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1、 . . . 理工大学毕业设计报告基于80C196KC单片机的胶带输送机软启动器的设计姓 名：学 号：0专业班级： 自动化院 系：电气工程与自动化学院指导老师： 杜庆楠 摘要近年来随着国民经济的发展，我国煤炭生产的机械化、自动化程度不断提高，长距离、大运量、大功率的胶带输送机的使用日益增多，特别是在煤矿等工业领域中得到广泛的应用。国的胶带输送机也应在向着长距离、高带速、大倾角、大功率的方向发展。大功率胶带输送机的软启动问题日益突出，已成为带式输送机发展的一个瓶颈。目前用了一些软启动技术，如：液力偶合器技术、液粘调速技术(CST)等，但都有各自的弊端。本文根据带式输送机的启动特点，结合16位单片
2、机Intel 80C196KC的高速处理能力，基于晶闸管相控调压理论，研究并设计了一款以单片机Intel 80C196KC为控制核心、以晶闸管作为主控器件的带式输送机智能软起动器。实现了带式输送机的软启动、软停车和多种保护功能。研究带式输送机软启动器的意义不仅在于保证平稳地起动、制动，而且还可降低带式输送机的成本，保证安全生产。关键词：胶带输送机; 软启动器; 晶闸管Intel 80C196KCAbstractIn recent years, along with the development of national economy, Mechanization and automation
3、 degree of Chinas coal production continuously improve. The use of long-distance and large-capacity belt conveyor is increasing fast. Especially it is widely used in the field of coal industry. Large distance, high speed, big angle and high power is the direction of domestic belt conveyor. So the so
4、ft start-up of high-power belt conveyor is a growing problem. It has become the bottleneck of the development of belt conveyor. At present, China has adopted some soft start-up technologies, such as: hydraulic coupling technology and CST. But all have their own shortcomings. According to the belt co
5、nveyors characteristics, combined with the high-speed processing capability of 16-bit SCM Intel 80C196KC and based on the theory of thyristor phased regulator，this article study and design an intelligent soft starter for the belt conveyor based on this microcomputer and the thyristor which is the ma
6、in circuit deviceAchieved the soft start-up, soft stop and various protection functions of belt conveyor. The significance of studying on the soft starter is not only to ensure smooth starting and braking, but also to reduce the cost of the belt conveyor and ensure safety production.Key Words：Belt C
7、onveyor，Thyristor，Soft Starter，Intel 80C196KC目录摘要IIAbstractIII目录IV1 绪论11.1 胶带输送机简介11.2 胶带输送机国外发展现状11.3 胶带输送机的软启动技术21.4 研究容与任务42 电动机软启动的原理与分析52.1 软启动器简介52.2 软启动器工作原理52.3 晶闸管调压原理62.4 软启动方式122.4.1 异步电机传统启动方法122.4.2 异步电动机软起动方式133 系统硬件设计163.1 胶带输送机软启动器系统电路结构163.2 系统主电路设计173.3 微处理器的选择与其基本外围电路193.4 同步脉冲信号检
8、测电路203.5 晶闸管触发脉冲驱动电路233.6 反馈采样电路253.6.1 电流采样电路253.6.2 电压采样电路263.6.3 转速采样电路263.7 保护系统电路的设计283.7.1 过压欠压保护283.7.2 过流保护283.7.3 过热检测保护293.7.4 胶带输送机胶带跑偏检测303.7.5 胶带输送机胶带打滑检测313.7.6 胶带输送机断带检测323.8 其它扩展接口电路设计333.8.1 存储扩展电路333.8.2 键盘电路343.8.3 显示电路363.8.4 故障指示灯和报警电路373.8.5 旁路接触器执行电路383.9 电源模块的设计394胶带输送机软启动控制系
9、统软件设计414.1 系统主程序流程图414.2 晶闸管同步触发程序434.3 电动机起动程序444.4 按键处理子程序464.5 液晶显示子程序474.6 故障检测处理子程序475 系统运行505.1 系统软启动前505.1.1 系统初始化505.1.2 系统命令输入505.2 系统启动过程515.2.1 电源同步和晶闸管触发过程515.2.2 系统检测保护过程525.2.3 软启动完成阶段535.3 软停机过程54参考文献55附录：系统电气原理图56致5757 / 631 绪论1.1 胶带输送机简介胶带输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。它可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料
10、点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。所以带式输送机广泛应用于现代化的各种工业企业中，在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场与选矿厂中，广泛应用带式输送机。胶带输送机适用于输送堆积密度小于1.67/吨/立方米，易于掏取的粉状、粒状、小块状的低磨琢性物料与袋装物料，如煤、碎石、砂、水泥、化肥、粮食等，被送物料温度小于60。其机长与装配形式可根据用户要求确定，传动可用电滚筒，也可用带驱动架的驱动装置。常用的胶带输送机可分为：普通帆
11、布芯胶带输送机、钢绳芯高强度胶带输机、全防爆下运胶带输送机、难燃型胶带输送机、双速双运胶带输送机、可逆移动式胶带输送机、耐寒胶带输送机等等。1.2 胶带输送机国外发展现状带式输送机经过两个世纪的发展，已成为煤炭、冶金、港口、化工、电力等领域广泛使用的连续运输设备，具有连续运输、运行阻力小、输送量大、耗电量低、运行平稳、较易自动控制等优点。带式输送机技术趋向于功能多元化、应用围扩大化、长运距、大运量、高带速的方向发展。对于带式输送机的技术来说，国外一直处于领先水平，主要体现在以下两个方面：一方面，在本身的技术和装备方面有了巨大的发展，如大运量、高运速、长距离等大型带式输送机已成为其主要的研究和发
12、展方向；另一方面，带式输送机的多元化、应用围的扩大化也取得了长足的发展，如大倾角带式输送机机、平面或空间转弯带式输送机、管状带式输送机等各种机型。另外，国外带式输送机采用了大量的最新技术，如：动态分析技术、可控启动技术、自动紧技术、多点驱动技术、机尾快速自移技术、电控与监测自动化技术等。这些新技术的采用使带式输送机的设计、运行效率、可靠性都有了极大的提高，其代表了当今带式输送机发展的最新方向。上个世纪我国煤矿用带式输送机也有了很大发展，对带式输送机的关键技术研究和新产品的开发都取得了可喜的成果，输送机产品系列不断增多。进入21世纪以来，随着煤矿现代化的发展和需要，我国对大倾角固定带式输送机、高
13、产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机与长运距、大运量带式输送机与其关键技术、关键零部件进行了理论研究和产品开发。与国外技术相比，我国带式输送机技术还有很大的差距，主要表现在可控软启动技术、动态分析与监测技术与可靠性等方面。长距离大运量带式输送机由于功率大、距离长且为多电机驱动，必须采用软启动方式来降低输送机的力，特别是采用多电机驱动时。目前可控软启动装置大多使用国外的产品，这使产品的成本大大增加，急需国产化。1.3 胶带输送机的软启动技术近年来，随着我国国民经济的不断增长，对能源与工业原材料的需求变得更加迫切，国的带式输送机也在向着长距离、高带速、大运量、大倾角、大功率的方向发展。由于采用大功率的
14、高压电机驱动，启动电流较大。传统的直接启动方法不仅浪费电能，而且给电网造成冲击，缩短机械设备的使用寿命，甚至损坏生产设备。因此，大功率胶带输送机的必须采用软启动。所谓软启动是指机械系统即使是在满载的工况下也能按照比较理想的速度，逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动。理想的速度曲线如图1-1所示。图1-1 胶带输送机软启动理想速度曲线由于输送机在启动之前，输送带处于松弛状态，为避免输送带的冲击，将输送带拉紧启动，可进一步改善启动峰值力作用。这样，需要在启动开始阶段加入一段时间延迟段。在延迟段，下垂皮带被紧，延迟段结束后，按最小加速度或最小冲击的方式完成输送机的起动过程，从而最大程度地降低了胶带输送
15、机的启动力。目前，带式输送机主要的软启动方法有以下几种：（1）调速型液力偶合器软启动（2）CST可控软启动（3）液体黏性软启动（4）变频调速软启动（5）晶闸管调压软启动这几种软启动技术实现的方式不同，它们都有各自的优缺点，在实际选用中要综合考虑运行成本与经济效益。就目前使用情况来看，液力偶合器仍然是带式输送机软启动方面的主流选择。后两种软启动方式属于电气软启动，近几年，随着电力电子技术的发展和电力电子器件的价格不断下降，以与工业自动化、智能化的程度不断提高，电气软启动逐渐得到了广泛的应用，有着良好的发展前景。变频调速软启动调速围宽、精度高，调速效果较为理想。但由于其造价昂贵，成本过高，主要运用
16、于对调速性能要求较高的场合。晶闸管调压软启动具有较高的性价比，因此得到了广泛的应用。在没有调速要求的使用场合下，起动负载较轻时采用晶闸管调压软起动，晶闸管软起动装置是软起动的主流产品。在重载或负载功率特别大的时候，才用变频软起动。目前，从长远看，随着变频器价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，也随着技术人员水平的提高，变频软起动将会取代晶闸管软启动。晶闸管调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形，从而改变电动机的有效值，达到调速的目的。根据电机学原理，电动机的启动转矩与其电压平方成正比，在启动转矩允许的情况下，可以通过降压启动来降低启动电流。晶闸管调压软启动技术就是利用相位载波方式
17、实现电动机的正反转运行、功率调节，即通过调节晶闸管的导通角控制电压对加速转矩和启动电流进行限制，使电动机的电压按照一定的规律由零上升到设定值，启动电流也由零线性上升到设定值，转速也相应平滑上升，最大限度地消除了机械与电气冲击，从而实现了软启动。晶闸管调压软启动的启动特性曲线好，能实现电动机经恒定斜率上升，对电网冲击很小；可实现软启动、软停车功能，体积小，易维护。目前，软起动将仍然以高性价比的晶闸管降压软启动为主要形式。1.4 研究容与任务本文通过分析胶带输送机软启动技术的发展状况，介绍晶闸管降压软启动器的工作原理和以晶闸管降压软启动为基础的电机起动、调速过程，以Intel 80C196KC单片
18、机为控制核心，根据胶带输送机的运行特点和要求，设计了晶闸管控制系统的软起动装置。本设计弥补了传统软启动器的不足，分别设计了电压、电流、转速的采样反馈电路，数字键盘与液晶显示模块，晶闸管同步信号检测电路和触发脉冲的功放电路，以与胶带输送机系统的保护装置，从而实现对胶带输送机的智能软启动控制。2 电动机软启动的原理与分析2.1 软启动器简介软启动器是一种用来控制三相交流异步电动机专用的产品，它实现了交流电机的软启动、软停车、轻载节能和多种保护。其功能完善，性能优越，能够满足工业电机控制的广泛需要，是传统Y启动和自耦变压器启动控制方式的理想换代产品。软启动器具有性能稳定，抗干扰能力强，运行可靠，实现
19、电流、速度的双闭环控制等特点，有助于系统稳定运行。在传输功率较大的输送机上用软启动器来控制系统的启动和运行具有以下作用：1.使起动平稳可靠，胶带无振动和跳带，消除了胶带机致命的动载冲击，有效防止撒煤到底带造成的跑偏、刷边、断卡子等生产事故。2.取消了限矩型或调速型液力偶合器，避免因此而引起的油污染、漏油、起火等不安全隐患，大大减少油脂、备品备件的消耗。3.延长皮带的使用寿命，明显减少打卡次数。4.有效的延长了胶带机的铺设长度。5.保证生产安全，提高生产效率。软启动器在煤矿电机设备中具有良好的应用前景，随着我国煤炭行业的快速发展，选择智能型电动机起动设备，将是必然的发展方向。2.2 软启动器工作
20、原理软启动器采用三相反并联晶闸管(SCR)作为调压器，将其接入电源和电机定子之间，这种电路如三相全控桥整流电路。软启动器启动电机时，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，避免了启动时过流跳闸，待电机达到额定转速时，启动过程结束。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，转逐渐下降到零，避免自由停车引启的转矩冲击。软启动器还加入了保护电路，通过检测电机电压、电流和转速反馈信号，对电机运行状况进行实时分析，对故障进行检测，一旦发生故障将与时作出保护动作，并通发出报警信号，显示输出系统运行状
21、况。2.3 晶闸管调压原理晶闸管(Thyristor)又称作可控硅整流器(SCR)，晶闸管是一种半控型器件，自发明以来，便以其优异的性能开辟了电力电子技术迅速发展和应用的新时代。它有三个联接端：阳极A、阴极K和门极G。三相交流异步电机软起动理论是基于晶闸管的三相交流调压原理。所谓晶闸管三相交流调压原理，是指通过改变晶闸管的触发控制角来改变三相输出交流电压的有效值，从而实现输出端的电压可调。晶闸管调压的控制方式有两种：一是相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，在一定的时间，控制晶闸管导通的工频周期数来达到调压的目的。采用控制晶闸管通断周波比调压方式的缺点是：难以实现连续调压，不
22、易找到合适的调压比。这种调压方式在实际应用中受到一定的限制，所以交流调压大多以相位控制方式为主。该方式是作为开关的晶闸管在每个电源电压波形周期的选定时刻将负载与电源接通，根据选定时刻的不同可得到不同的输出负载电压，从而起到调压作用。图2-1为三相交流调压电路典型原理图。图2-1 晶闸管调压电路主电路图从图中可以看出，晶闸管相控调压主电路由六个晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6两两反并联连接而成。一对反并联晶闸管接交流电源的一相，它们分别在交流电源的正、负半周起作用，主电路输出端接三相交流异步电机。电机软起动中，就是通过合理控制晶闸管的触发角，使得晶闸管模块的输出电压(即交流电
23、机输入电压)按照预定的规律进行变化，从而实现电机的平滑起动。由三相交流调压电路的原理可以看出，任何时刻至少有两只晶闸管同时保持导通，才能构成闭合回路，负载才能得电。为能简明扼要地说明三相交流调压电路的工作情况，下面以电阻性负载为例来进行分析。三相电源相位关系互差120，晶闸管VT1、VT3、VT5工作在电源的正半周， VT2、VT4、VT6工作在电源的负半周。因此，VT1、VT3、VT5（或VT2、VT4、VT6）的触发脉冲在相位上应依次相差120，同一相上的两个反并联晶闸管的触发脉冲相位应依次相差180。故六路晶闸管脉冲触发顺序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，相位依次相差6
24、0。电阻性负载下，随着触发角口的不同，晶闸管的触发导通有三类工作情况：第一类情况是同一时刻下有三个晶闸管导通，三相电源经晶闸管模块输入到三相负载中，每相负载得到此刻该相的相电压；第二类情况是同一时刻下有两个晶闸管导通，即导通的两相构成闭合回路，回路负载有电流流过，另一相没有电流流过；第三类情况是同一时刻下只有一个晶闸管导通，此类情况下因其余两相的晶闸管不导通，无法形成闭合回路，使得三相负载中没有电流流过。晶闸管三相交流调压电路中，随着触发角的变化，相电压输出波形亦发生变化，特别是当触发角超过90时，输出电压波形中出现断续现象。但输出波形始终保持严格的相位和正负半周对称关系。在的移相围，电路工作
25、可分为如下五个部分：1=0此刻晶闸管工作于第一类工作情况下，同一时刻都有三个晶闸管同时导通，三相电源直接全压接入了负载中，晶闸管相控调压电路的输出电压也就是三相电源电压。2060此围晶闸管导通既有第一类工作情况也有第二类工作情况，晶闸管工作于两类情况的交替状态。如图2-2所示。图2-2 电阻性负载下，=15和30时晶闸管导通情况图2-2中描绘了不同触发角下晶闸管的导通规律。周期T1为=15时的触发规律；周期T2为=30时的触发规律。在三相交流电源的正负半周下，晶闸管VT1VT6分别对应各自的触发工作区。在周期T1，t1时刻对应晶闸管啊触发角为15的时刻，VT1开始触发导通(对应图中起始点a点)
26、，相电压U经VT1加到负载上；t2时刻对应晶闸管VT2触发角为15的时刻，VT2开始触发导通(对应图中起始点f点)，相电压W经VT2加到负载上；t3时刻对应晶闸管VT3触发角为15的时刻，VT3开始触发导通(对应图中起始点b点)，相电压V经VT3加到负载上。T4时刻(对应图中c点)，晶闸管VT2和VT3都处于导通状态，则晶闸管VT1会因承受反相电压而关断。因此，晶闸管VT1的导通工作区为电源W相的f-i段。同理类推，隅的工作区为电源V相的b-e段；嘎的工作区为电源W相的f-i段。在周期疋触发角为=30时，晶闸管VT1、VT2和VT4的工作区分别为U相的j-k段、W相的n-s段和V相的k-m段。
27、经以上分析，=15时，在时间段t3t4有VT1、 VT2和VT3三个晶闸管同时导通；在时间段t4t5有VT2和VT3两个晶闸管同时导通；=30时，任一时间段都只有两个晶闸管同时导通。故随着晶闸管触发角的变化，晶闸管工作于两类情况的交替状态。以=30为例，晶闸管相控调压电路的输出电压如图2-3所示。图2-3 电阻性负载下，=30时的电压输出波形36090此围晶闸管只工作于第二类工作情况下，同一时刻有两个晶闸管同时导通。如图2-4所示，以=60触发角为例。可以看出，晶闸管啊的工作区为U相的a-b段；VT2的工作区为W相的h-i段；VT3的工作区为V相的cd段。任一时刻，总有两个晶闸管同时导通。图2
28、-4 电阻性负载下，=60时晶闸管导通情况490150此围晶闸管工作于第二类工作情况和第三类工作情况的交替状态下。而且这个围晶闸管调压电路输出出现了断续部分，在半周波形成两个断续的波头。图2-5 电阻性负载下，=120时晶闸管导通情况如图2-5所示，以=120触发角为例。晶闸管VT1的工作区为U相的a-b段；VT2的工作区为W相的g-h段；VT3的工作区为V相的c-d段。时间段t1t2只有晶闸管VT1导通，时间段t2t3却没有晶闸管导通，这也正是为何相控调压电路的输出电压波形出现断续的原因所在。=90和=120的晶闸管调压电路输出波形如图2-6和图2-7所示，图中可以明显地看出随着触发角度的变
29、化，输出波形的断续程度也随之变化。图2-6 电阻性负载下，=90时的电压输出波形图2-7 电阻性负载下，=120时的电压输出波形5=150晶闸管全部不导通，整个调压电路输出电压为0V。由上面的分析，可见在电阻性负载下，晶闸管触发角的移相围为0150。电阻性负载下，负载电流波形与负载相电压波形是一致的。因三相交流异步电机是感性的，故负载若换成异步电机，晶闸管的导通区间会因线路电感的作用而发生变化，晶闸管相控调压电路的电压输出也会发生变化，这时各种情况的分析要复杂一些。2.4 软启动方式2.4.1 异步电机传统启动方法三相交流异步电动机是应用最为广泛的电气设备。三相交流异步电机有直接起动、减压起动
30、与软起动三种起动方法，直接起动和减压起动属于传统起动方式。直接起动即将电源直接接到电动机的定子绕组上完成起动，是一种最简单的起动方法。但这种启动方式起动电流很大，可达到额定电流的47倍，功率因数也较低。过大的起动电流一方面会造成电动机发热，影响电动机寿命，严重时可能造成短路而烧坏电动机；另一方面会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响同一电网其它电气设备的正常工作。对于容量较大的电动机，这些危害也就尤为严重。为将起动电流限制在允许的围，人们采用减压起动方式。减压起动方式主要有电阻或电抗减压起动、星形-三角形(Y-)起动、自耦补偿起动等。减压起动方式可以限制起动电流在一定围，但电机的起动转矩
31、小，起动的平滑性不高，无法真正消除电机起动过程中的电流冲击。2.4.2 异步电动机软起动方式运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其部晶闸管的导通角，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，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。（1） 斜坡升压软起动图2-8 斜坡电压启动曲线斜坡电压起动方式是指在电机起动过程中，通过控制晶闸管触发角，使电动机的输入端电压从零开始很快的上升到初始电压U1，U1为电动机带载起动所需最小转矩对应的电压值。然后电压按所设定的斜率上升，直至达到额定电压。在此过程中，电机电压按
32、设定的斜坡增加，起动转矩则与基波电压的平方成正比关系增加。整个过程中，起动时间（t1或t2）可调，一般设置为1100s。斜坡电压起动方式简单，主要用于重载起动场合，它的起动时间较短，但起动电流相对较大，起动转矩小。斜坡电压起动曲线如图2-8所示。但其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。 （2） 斜坡恒流软起动限流起动方式就是电机在起动过程中采用电流，闭环设计，以限制起动电流不超过预先的设定值Im(图中为I1或I2)并保持恒定。在此前提下，逐渐升高电机的输入电压，直到转速到达额定转速后电流自动衰减下来，此时电压达到额定电压，起
33、动过程结束，软起动器旁路。图2-9 斜坡电压启动曲线电流限定值Im一般设定为(24) Ie，故这种起动方式起动电流小且电流限定值可调。但这种起动方式具有难以确定起动压降，起动时间较长的缺点，主要应用于轻载起动的场合。限流起动波形示意图如2-9所示。（3）转矩控制起动图2-10 斜坡电压启动曲线转矩起动控制方式是指在电机的起动过程中，保持电机的起动转矩按照线性上升的规律进行起动。在此过程中，需要按照一定规律适时调整晶闸管的触发角，使得起动转矩按照线性规律运行。由于它的最终控制目的就是为了得到线性转矩，故这种方式下电机起动平滑，保护了拖动系统，延长了其使用寿命。转矩控制起动方式主要用于重载起动场合
34、，是非常好的重载起动方式之一。其起动过程如右图所示。（4）转矩加突跳起动方法图2-11 斜坡电压启动曲线转矩加突跳控制起动方式和转矩控制起动方式类似，也应用在重载起动场合。不同的是前者在电机起动的瞬间转矩多了突跳功能，目的就是为了克服电机起动伊始由负载带来的较大静阻力矩，然后转矩线性平滑上升，完成起动。这种起动方式很好地克服了负载静阻力矩，缩短了起动时间，但是突跳的存在会给电网和周围设备造成图2-11 斜坡电压启动曲线影响，这也是本方式的一个缺憾。转矩加突跳起动曲线如右图所示。综上所述，由于胶带输送机在启动开始阶段，胶带与托辊之间有较大的静摩擦力，电机要克服摩擦力需要很大的转矩，当胶带机运转之
35、后摩擦力会大幅减小，转矩需求也减小。因此，胶带输送机适宜采用转矩加突跳起动方法进行启动，以获得较大的启动转矩来克服静摩擦力，从而顺利启动。3 系统硬件设计3.1 胶带输送机软启动器系统电路结构胶带输送机的电机软起动器硬件设计结构框图如图3-1所示，系统设计是以Intel 16位单片机80C196KC为主控芯片，采用晶闸管为主控功率器件来实现的。图3-1 软启动器硬件设计模块图软起动器系统是综合三相异步电动机的起动和运行保护装置，该系统主要由同步信号检测电路、晶闸管触发电路、电压电流和转速检测电路、胶带机故障检测、键盘和显示器接口电路、故障指示报警电路、片外存储扩展电路、系统电源和时钟电路等组成
36、。硬件系统基本工作原理如下：软起动器的各项控制参数(起动电流、起动方式与时间等)经键盘进行设置，同步信号检测电路将检测到的同步脉冲信号送入单片机80C196KC ，80C196KC主控制器通过运算后按照设定的模式发出触发脉冲以驱动晶闸管模块的导通，单片机通过控制触发脉冲的宽度来改变晶闸管的触发角的大小，电机软起动开始。电机起动过程中，检测电路将电机的电压、电流、转速等参数送入80C196KC中：一方面对电机软起动过程中的突发过流、过压等故障进行实时保护；另一方面则对采集的数据进行计算，以保证电机按预定的控制规律进行软起动。同时，80C196KC将电机起动期间的各项参数的运算结果在LCD显示器上
37、显示出来。电机起动过程中，晶闸管的触发角逐渐减少，晶闸管的输出电压也逐渐增加，直到达到电机的额定电压，电机转速从零开始加速，实现电动机的无级平滑起动。在运行过对电机的工作电压和电流的采样值与保护阀值相比较，判断是否发生过压、过流等情况。另外，还要对胶带输送机进行故障检测，如果发生胶带跑偏、打滑和断带等故障则与时发出报警信息，并作出保护反应。3.2 系统主电路设计主电路的设计采用晶闸管三相交流调压原理，通过相控调压的方式调节电机定子端电压的大小来实现电机软起动。主电路接线图如图3-2所示。用三组双向反并联晶闸管分别串联在Y接法的电机三相定子线圈上，这种接法各相波形对称，输出波形中谐波较少且不含偶
38、次谐波，调速性能优越，控制系统简单、可靠。图3-2 晶闸管三相调压主电路处在阻断状态下晶闸管的PN结的结面相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上升率过大时，会使流过PN结的结面的充电电流过大，起到了触发电流的作用，造成晶闸管误导通，从而引起较大的浪涌电流，损坏晶闸管。因此对电压上升率也必须予以限制，使之小于晶闸管的断态电压临界上升率。本系统在每一晶闸管的两端并联RC阻容吸收回路进行电压上升率的限制。煤矿使用的电子式软启动器不允许长期在额定负载工况下运行，本设计采用旁路接触器，在启动完毕后把它短接。由于系统的检测电路在电机侧，因此短接后电动机运行回路仍有过载等保护功能。在实际应用过程中，若
39、工艺条件许可，一台软启动器可用于多台电动机的软启动，软启动器按其中最大电动机容量进行选择，这样便可大大节省投资费用。CPU通过调节晶闸管触发角逐渐将电压升至电机的额定电压后，发出旁路控制信号，旁路接触器常开触点闭合，将晶闸管三相调压模块旁路短接掉，电机进入额定运行状态，至此，电机整个软起动过程结束。若需要运行中的电机进行停机，则由键盘向系统发出停机指令，CPU接到停机命令后将旁路接触器触点断开，此时晶闸管三相调压模块再次接入，调节晶闸管触发角执行软停车功能，直至电机软停车完毕。3.3 微处理器的选择与其基本外围电路由于胶带输送机控制系统比较大，对系统稳定性要求高，输送机的软启动、故障检测、实时
40、保护等环节都要求CPU要有较高的运算速度和比较完善的中断与I/O口资源，并能够与时地处理一些紧急突发事件。根据以上分析，8位单片机已无法满足该装置的要求，因此，本装置选用了Intel公司的16位微控制器80C196KC作为系统控制核心。MCS96系列16位单片机是一种在工业界应用广泛的嵌入式控制器，由于它的高性能的寄存器寄存器结构，使其非常适用于以实时控制为主的应用，如工业自动化控制、车辆控制、电机控制等。而80C196KC是Intel公司生产的CHMOS高性能低功耗16位单片机，其CPU采用寄存器寄存器结构，CPU直接面向512字节的寄存器，消除了CPU结构中单一累加器的瓶颈，提高操作速度和
41、数据吞吐能力。同时80C196KC还集成了更为丰富的外设装置，如：PTS(外设事务服务器)、EPA(事件处理器阵列)、HSIO(高速输入输出器)、ADC等，具有速度快，可靠性高，功能强大，硬件资源资源丰富等特点。80C196KC单片机具有高速输入、输出口(HIS.0HIS.3和HSO.0HSO.5)，它们独立于CPU而工作。本设计中，HIS.0口用于检测记录A、B、C三相线电压的过零点发生的时间，时间基准由定时器提供形成同步信号。HSO口的输出信号可以预先设置，并且可以对6个引脚同时寻址，这正好可以用作三相全控桥的六路触发脉冲输出，在程序设计时只要根据触发角的要求，分别对HSO.0HSO.5写
42、入不同的脉冲触发事件，就可以实时触发相应的晶闸管。另外，80C196KC单片机还具有外设事件服务器PTS，对中断提供了一种类似于DMA的响应，更有效地处理中断事务，使CPU的开销比一般的中断响应要小得多，增加了单片机的实时性。本设计中单片机80C196KC采用最常用的PLCC封装形式，其管脚与基本外围电路如图3-3所示。为提高运算速度，单片机振荡电路采用16MHz的晶振，因此其状态周期为167ns；复位电路采用上电复位加按钮手动复位方式；EA端口为存储器选择信号，由于本系统扩展了ROM和RAM存储器，因此EA端口接低电平。图3-3 单片机80C196KC与其基本外围接口电路3.4 同步脉冲信号
43、检测电路为保证晶闸管的正常工作，很重要的一点是保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。这就要求其触发脉冲要与其阳极电压必须保持严格的相位关系，才能实现晶闸管的相控调压。因此，晶闸管同步电路设计是一个非常重要的环节。本设计中采用同步变压器作为同步测量器件，同步变压器具有体积小，价格低廉，相位关系确定等优点。将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步变压器决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。同步电压检测电路设计如图3-4所示。图3-4 同步电压检测电路在同步变压器二次侧各相的相电压经过电压比较器LM339比较后输出，再经T
44、IL117光电隔离后形成S1、S2、S3三个方波逻辑电平同步信号，分别送给单片机的P1.0、P1.1和P1.2口作为脉冲分配判断信号。而S1S2S3的边沿正好与自然换相点重合，因此可以利用它作为同步电压信号向80C196KC申请中断，进行同步认相判断。S1、S2、S3三个方波信号再经74LS86异或后产生同步信号输入到HIS.0口向单片机申请中断，当同步脉冲信号的上跳沿发生时，单片机的HIS.0中断立即响应，通过检测P1.0、P1.1和P1.2口脉冲信号从而确定同步相序关系，各信号的波形如图3-5所示（其中S=S1S2S3）。需要注意的是本电路检测到的为自然换相点，各相电压的过零点滞后于自然换
45、相点30，在单片机计算触发脉冲时刻时，需要减去30。图3-5 同步电压信号波形由80C196KC的高速输入通道HIS.0检测S1S2S3的状态，当有跳变时发生中断，进入中断服务子程序，并通过进一步查询S1、S2、S3的状态来判断此时HSO的输出的位置，其逻辑关系如表3-1所示，可依据此进行编程。表3-1 同步认相电路逻辑关系自然换相点电源状态S1 S2 S3将要被触发的晶闸管号（括号为补发触发脉冲)HSO通道号0 0 1VT1（VT6）HSO.00 1 1VT2（VT1）HSO.10 1 0VT3（VT2）HSO.21 1 0VT4（VT3）HSO.31 0 0VT5（VT4）HSO.41 0
46、 1VT6（VT5）HSO.53.5 晶闸管触发脉冲驱动电路 晶闸管脉冲触发电路是软启动系统电路中非常关键的一部分。为确保电路的正常工作，同时导通的两个晶闸管需保证均有触发脉冲，目前主要采用以下两种脉冲触发形式：一种是宽脉冲触发，脉冲宽度大于60（一般选取80100)。另一种是双窄脉冲触发，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。两个脉冲的前沿相差60，脉宽为2030。双脉冲电路复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可以少输出一半脉冲，但需将铁芯体积做得较大，增加绕组匝数，以抑制脉冲变压器饱和。为不使脉冲变压器饱且减少不必要的功率消耗，本设计中采用双窄脉冲触发方式，
47、如图3-6所示。图3-6 晶闸管双窄脉冲触发示意图晶闸管的脉冲触发需要一定的电压幅值、电流强度和触发功率，否则晶闸管就无常进行触发。脉冲触发信号由单片机直接输出，其幅值和功率都不能满足要求，必须经过功率放大器件才能可靠的触发晶闸管。为保证晶闸管能正常可靠的触发，触发电路设计如图3-7所示。前面所述的精确同步电路检测到的同步脉冲信号通过单片机80C196KC的 HIS.0口信号作为中断申请，经过单片机的运算后，通过80C196KC输出口HSO.0HSO.5输出六个相应的PWM波触发脉冲。为了抑制功放电路对控制系统造成的干扰，在前面加了一级光电耦合器进行隔离；为了满足晶闸管门极对触发脉冲的功率要求，在电路中设置了三极管和脉冲变压器对触发脉