制系统框图 19 3. 2软起动主电路及触发电路 20 3.3单片机控制电路24 3.4三相同步信号釆集电路25 3. 3. 5脉冲放大整形电路 26 3. 3.6检测电路 27 3. 3.7 A/D转换电路 28 3.8键盘与显示电路29 第四章 软启动控制系统软件设计31 1单片机控制部分程序设计31 1. 1主程序的编写 31 1.2软起动子程序 32 1. 3 CPLD器件分解结构图 33 1.4同步信号产生模块34 总结36 参考文献37 谢辞39 第一章绪论 三相异步电机由于结构简单、控制维护方便、性能稳定、效率高等优点 而被广泛地应用于煤矿生产和各种动力设备的拖动中。因其直接起动时产生的冲 击电流对电网及其负载造成冲击，同时由于起动应力较大,使负载设备的使用寿 命降低，因此常采用降压起动方式來减少影响。但是,传统的降压起动方式，如星 三角起动、自耦变压器起动等，要么起动电流和机械冲击过大，要么体积庞大笨 重、损耗大，要么起动力矩小、维修率高等等，都不尽人意。随着电子技术的发展, 使用软启动器可以无冲击而平滑地起动电动机，而H可根据电动机负载的特性来 调节起动过程中的参数达到最佳的起停状态，从而延长机械设备的使用寿命，减 少设备的维修量，提高经济效益。 1.1交流电机软启动存在的问题 我们都知道，全压启动有什么缺陷： 起动电流达到电机全载工作电流的800%以上。 巨大的起动电流引起电网电压下降，影响到其他负载。 电气元件（接触器、过载）必须选择能耐受满浪涌电流的规格。 4?机械系统-齿轮箱、风扇皮带、电机轴、水泵轴寿命缩短，磨损加剧。 5?易碎的产品碎裂、破裂、散落,定位产品的位移等。 由上面可以看岀全压启动还是有蛮多缺陷的，所以就提出了降压启动这 个概念。传统的起动方式有丫-△起动，串电抗器降压起动，自藕变压器降压起动、 延边三角形起动等。上述种种方式，在起动过程中，都有一个线圈电压切换过程, 因而对电网存在“二次冲击”的问题。软起动器将电力电子技术与微电脑控制技 术相结合结合了计算机技术，起动时，由电子电路控制晶闸管的导通角使输出电 压逐渐增加，电动机逐渐加速，自动地将起动电压连续、平滑地上升，直至晶闸管 全导通，达到额定电压,使电机实现无冲击软起动;停机吋，则控制晶闸管的关断 速度，使电机的端电压由全电压逐渐下降至零，实现软停车;并能彻底的解决传统 起动方式带来的“二次冲击”的问题。 1.2软启动器的简单介绍 软启动顾名思义，就是不直接启动,而是慢慢的、一点一点的启动。比如 在电机的输入端一点一点地把电压从0升高到额定电压,频率由0渐渐的变化到 额定频率，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去不可控的过载冲击电流 变成为可控的、可根据需要调解大小的启动电流。电机启动的全过程都不存在冲 击转矩,而是平滑的启动运行。这就是所谓的电动机的软启动。 软启动器于20世纪70年代末和80年代初投入市场,填补了星-三角启动 器和变频器在功能实用性和价格Z间的鸿沟。采用软启动器，可以控制电动机电 压,使其在启动过程中逐渐升高，很自然地控制启动电流，这就意味着电动机可以 平稳启动，机械和电应力降至最小。因此软启动器在市场上得到广泛应用，并且软 启动器所附带的软停车功能有效地避免水泵停止时所产生的“水锤效应”。 图1. 1软启动器 figure 1. 1 Soft starter 异步电动机以其优良的性能及无需维护的特点，在各行各业中得到广泛 的应用。然而由于其起动时耍产生较大冲击电流一般为le的5-8倍，同时由于起 动应力较大，使负载设备的使用寿命降低。国家有关部门对电机起动早有明确规 定，即电机起动时的电网电压将不能超过15%。解决办法有两个:增大配电容量， 采用限制电机起动电流的起动设备，如果仅仅为起动电机而增大配电容，从经济 角度上来说，显然不可取。为此，人们往往需要配备限制电机起动电流的起动设备, 过去人们多采用Y/△转换，自藕降压，磁控降压等方式来实现。这些方法虽然可 以起到一定的限流作用，但没有从根木上解决问题。 伴随传动控制对自动化要求的不断提高，采用可控硅为主要器件、单片机 为控制核心的智能型电动机起动设备？软起动器，已在各行各业得到越来越多的 应用，由于软起动器性能优良、体积小、重量轻，并且具有智能控制及多种保护功 能,而且各项起动参数可根据不同负载进行调整，其负载适应性很强。因此电子式 软起动器将逐步取代落后的Y/A.自耦减压和磁控式等传统的减压起动设备成 为必然。 电力电子技术的快速发展，智能型软起动器得到广泛应用。智能型软起动 器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装置, 又称为SoftStartero它不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电机, 而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动吋间等。 此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备 的诸多弊端。 1软启动器的保护功能 过载保护功能:软起动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电 流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功 能,使电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号。 缺相保护功能:工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化,一旦发 生断流，即可作岀缺相保护反应。 3?过热保护功能:通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度, 一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发岀报警信号。 其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它种种联锁保 护。 1.2.2它与变频器有的区别 软启动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速 的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率;软启动器实际上是个调压器，用 于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软启动器功能， 但它的价格比软启动器贵得多，结构也复杂得多。大多数软启动器在晶闸管两侧 有旁路接触器触头，其优点是：1.在电机运行时可以避免软启动器产生的谐 波。 软启动的晶闸管仅在起动停车时工作，可以避免长期运行使晶闸管发 热，延长了使用寿命。 一旦软启动器发生故障，可由旁路接触器作为应急备用。 1.2.3软启动的作用 软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定 子Z间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加 速,直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降 低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数吋，启动过程结束,软启动 器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压, 以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避 免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压 逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。软起动器安装调节 方便，所有控制连接及参数调节均在正面上完成。 该软启动器在安装后用户仍可方便就地改造，如：附加限流功能和内接/ 外接转换选择。该软起动器可不带旁路持续在线运行。软起动器为旁路和故障单 独设置了控制继电器。该软起动器所有参数均通过面板上的三只旋钮电位计和一 只拔码开关设定，直观准确。它甚至可以工作在有振动和环境温度较高的应用场 合。当该软起动器用于内接时因可控硅模块上承受的是三角形接法时的相电流, 所以相同电流的软起动器在内接时可以负载比外接时大1.73倍的电机。如一台 58A的S型软起动器内接应用时可以负载100A的屯机。 原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的齐种应用场合都可适用。应用范 围是交流电380V（也可660V）,电机功率从几千瓦到800千瓦。软起动器特别适用 于各种泵类负载或风机类负载,需要软起动与软停车的场合。同样对于变负载工 况、电动机长期处于轻载运行，可广泛用于纺织,冶金、石油化工、水处理、船舶、 运输、医药、食品加工，采矿和机械设备等行业。 1.2.4软启动器的优点 对于大功率异步电动机而言，软启动比硬起动（即直接起动）和传统降压 起动具有以下主要优点： 1?减少起动过程引起的电网电压降使之不影响同一供电网其它电气设备 的正常运行；2.对电动机提供平滑的起动过程，降低电机起动过程中线路的冲 击电流，减少电动机（传动机械）的冲击电流及对电网和配电系统的冲击，延长电 动机（传动机械）使用寿命； 减少电磁干扰:硬起动产生的冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪 表的正常运行； 有多台电动机控制功能，用一台起动器控制多台电动机的起动,起动电 流、起动时间可分别设置;多种起动模式：电压斜坡起动、限流起动、脉冲突跳起 动，具有软停车功能； 5?具有完善的保护功能:过载保护、断相保护、过压和欠压保护等。 1.3国内外软启动现状 随着国民经济的飞速发展,科学技术的日新月异，智能控制系统得到了广 泛的应用。如:智能大厦、无人值守泵站、无人值守供热站、各种遥控调度系统、 生产作业自动化等等。 这正是国家实现科学技术现代化的重要标志，也是每一个技术人员肩负 的重要责任。智能控制技术的应用，给我们提出了很多要求。如电网的波动性, 执行机构的符能配套等,都要求越來越严格。作为重要驱动执行机构的屯动机来 说，它的控制方式受到广大技术人员的高度重视。既要为智能控制打下良好基础, 又要降低电动机起动时对电网的冲击。所以,不得不在电动机的起动设备上做工 作。鼠笼型异步电动机电子软启动器的诞生给技术人员解决了这个问题。它既能 改变电动机的起动特性保护拖动系统，更能保证电动机可靠起动，乂能降低起动 冲击。我国软起动行业现状与国外有所不同，国产液态软起动装置占据了很大的 市场份额。国产液态软起动装置比国外产品简单，成本更低，电解液配置不采用蒸 憾水，液箱也做成不密封的。国产装置得以流行的原因是它比较适合现时我国的 国情。它能够满足起码的软起动要求,售价低，维护虽然麻烦,但难度不大。 在国家政策、经济环境的影响下,用户对电气设备节能要求不断提高，加 上近年来电力行业的快速发展，带动了国内用户对软起动器产品认识的提高。国 内厂商开始在软起动器市场的研发、生产和制造加大投入，推岀各类型6~10kV 的国产固态软起动系统，促进了整个软启动市场的开发和增长。单纯起动功能的 软起动器产品己经不能满足用户的需求，评选“设计师最喜爱的软起动器品牌” 活动正是希望从一线设计师的工作中总结软起动器未来发展的方向。 从国外软启动器的发展状况看，发达国家的电动机软起动产品主要是固 态软起动装置和兼作软起动的变频器。在生产工艺兼有调速要求时，则采用变频 装置;在没有调速要求的使用场合下，起动负载较轻时(例如风机、水泵)采用固态 软起动;在重载或负载功率特别大的时候，才用变频软起动。固态软起动装置是发 达国家软起动的主流产品，各知名厂家均有自己固态软起动的品牌，在其功能上 又各具特色。 而液态软起动产品，由于其种种缺点，在降压软起动领域的发展空间有 限。发达国家生产的液态软起动产品，一般用在中压绕线转子电动机软起动中。 进口的液态软起动产品，主要是60年代到90年代的产品，在发达国家有被淘汰的 趋势。 1.4本课题的意义及主要工作 屯机直接起动存在较大的冲击，消耗了大量电能。看似直接起动方式起动 简单，其实电机在直接起动时会产生很大的瞬间电流冲击，造成许多危害： 过人的热应力极易导致绕组损坏，造成绕组绝缘提前老化，从而降低电 动机的使用寿命 过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大 过大的起动电流还造成对电网的冲击,造成能源浪费，传统降压起动方 法无法从根本上解决这些问题。 因此研究交流电动机的软起动器控制系统，以此来克服上述电动机起动 时的缺点，是很有现实意义和经济效益的。 课题主要工作： 实现交流电机软起动数字控制系统模块设计。 采用51单片机，设计单片机及其接口电路、晶闸管主电路和驱动板。 应用Kc订编程软件，设计交流电机软起动器控制软件，对程序进行调 试。 第二章软启动的基本原理和特点 1软启动原理 软启动是指运用串接于电源与被控电机Z间的软启动器，控制其内部晶 闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋 予电机全电压的起动方法。软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和 多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，它的主要构成是串接于电源与被控电 机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，通过运用不同的方法，控制三相 反向并联晶闸管的导通角，使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化，就可 实现不同的功能。如图2.1所示。 图2. 1基本原理图 Figure 2. 1 basic principle diagram 目前使用的软启动器，基木上是以单片机作为中央控制器控制核心来完 成测量及各种控制算法，用程序软件自动控制整个起动过程。它通过单片机及相 应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的迟早来改变触发角的大小，从而改变晶闸管 的导通时间，最终改变加到电动机三相绕组的电压犬小。由于电动机转矩近似与 定子电压的平方成正比，电流又和定子电压成正比。这样，电动机的起动转矩和起 动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导 通相角來控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，电动机的起动转矩 和起动电流的最大值可根据负载而设定，以满足不同的负载起动要求。电动机起 动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零 开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动，并使电动机工作 在额定电压的机械特性上。 2.2软启动常用的几种启动方式 1 ?限流起动电动机起动时，软启动器输出电压从零迅速增加，直到输出电 流上升到设定的限流值lq,在输出电流不大于lq下，电压逐渐上升，电机加速，直 到起动完成。如图2. 2所示,Iq可调，le为电机额定电流。此方式的优点是起动 电流小，且可按需要调整，对电网影响小。缺点是在起动时难以知道起动压降，不 能充分利用压降空间;损失起动力矩，起动时间相对较长，对电动机不利。 图2. 2限流起动示意图 Figure 2. 2 current limiting start schemes 电压斜坡起动 指输出电压按预先设定的斜坡线性上升，即电压由小到 大斜坡线性上升，它是将传统的降压起动从有级变成了无级。主要用在重载起动, 它的缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且起动时间长 对电动机不利。如图2. 3所示。 图2.3电压斜坡起动示意图 Figure 2. 3 voltage ramp start schemes 突跳控制起动也是用在重载起动,不同的是在起动的瞬间用突跳转矩 克服电机静转矩，然后转矩平滑上升，缩短起动时间。但是,突跳会给电网发送尖 脉冲，干扰其它负荷,应用时要特别注意。如图2. 4所示。 图2. 4突跳控制起动不意图 Figure 2. 4 turkcstan jump control diagram starting 电压控制起动用在轻载起动的场合，在保证起动压降下发挥电动机的 最大起动转矩，尽可能的缩短了起动时间，是最优的轻载软启动方式。 2.3软启动常用的儿种停机方式 自由停车 传统的控制方式都是通过憐间停电完成的，即惯性停车（断 电自停）。 软停车 如图2. 5所示，在停车信号发出后，软启动器输出电压从额定 电压Ue迅速降到跌落电压Usd,再按所设定的时间降到起始电压Ui,软启动器停 止输岀。这种停车方式可以消除由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击，如皮 带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机，高层建筑的水泵系统也因自由停 车,而产牛巨大的“水锤”效应，使管道、水泵损坏。软停车功能正好能满足此要 求。晶闸管在收到软停机信号后，导通角渐减，经一定时间才过渡到全关， 即电动机端电压渐减至零，停车时间可按实际需要设定。 图2.5软停车示意图 Figure 2. 5 soft parking schemes 制动停车向电机输入直流电流,从而加快制动，制动时间可调，主要用 于惯性力矩大的负载或需快速停机的场合，在一定的场合代替了反接制动停车。 2. 4接触器旁路工作 软启动器有在线型和旁路型。在线型是指起动完毕，不需要触器旁路,一 直带电工作的工作方式，晶闸管长期在线运行功耗太大造成能源浪费、给电网带 来高次谐波污染等。旁路型是为了延长使用寿命,使电网避免谐波污染，减少软启 动器屮的晶闸管发热损耗，在电动机达到满速运行时用旁路接触器取代已完成起 动任务的软启动器。旁路型电路复杂化，系统可靠性降低。 2.5软启动的基本接线/P型软启动器基木接线基本接线不意图 Figure 2. 6 basic wiring diagram 全数字电子软启动器不仅能有效控制鼠笼式三相异步电动机起动电流, 减缓电流对电动机和电网的冲击,还能在起动和运行过程检测电流、电压参数, 对异常情况进行处理、显示及报警,实现对电动机的综合保护。三相鼠笼式异 步电动机以其结构简单、性价比高和工作特性好等诸多优点，在当今工业应用的 各个领域都有广泛的应用，但它有一明显缺点，就是起动电流过大一般起动电流 为额定电流的5~7倍甚至更大，这样不论是对电动机本身，还是对电网以及其他 电气设备，都会产生不利的影响。 电子软启动器的诞生，己经从很大程度上提 供了解决这个技术难题的有效手段，而且近年来随着电力电子技术以及智能控制 技术的不断发展，电子软启动器已经逐步取代了传统的起动方法,例如“丫-△”降 压起动、自耦变压器降压起动以及磁性调压起动等。所谓电子软启动器,就是使 用晶闸管调压技术，采用单片机控制的起动器，在用户规定的起动时间内白动地 将起动电压连续平滑地上升，直到达到额定电压，从而达到有效控制起动电流的 目的。 2. 6电机软启动方式的选择 作为应用最广泛的鼠笼型异步电动机,它采用降压起动的条件:一是电动 机起动时，机械不能承受全压起动的冲击转矩;二是电动机起动时,其端电压不能 满足规范要求;三是电动机起动吋,影响其他负荷的正常运行。 对于降压起动目前有两种方式，一种是降压起动，一种是软启动。他经过 了三个发展阶段,一是“ Y-A”起动器和自藕降压起动器，二是磁控式软启动器, 三是目前最先进最流行的电子软启动器。电子软启动器一般都是采用16位单片 机进行智能化控制，他既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动，乂能 降低对电网的冲击，同吋，还能实现直接计算机通讯控制，为自动化智1能控制打下 良好的基础。 它们的造价比较是：“ Y-A”起动器须六根出线而且故障率太高，维修费 也高已不常采用，自藕方式每个千瓦80元左右，磁控的每千瓦150元左右，自藕和 磁控的体积较大且故障率较高，维修费较高，电子软启动器每个千瓦在100元到 200元之间，一般情况下，一台开关柜能放多台电子软启动器，节省工程造价，且 故障率较低,维修费也低。所以，电子软启动器应是我们首选的目标。 2.7与传统启动的比较 笼型电机传统的减压起动方式有Y-A起动、自耦减压起动、电抗器起 动等。这些起动方式都属于有级减压起动,存在明显缺点，即起动过程中出现二次 冲击电流。由于传统的减压起动方式技术落后，国家已明令淘汰。 软启动与传统减压起动方式的不同之处是： 无冲击电流。软启动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角， 使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳 起动，减少对负载机械的冲击转矩,延长机器使用寿命。 有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊 病，减轻对重载机械的冲击。 起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无 级调整至最佳的起动电流。 2.8单片机的简单介绍 单片机是一-种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数 据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种1/0 口和 中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模 拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计 算机系统。 2?& 1单片机的介绍 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在 工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理 念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易 集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当屮。INTEL的Z80是最早按照这种 思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬锻。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是TNTEL的8031,因为 简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了 MCS51系列单 片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领 域要求的提高，开始出现了 16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的 应用。90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位 单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞 速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前,高端的32位单片机主频已经 超过300MHz,性能直追90年代屮期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1美元,最高端［1］的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环 境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。 而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应 用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的儿乎每件 电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩 具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有 为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制管理系统 上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他 计算的总和,甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一 个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片 机只缺少了 I/O设备。概括的讲:一-块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质 量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机 是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU,内存，并行总线，还有 和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑 弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不 是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的 家电里面都可以看到它的身影!它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制，需要的是有较强 的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区 别。 图2. 7单片机芯片 Figure 2. 7 single-chip microcomputer chip 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能, 尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些 则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的 74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB板!但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天 壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠 性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇 编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要 用呢?很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单， 就是单片机没有家用计算机那样的CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。一 个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸! 对于家用PC的硬盘來讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在 硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一 样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家 用PC的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现 已进入的电脑时代。不过，这种电脑,通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、 键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就 是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）o顾名思义，这种计算机的最小 系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在 被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病， 整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时 工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起 到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词?？ “智能型”，如智能型洗 衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞岀来的某些产品，不 是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用 单片机或其它可编程逻辑器件上。 8. 2单片机的硬件特性 1、 单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM(8031无)、128 B 容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。 2、 系统结构简单，使用方便,实现模块化； 3、 单片机可靠性高，可工作到10飞~1(T7小时无故障； 4、 处理功能强，速度快。 9单片机的选择 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM?Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能 CM0S8 位微处 理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业 标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器 组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系 统提供了一种灵活性高口价廉的方案。所以我们选择AT89C51单片机。 AT89C51的主要特征： 与MCS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作:0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32可编程I/O线个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 AT89C51管脚说明： VCC:供电电压。 GND:接地。 P0 口：P0 口为一个8位漏级开路双向1/0 口，每脚可吸收8TTL 1电流。 当P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存 储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASII编程时,P0 口作为原码输入 口，当FIASH进行校验时,P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向1/0 口，P1 口缓冲器 能接收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程 和校验时,P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接 收，输出4个TTL门电流，当P2 口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内 部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存 取时,P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势，当对 外部八位地址数据存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口 ：P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4 个TTL I J电流。当P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作 为输入，由于外部下拉为低电平,P3 口将输出电流(11±)这是由于上拉的缘故。 第三章软启动控制系统硬件设计 1电机软启动系统原理方框图 基于单片机的电机软启动系统原理方框图如图3. 1所示。本系统以89C51 单片机为核心组成品闸管触发控制系统，该系统能实现复杂的控制算法，从而 完成复杂的控制任务。该晶闸管装置采用反并联方式。该装置可在异步电动机启 动和停止过程屮将继电器断开，并通过晶闸管三相交流调压装置对电机进行控 制，而在电机正常运行过程中将继电器接通，并把三相交流电直接加到电动机 上。这样，既能保证电动机的软启动与软停止，又能在电动机正常运行吋用继电 器短接晶闸管装置，从而去除晶闸管装置的附加能耗，提高系统的可靠性。单片 机控制系统实现的功能主要是读取启动停止信号，通过输入的同步信号并按照 一定的规律产生晶闸管触发控制信号和继电器的控制信号，同时进行状态和故 障显示。单片机产生的触发脉冲经光耦隔离后，可用于触发主电路的晶闸管。单 片机则可根据检测得到的输入信号，来对电机进行继电保护。 图3. 1屯机软启动系统原理方框图 Figure 3. 1 motor soft start-up systcm principle charts 2硬件设计 该系统的硕件部分主要包括单片机AT89S51和Altera公司的CPLD器件 RPM7128 SLC84715为核心器件,辅以外围电路。其中单片机主要实现监控和算法 生成并完成数据处理工作,CPLD负责软起动器触发脉冲及单片机逻辑扩展。 3.2.1单片机的选型 本系统屮单片机主要用來作数据处理及读取按键信号和故障信号显示的 功能,所以我们只要考虑它的运算速度、存储容量以及I/O 口的数量即可。考虑 到这些因素，我们采用了 ATMEL公司的产品AT89S51芯片作为控制系统的核心控 制部件。AT89S51兼容标准MCS. 51指令系统及89C51引脚结构，芯片内集成了通 用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,体积小，功能全,适合于机电一体化的 智能控制。物美价廉而功能强大的AT89S51为许多嵌入式控制应用系统提供高性 价比的解决方案。AT89S51单片机是一种低功耗、高性能的8位微控制器，其主 要部分包括：内部包含有1个8位CPU、振荡器和吋钟电路、4K字节的Flash片 内程序存储器、128字节的随机存取数据存储器RAM, 2个外部双向输入，输岀I/O 口，5个中断优先级和2层中断嵌套中断,2个16位J编程定时器/计数器,2个全 双上串行通信口，看门狗WDT电路。此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为OIIz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串 行口，外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片 其它功能自至外中断激活或硬件复位。AT89S51封装及主要引脚功能说明：P0 口：P0 口是一组8位漏极开路型双向加口，即地址，数据线TL门电流。对端口 P0写“1 “时，可作为高阻抗输入端用。P0能够用于外部程 序数据存储器，它可以被定义为数据/上电址的低8位。P1 口：P1是一个带内部上 拉电阻的8位双向I/O 口，P1 口输出缓冲级可驱动4个11〕逻辑电路。对端口 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。P1 口被外部 下拉为低电平时，将输出电流。在FLASH编程和校验吋,P1 口作为低8位地址接 受。P2 口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2的输岀缓冲级可驱 动4个rrL逻辑电路。对端口 P2写？1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平, 此时可作输入口。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器,P2 口 送出高8位地址数据。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8位双I/O 口。P3 口输岀缓冲级可驱动4个1］限逻辑门屯路。对P3 口写入“1”吋,它们被内部上 拉电阻拉高并可作为输入端口。P3 口也可作为AT89S51的一些特殊功能口。 ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE地址锁存允许输出脉冲 用于锁存地址的低8位字节。再FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。一 般情况下,ALE端以不变的频率周期输出固定的脉冲信号，此频率为其频率的 l/6o因此它可用作对外输出时钟或用于定时口的。要注意的是:每当访问外部数 据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可再SFR8EH地址上置0。 此时,ALE只有在执行MOVX, MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，值位无效。 图3.2 AT89C51单片机引脚图 Figure 3. 2 AT89C51 pins figure 3.2.2单片机的连接电路图单片机的连接屯路图如图3. 3所示。 图3.3单片机的电路连接图 Figure 3.3 MCU circuit connection diagram 3.2.3可编程逻辑器件的选型 目前,CPLD/FPGA是两种常用的可编程逻辑器件，两者在价格、性能、逻 辑规模和封装等方面各有千秋，不同的开发项目，必须作出最佳的选择。在应用开 发中一般应考虑以下几个问题”： 1?器件的逻辑资源肇的选择； 2 ?芯片速度的选择； 3.器件功耗的选择。 CPLD和FPGA在灵活的用户可编程特性、快速的设计和诊断能力上极其 相似，因此常相提并论。但实际上,二者的逻辑结构和互连结构却存在本质的区别, 这导致它们在速度与性能、擅长的设计领域、设计方法、设计周期、功耗，编程 工艺等方面拥有各自的特点。CPLD的逻辑结构属于逻辑丰富型粗粒结构;FPGA 则属于寄存器丰富型细粒结构；CPLD集总式的互连结构使其具有延时可预测性， 同吋限制了其规模；FPGA分布式的互连结构使其延I］寸与逻辑布局有关可预测性 较差;在编程工艺方面CPLD编程工艺类型有EPROM型、E2PROM型和Flash型，可 以反复编程，但一经编程，片内逻辑就被固定，除非擦除重写,具有可靠性高，可以 加密的优点，同时也具有占用面积大,功耗大，相同集成规模芯片屮触发器数冃较 少，编程信息在使用时不能变化等缺点;FPGA编程工艺类型有SRAM型和反熔丝型, 对于SRAM型来说，掉电后信息不能保存,必须与存储器联用来存放编程数据，具 有通过更换存储器来实现不同逻辑和触发器数目多，功耗低等优点以及每次上电 时必须先对芯片进行配置才可以使用的缺点。而反熔丝型则只允许一次编程，具 有成本低，性能稳定可靠的优点和不能反复编程的缺点。当然，新一代CPLD和 FPGA芯片在制造工艺上相互取长补短,二者之问的界限也不是绝对的了。 在速度方面,FPGA的细粒结构决定其单元速度要远远高于粗粒结构的 CPLD,但对于多级逻辑来说，随着设计密度的增加,FPGA互连结构将使其路由延 迟也快速增加，而CPLD的粗粒结构和路由方式所带来的互连速度能很好适应这 类设计:在擅长领域方CPLD是粗粒结构，扇入扇出都比较大，片内逻辑门丰富, 而R时延具有可预测性,这些特点使其正适合于输入密集、逻辑复杂的控制密集 型系统,FPGA的逻辑块扇入扇出都很小，片内寄存器丰富，逻辑块的单元速度也 相当高，适合于逻辑级数少的数据密集型系统。 在设计周期上,CPLD的互连路由结构使得布放设计任务容易进行，软件 编译比FPGA快,延时可预测，而对FPGA,除了逻辑设计外，述耍进行延时设计，而 逻辑布局和延时又是相互关联的。这样，往往需要经过多次试验才可以得出最佳 解决方案，因此，一般而言,CPLD的设计周期比FPGA短。 并且由于CPLD在中小规模范围内价格比较便直，能奇接用于系统，上市 3T速度快，市场风险小;开发CPLD的EDA软件比较容易得到;CPLD的结构大多为 E2PR0M或Flash ROM形式，编程后即可屈定下载的逻辑功能，使用方便，电路简单; 目前常用的CPLD多为在系统可编程的硬件器件,编程方式极为便捷;CPLD中有专 门的布线区和许多块，无论实现什么样的逻辑功能，或采用怎样的布线方式，引脚 至引脚间的信号延时儿乎是固定的，与逻辑设计无关,这使得设计调试比较简单, 逻辑设计中的毛刺现象比较容易处理,廉价得CPLD就能获得比较高速的性能。而 对于大规模的逻辑设计、ASIC设计或单片机系统模块设计，则多釆用FPGA。由于在木 系统设计中，可编程逻辑器件主要完成数据接收锁存、计数器、计数比较输出等 逻辑功能，对时序要求比较高，通过比较它们各自的优势，认为选择CPLD器件更加

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