CN105490588A - 一种基于xe164fn的他励直流电机软启动器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器，满足了直流电机在不同环境下有较好的可靠性、耐用性、耐久性的需要；其软启动电路主要由控制电路、驱动电路以及PWM斩波电路组成；控制电路的核心为XE164FN单片机，PWM电路的核心部件为IGBT，由单片机根据程序指令产生触发脉冲，经驱动电路控制IGBT的通断，从而控制电枢回路电压，使电枢电压平均值逐渐升高，最后达到额定电压，达到软启动的目的。

Description

一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器

技术领域

本发明涉及的是一种电机启动控制器，特别是涉及一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器。

背景技术

电机运行过程中，电机的启动对于设备的使用寿命影响较大。因此，能否解决好电机的启动问题，对于电机的运行有着非常重要的意义。直流电机在启动时如果直接加上额定电压，会产生接近十倍于额定电流的冲击电流。这种过大的启动电流会引起电源电压突然降低，影响接在同一电源上的负载的正常安全运行，同时电机绕组会由于过热而损坏或使过流保护装置动作，切断电源，不能启动。直流电机产生的启动转矩会对电动机及所拖动的设备造成电器和机械损伤，造成机械传动部件的非正常磨损，加速设备老化，缩短设备的使用寿命。由于直流电机工作在各种不同的场合，并且工作环境差，性能要求高，因此，对于较大功率的直流电机，不可直接启动，必须安装软启动器装置。

所谓软启动，就是控制电机电枢电压，使其电压由一个合适的大小逐渐升至额定电压，从而减小电机的启动电流，使其可控并且可根据需要调节大小。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。

发明内容

本发明的目的是为实现直流电机的软启动，满足直流电机在不同环境下有较好的可靠性、耐用性、耐久性的需要，提供一款软启动器，使直流电机能够平滑无冲击启动，并实现多重保护功能。

本发明的目的是这样实现的：

本系统主要包括硬件和软件两大部分，硬件电路即主控电路，包括主电路和控制电路，主电路以IGBT为核心，设计PWM直流斩波电路，是实现系统功能必不可少的一部分，IGBT为主开关元件，其栅极接收PWM脉冲信号，会使IGBT间歇性开通与关断，改变PWM信号的占空比，从而控制加在直流电机电枢绕组两端电压的平均值，最终达到控制电机软启动的目的；控制电路以单片机为控制核心，由单片机的一个端口输出PWM信号，经驱动电路驱动IGBT，同时电枢电流经霍尔电流传感器检测反馈回单片机，实时监测电流大小，当电流大小超过理论计算的最大值时，单片机会发出信号，断开直流电机两端电压，保护电机及电源，控制电路还包括显示电路、稳压电路等主要功能模块，显示电路显示调速状态时的电压占空比以及软启动时间，稳压电路为系统提供稳定的5V电源；系统硬件电路是系统设计最重要的部分之一，稳定可靠的硬件电路是系统实现设计要求的重要保障。

软件部分最重要的是算法，算法的精简性和合理性决定了系统能够快速稳定的完成设计要求，本系统采用斜坡电压启动方式，该方式适合用于重载下的电机软启动，电机电枢电压以一定的斜率上升至额定电压，其中斜率的大小和初始占空比的设定及软启动时间的设定有关，其公式为：

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本发明的优点是：

（1）冲击电流和冲击转矩小，通过逐渐增大IGBT的占空比。

（2）安全性高，可以进行远程控制大功率电机，保障工作人员人身安全。

（3）可靠性高，设有保护功能，对设备进行了模块化设计，易于发现故障并维护。

附图说明

图1为软启动器硬件框图；

图2为系统主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施例1

结合图1，图1为软启动器硬件框图。本系统主要包括硬件和软件两大部分，硬件电路即主控电路，包括主电路和控制电路，所述的主电路以IGBT为核心，PWM直流斩波电路，IGBT为主开关元件，其栅极接收PWM脉冲信号，使IGBT间歇性开通与关断，改变PWM信号的占空比，控制加在直流电机电枢绕组两端电压的平均值，控制电机软启动，所述的控制电路包括显示电路、稳压电路。

所述的控制电路以单片机为控制核心，由单片机的一个端口输出PWM信号，经驱动电路驱动IGBT，同时电枢电流经霍尔电流传感器检测反馈回单片机，实时监测电流大小，当电流大小超过理论计算的最大值时，单片机会发出信号，断开直流电机两端电压。

所述的显示电路显示调速状态时的电压占空比以及软启动时间。

所述的稳压电路为系统提供5V电源。

本系统采用斜坡电压启动方式，电机电枢电压以一定的斜率上升至额定电压，其中斜率的大小和初始占空比的设定及软启动时间的设定有关，其公式为：。

控制电路是基于单片机技术及软件编程有关知识，对该系统进行指令控制以及实施各种保护功能，主电路是对主开关元件IGBT的应用，设计了具有继电器的PWM电路，是实现电机软启动的重要组成部分，其中继电器是保护电机和电源不可或缺的一部分。

本系统的控制过程是通过单片机产生的PWM脉冲信号，控制IGBT的通断以改变电枢电压平均值的大小，达到降低电机启动电流的目的。其中PWM脉冲信号的初始占空比可调，以保证电机的启动转矩大于负载转矩，电机启动时间可以自主设定，在运行过程中IGBT的占空比逐渐增大至1，然后电机软启动完成，继电器做出相应动作使电机保持在额定电压下工作。

英飞凌单片机XE164FN：系统控制单元，执行程序指令，产生PWM脉冲信号，分析系统反馈的各项数据，并发出相应指令信号。

系统主要模块介绍如下：

驱动电路：采用EXB841作为驱动芯片驱动IGBT，该款芯片具有单电源、正负偏压、故障保护等主要功能。

显示电路：显示驱动IGBT信号的占空比和软启动时间这两项主要参数，为软启动参数的设置提供清晰地数据显示。

电流检测电路：检测电枢电流并反馈给控制芯片XE164FN，对于超出设定值的反馈信号给与及时处理，断开继电器，保护电源和电机。

PWM电路：该部分电路以IGBT为核心，设计了PWM斩波电路，用来控制电机电枢电压。

稳压电路：本部分以稳压元件LM2576为核心，为整个系统提供稳定的5V电源。

其他硬件电路：本系统中使用了四个继电器，两个5V继电器，两个24V施耐德继电器，其中，两个24V继电器在主电路中使用，另外两个控制主电路中继电器的通断，在理论上实现了人与大功率电机的远程控制，保障了工作人员的安全。其次，本系统还使用电位器进行无级调速的设计和轻触按键进行电机运行状态选择的控制设计，电路设计较为简单，主要是进行了程序的编写与调试。

实施例2

结合图2，图2为系统主程序流程图。统开始运行，首先进行系统初始化，初始化包括显示模块、AD模块、定时器以及PCA（PWM脉冲产生模块）的初始化。系统初始化完毕后，必须要对电枢电流进行检测，不能允许超过额定电流1.5倍的电枢电流在电机中产生。电流检测之后，若有故障，则进行故障处理直至消除故障，然后对系统参数进行设置并运行，而后开启中断后，再进行电流检测，并在产生故障时消除故障，最后占空比达到1，启动结束。

Claims (5)

1.一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器，其特征在于：本系统主要包括硬件和软件两大部分，硬件电路即主控电路，包括主电路和控制电路，所述的主电路以IGBT为核心，PWM直流斩波电路，IGBT为主开关元件，其栅极接收PWM脉冲信号，使IGBT间歇性开通与关断，改变PWM信号的占空比，控制加在直流电机电枢绕组两端电压的平均值，控制电机软启动，所述的控制电路包括显示电路、稳压电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器，其特征在于：所述的控制电路以单片机为控制核心，由单片机的一个端口输出PWM信号，经驱动电路驱动IGBT，同时电枢电流经霍尔电流传感器检测反馈回单片机，实时监测电流大小，当电流大小超过理论计算的最大值时，单片机会发出信号，断开直流电机两端电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器，其特征在于：所述的显示电路显示调速状态时的电压占空比以及软启动时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器，其特征在于：所述的稳压电路为系统提供5V电源。

5.根据权利要求1所述的一种基于XE164FN的他励直流电机软启动器，其特征在于：本系统采用斜坡电压启动方式，电机电枢电压以一定的斜率上升至额定电压，其中斜率的大小和初始占空比的设定及软启动时间的设定有关，其公式为：。