CN105186935A - 一种异步电动机软起动器的数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异步电动机软起动器的数字控制系统包括：同步信号检测电路，设于三相电源上；晶闸管控制模块，分别连接三相电源和电动机；接触器，分别连接三相电源和电动机；电动机信号检测模块，连接电动机；CPLD触发脉冲生成电路，分别连接同步信号检测电路和晶闸管控制模块；DSP主控电路，分别连接CPLD触发脉冲生成电路、接触器和电动机信号检测模块。与现有技术相比，本发明将DSP和CPLD相结合，提高系统运行效率和控制精度，提高系统稳定性、抗干扰能力和保密性，具有较强的通用性和可操作性。

Description

一种异步电动机软起动器的数字控制系统

技术领域

本发明涉及一种异步电动机软起动器，尤其是涉及一种异步电动机软起动器的数字控制系统。

背景技术

随着电机电压和容量的增加，直接起动引起的大电流对电机和电网造成冲击也越来越大，严重影响电机使用寿命，并给电网带来较大危害。晶闸管软起动技术应运而生，并取得长足发展。通过晶闸管相控调压技术，可实现电动机电压平滑上升，从而减小起动过程中电流冲击，实现电机软起动。电机软起动过程，控制系统需要实时准确计算触发脉冲的相控角和脉冲宽度，并输出稳定的触发脉冲，才能保证晶闸管相控调压的可靠性。现有的异步电动机软起动器存在以下缺陷：

1)利用主控芯片软件生成触发脉冲，需占用多个捕获中断和定时器中断，频繁进出中断，降低系统稳定性，影响主程序算法的运行。

2)市场上不少软起动器为8段数码管显示，当需要设置较多参数时，操作繁琐，容易出错，也不利于读取系统运行状态信息。中低压异步电机软起动器常采用光耦或脉冲变压器作为晶闸管驱动，高压软起动器则需要采用光电隔离的光纤触发方式，光耦驱动需要宽触发脉冲，脉冲变压器驱动则需要高频脉冲列作为触发脉冲，以防止变压器饱和，光纤触发可使用双窄脉冲触发脉冲，以降低对驱动电路的功率要求。

3)传统控制系统设计方案，需要根据的驱动方式，来设计不同的硬件电路和软件，通用性差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种异步电动机软起动器的数字控制系统，将DSP和CPLD相结合，提高系统运行效率和控制精度，提高系统稳定性、抗干扰能力和保密性，具有较强的通用性和可操作性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种异步电动机软起动器的数字控制系统包括：

同步信号检测电路，设于三相电源上，采集三相电源的电压电流；

晶闸管控制模块，分别连接三相电源和电动机，根据晶闸管触发脉冲对电动机软起动；

接触器，分别连接三相电源和电动机，接触器闭合时，结束软起动；

电动机信号检测模块，连接电动机，采集电动机的电压电流并进行信号调理；

CPLD触发脉冲生成电路，分别连接同步信号检测电路和晶闸管控制模块；

DSP主控电路，分别连接CPLD触发脉冲生成电路、接触器和电动机信号检测模块；

DSP主控电路根据输入的控制参数和电动机的电压电流生成触发脉冲信息，CPLD触发脉冲生成电路接收触发脉冲信息和三相电源的电压电流并生成晶闸管触发脉冲，软起动完成后，DSP主控电路输出接触器控制信号，使得接触器闭合。

还包括按键输入与液晶显示电路，所述按键输入与液晶显示电路连接DSP主控电路，按键输入与液晶显示电路向DSP主控电路输入控制参数，并接收DSP主控电路反馈信息实时显示系统运行状态。

还包括上位机，所述上位机连接DSP主控电路，上位机向DSP主控电路输入控制参数，并接收DSP主控电路反馈信息实时显示系统运行状态。

所述上位机设有：

参数设置界面，用于进行串口设置、软起动器基本参数设置、斜坡电压软起动参数设置和限流软起动设置，并对设置参数进行保存；

运行状态显示界面，用于显示系统运行状态和故障类型，并提供操作按钮；

实时波形显示界面，用于实时显示软起动过程中三相电源的电压电流波形和电动机的转速转矩波形。

还包括保护电路，所述保护电路分别连接DSP主控电路和晶闸管控制模块，保护电路根据DSP主控电路给定的保护信号对晶闸管控制模块进行保护动作。

所述晶闸管控制模块包括三相反并联晶闸管组和晶闸管驱动电路，三相反并联晶闸管组分别连接三相电源、电动机和晶闸管驱动电路，晶闸管驱动电路连接CPLD触发脉冲生成电路。

所述电动机信号检测模块包括电压电流转速传感器和信号调理电路，电压电流转速传感器分别连接电动机和信号调理电路，信号调理电路连接DSP主控电路。

所述DSP主控电路采用型号为TMS320F2812的DSP芯片。

所述CPLD触发脉冲生成电路采用型号为EPM570T100C5的集成电路。

系统上电后，可通过按键输入与液晶显示电路设置软起动系统控制参数，也可通过上位机程序设置控制参数。

配置完参数，系统进入故障自检程序，若发生故障(如错相等)，按键输入与液晶显示电路和上位机均显示故障类型。保护电路进行保护动作。若无故障，单击启动按钮，电机进入软起动程序。

系统正常运行时，若发生非故障中断(如更新触发脉冲信息中断等)，DSP主控电路运用相应程序和接口，检测出电机电压电流及电机转速，计算出此时晶闸管触发脉冲信息(相控角、脉冲宽度等)，并传送给CPLD触发脉冲生成电路，CPLD触发脉冲生成电路生成相对应的触发脉冲，再经晶闸管驱动电路驱动三相反并联晶闸管组，利用相控调压技术，实现三相异步电动机的软起动。按键输入与液晶显示电路和上位机可显示系统运行状态和数据。

若发生故障中断(过压、过流等)，则进入故障处理程序，按键输入与液晶显示电路和上位机显示故障类型，保护电路进行相应的保护动作。

软起动完成后，DSP主控电路控制接触器闭合，将三相反并联晶闸管组短接，完成起动全过程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)将高性能处理器DSP(TMS320F2812)为主控芯片和CPLD(EPM570T100C5)相结合，充分发挥DSP高速高精度的优势和CPLD可定制性的优势，提高系统运行效率和控制精度。DSP与CPLD采用串行数据接口，节约IO资源。

2)选用高性能处理器DSP(TMS320F2812)为主控芯片外设丰富、运算准确，实时性高。运用内部ADC能精确检测电压电流转速等信息，方便实现复杂主程序算法，能快速计算出触发脉冲的相控角和脉宽。

3)基于CPLD平台设计触发脉冲生成电路，减轻主控芯片DSP负担，避免了DSP频繁进中断，使得主控芯片专注于主程序算法，加强系统模块化设计，提高系统稳定性，抗干扰能力和保密性。

4)基于CPLD平台设计触发脉冲生成电路，可通过DSP给定选择信号，控制CPLD输出宽脉冲、双窄脉冲、高频脉冲列等三种不同的触发脉冲。使得系统适用于光耦驱动电路(宽脉冲触发)、光纤驱动(双窄脉冲触发)和脉冲变压器驱动电路(高频脉冲列触发)等各型常用晶闸管驱动电路，具有较强的通用性。

5)上位机上设计了基于VB的监控软件，为系统提供友好的人机交互界面，便于监测软起动器运行状态，提高系统可操作性。

6)DSP和CPLD的可编程硬件平台的运用，减小系统设计周期，提高可移植性。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明中DSP主控电路的主程序流程图；

图3为本发明中CPLD触发脉冲生成电路的串行输入接口图；

图4为本发明中CPLD触发脉冲生成电路的顶层原理图；

图5为本发明中上位机的参数设置界面示意图；

图6为本发明中上位机的运行状态显示界面示意图；

图7为本发明中上位机的实时波形显示界面示意图。

图中，1、DSP主控电路，2、CPLD触发脉冲生成电路，3、同步信号检测电路，4、晶闸管驱动电路，5、三相反并联晶闸管组，6、接触器，7、电压电流转速传感器，8、保护电路，9、信号调理电路，10、按键输入与液晶显示电路，11、上位机，12、三相电源，M、电动机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种异步电动机软起动器的数字控制系统包括：

同步信号检测电路3，设于三相电源12上，采集三相电源12的电压电流；

三相反并联晶闸管组5，分别连接三相电源12和电动机M，对电动机M软起动；

晶闸管驱动电路4，连接三相反并联晶闸管组5，根据晶闸管触发脉冲驱动三相反并联晶闸管组5的开关，晶闸管驱动电路4和三相反并联晶闸管组5构成晶闸管控制模块；

接触器6，分别连接三相电源12和电动机M，接触器6闭合时，结束软起动；

电压电流转速传感器7，连接电动机M，采集电动机M的电压电流；

信号调理电路9，连接电压电流转速传感器7，对电动机M的电压电流进行信号调理，电压电流转速传感器7和信号调理电路9构成电动机信号检测模块；

CPLD触发脉冲生成电路2，分别连接同步信号检测电路3和晶闸管驱动电路4；

DSP主控电路1，分别连接CPLD触发脉冲生成电路2、接触器6和信号调理电路9，DSP主控电路1根据输入的控制参数和电动机M的电压电流生成触发脉冲信息，CPLD触发脉冲生成电路2接收触发脉冲信息和三相电源12的电压电流并生成晶闸管触发脉冲，软起动完成后，DSP主控电路1输出接触器控制信号，使得接触器6闭合；

按键输入与液晶显示电路10，连接DSP主控电路1，按键输入与液晶显示电路10向DSP主控电路1输入控制参数，并接收DSP主控电路1反馈信息实时显示系统运行状态；

上位机11，连接DSP主控电路1，上位机11向DSP主控电路1输入控制参数，并接收DSP主控电路1反馈信息实时显示系统运行状态；

保护电路8，分别连接DSP主控电路1和晶闸管驱动电路4，保护电路8根据DSP主控电路1给定的保护信号进行保护动作。

其中，上位机11设计了基于VB的监控界面，包括：

参数设置界面，用于进行串口设置、软起动器基本参数设置、斜坡电压软起动参数设置和限流软起动设置，并对设置参数进行保存；

运行状态显示界面，用于显示系统运行状态和故障类型，并提供操作按钮；

实时波形显示界面，用于实时显示软起动过程中三相电源12的电压电流波形和电动机M的转速转矩波形。

DSP主控电路1采用型号为TMS320F2812的DSP芯片。

CPLD触发脉冲生成电路2采用型号为EPM570T100C5的集成电路。如图3所示CPLD触发脉冲生成电路2的串行输入接口，Alpha_Rclk、Width_Rclk、Sclk、Data_In为串行输入控制端口，Alpha[15..0]为触发脉冲相控角数据总线，Width[15..0]为触发脉冲宽度数据总线。如图4所示CPLD触发脉冲生成电路2的顶层原理图，Single_Phase表示单相，PulseSynthesizer表示脉冲合成器，Clk为模块主时钟，A_Signal_In、B_Signal_In、C_Signal_In分别为A、B、C三相同步信号输入端，A_Out、B_Out、C_Out分别为A、B、C三相触发脉冲输出端。Set[1..0]为触发脉冲类型选择端，Set[1..0]＝00时不输出脉冲，Set[1..0]＝01时输出宽触发脉冲，Set[1..0]＝10时输出双窄触发脉冲，Set[1..0]＝11时输出高频触发脉冲。

根据选定后的芯片信号，设计各模块硬件电路。将同步信号检测电路3的三相同步信号输出端依次连接到CPLD触发脉冲生成电路2的A_Signal_In、B_Signal_In、C_Signal_In端口。将CPLD触发脉冲生成电路2的A_Out、B_Out、C_Out连接到晶闸管驱动电路4。晶闸管驱动电路4的输出信号连接到三相反并联晶闸管组5的晶闸管门极。DSP主控电路1与CPLD触发脉冲生成电路2通过串行输入接口Alpha_Rclk、Width_Rclk、Sclk、Data_In和触发脉冲类型选择端Set[1..0]连接。DSP主控电路1的接触器控制信号连接到接触器6。DSP主控电路1的保护信号连接到保护电路8。DSP主控电路1的键盘与液晶控制端口连接到按键输入与液晶显示电路10。DSP主控电路1的串口通过RS485接口连接到上位机11。电压电流转速传感器7经信号调理电路9连接到DSP主控电路1的ADC端口。三相电源12经三相同步变压器连接到同步信号检测电路3。三相电源12经接触器6连接到三相异步电动机M。

如图5所示为上位机11参数设置界面，包括串口设置、软起动器基本参数设置、斜坡电压软起动参数设置和限流软起动设置等，并包含保存参数功能。

如图6为上位机11运行状态显示界面，可显示系统状态、故障类型，并提供操作按钮。

如图7为上位机11实时波形显示界面，可实时显示电机软起动过程中三相电压波形、三相电流波形，电机转速波形和电机转矩波形。根据以上既定功能设计DSP软件、CPLD硬件程序和上位机软件，并将程序下载到相应的芯片中。

如图2所示为DSP主控电路1的主程序流程图。系统上电后，若正常工作，首先可通过按键输入与液晶显示电路10设置软起动系统控制参数(如起动方式、PID参数等)。若使用上位机11的监控软件，则首先在上位机11的参数设置界面进行串口配置，测试串口成功后，打开串口。对软起动器基本参数、斜坡电压软起动参数和限流软起动参数设置完成后，单击各个参数的保存参数按钮，即可将参数配置到DSP主控电路1中。配置完参数，系统进入故障自检程序，若发生故障(如错相等)，按键输入与液晶显示电路10中的液晶显示器和上位机11的监控软件中的运行状态显示界面显示故障类型。保护电路8根据DSP主控电路1给定的保护信号进行保护动作。若无故障，则可按下按键输入与液晶显示电路10中的启动按键或上位机11的监控软件中的运行状态显示界面的启动按钮，电机进入软起动程序，程序开始等待中断。

若发生非故障中断(更新触发脉冲信息中断)，电压电流转速传感器7的实时信号经过信号调理电路9后，送入DSP主控电路1的ADC接口，检测出三相电压电流及电机转速，软起动算法根据先前设定的系统控制参数，计算出此时晶闸管触发脉冲信息(相控角、脉冲宽度等)，通过串行输入接口Alpha_Rclk、Width_Rclk、Sclk、Data_In传输给CPLD触发脉冲生成电路2。DSP主控电路1通过控制触发脉冲类型选择端Set[1..0]选择CPLD触发脉冲生成电路2的触发脉冲输出类型。CPLD触发脉冲生成电路2根据同步信号检测电路3传送的同步信号和DSP主控电路1传送的触发脉冲信息，生成晶闸管触发脉冲，经晶闸管驱动电路4驱动主电路中的三相反并联晶闸管组5，利用相控调压技术，实现三相异步电动机M的斜坡电压软起动、限流软起动等。在软起动过程中，按键输入与液晶显示电路10中的液晶显示器和上位机11的监控软件运行状态显示界面，实时显示系统运行状态(三相电压值、三相电流值、系统运行时间等)。若出现紧急情况，可按下按键输入与液晶显示电路10中的急停按键或上位机11的运行状态显示界面急停按钮实现紧急停止。上位机11实时波形显示界面不断刷新三相电压波形、三相电流波形，电机转速波形和电机转矩波形。

若发生故障中断(过压、过流等)，则进入故障处理程序，按键输入与液晶显示电路10中的液晶显示器和上位机11中的运行状态显示界面显示故障类型。保护电路8根据DSP主控电路1给定的保护信号进行保护动作。

软起动完成后，DSP主控电路1输出接触器控制信号到接触器6，接触器6闭合，将晶闸管调压部分电路短接，完成软起动全过程。

Claims (9)

1.一种异步电动机软起动器的数字控制系统，包括：

同步信号检测电路(3)，设于三相电源(12)上，采集三相电源(12)的电压电流；

晶闸管控制模块，分别连接三相电源(12)和电动机(M)，根据晶闸管触发脉冲对电动机(M)软起动；

接触器(6)，分别连接三相电源(12)和电动机(M)，接触器(6)闭合时，结束软起动；

电动机信号检测模块，连接电动机(M)，采集电动机(M)的电压电流并进行信号调理；

其特征在于，还包括：

CPLD触发脉冲生成电路(2)，分别连接同步信号检测电路(3)和晶闸管控制模块；

DSP主控电路(1)，分别连接CPLD触发脉冲生成电路(2)、接触器(6)和电动机信号检测模块；

DSP主控电路(1)根据输入的控制参数和电动机(M)的电压电流生成触发脉冲信息，CPLD触发脉冲生成电路(2)接收触发脉冲信息和三相电源(12)的电压电流并生成晶闸管触发脉冲，软起动完成后，DSP主控电路(1)输出接触器控制信号，使得接触器(6)闭合。

2.根据权利要求1所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，还包括按键输入与液晶显示电路(10)，所述按键输入与液晶显示电路(10)连接DSP主控电路(1)，按键输入与液晶显示电路(10)向DSP主控电路(1)输入控制参数，并接收DSP主控电路(1)反馈信息实时显示系统运行状态。

3.根据权利要求1所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，还包括上位机(11)，所述上位机(11)连接DSP主控电路(1)，上位机(11)向DSP主控电路(1)输入控制参数，并接收DSP主控电路(1)反馈信息实时显示系统运行状态。

4.根据权利要求3所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，所述上位机(11)设有：

参数设置界面，用于进行串口设置、软起动器基本参数设置、斜坡电压软起动参数设置和限流软起动设置，并对设置参数进行保存；

运行状态显示界面，用于显示系统运行状态和故障类型，并提供操作按钮；

实时波形显示界面，用于实时显示软起动过程中三相电源(12)的电压电流波形和电动机(M)的转速转矩波形。

5.根据权利要求1所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，还包括保护电路(8)，所述保护电路(8)分别连接DSP主控电路(1)和晶闸管控制模块，保护电路(8)根据DSP主控电路(1)给定的保护信号对晶闸管控制模块进行保护动作。

6.根据权利要求1所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，所述晶闸管控制模块包括三相反并联晶闸管组(5)和晶闸管驱动电路(4)，三相反并联晶闸管组(5)分别连接三相电源(12)、电动机(M)和晶闸管驱动电路(4)，晶闸管驱动电路(4)连接CPLD触发脉冲生成电路(2)。

7.根据权利要求1所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，所述电动机信号检测模块包括电压电流转速传感器(7)和信号调理电路(9)，电压电流转速传感器(7)分别连接电动机(M)和信号调理电路(9)，信号调理电路(9)连接DSP主控电路(1)。

8.根据权利要求1所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，所述DSP主控电路(1)采用型号为TMS320F2812的DSP芯片。

9.根据权利要求1所述的一种异步电动机软起动器的数字控制系统，其特征在于，所述CPLD触发脉冲生成电路(2)采用型号为EPM570T100C5的集成电路。