基于PIC16F877的软起动控制器的研制

论文摘要

交流电动机在国民生产中起着不可或缺的作用,若直接加额定电压起动,电动机的起动电流可达额定电流的4-7倍,对电动机、电网电压以及其它设备都会造成很大影响。“软起动”的概念就应运而生,现已形成了限流软起动、电压斜坡起动等几种起动方式。在控制手段上随着电力电子技术和单片机技术的发展,交流电动机软起动控制装置开始出现并逐步取代传统的起动方式。济源市作为我国煤炭电气的生产基地,厂家多、产品多,要求相关的技术支持也多,本文以与济源科灵电器有限公司的新产品合作开发为背景,开发完成了《QJR-400矿用隔爆兼本质安全型交流电动机软起动装置》,并且顺利地通过了国家级检测中心检验。本文的重点是设计交流电动机软起动装置中的核心控制器件――软起动控制器。本文第一章首先阐述了电动机的软起动技术及电动机软起动技术的现状与发展趋势。进一步提出电动机软起动装置中的核心控制器件――软起动控制器的基本功能和设计过程中要解决的问题。本文第二章从理论上分析了交流异步电动机的起动过程,及电机在运行中的短路、断相、过载等常见故障的电气特性和保护原理。提出了采用双闭环PID调节器,用转速和电流构成双闭环控制来控制电机的软起动过程,为软起动控制器的设计提供了理论依据。本文第三章着重分析了软起动控制器的硬件设计思路。介绍了硬件的整体设计及其各组成单元的设计。详细阐述了MUC控制系统的硬件设计、A/D转换模块的设计、数据存储的设计、液晶显示模块的设计、通信接口的设计、三相同步信号的采集与晶闸管相位触发电路的设计、电流信号的采集与电流保护、硬件保护电路的设计以及输入输出接口电路的设计,并给出了相应的设计电路。本文第四章着重分析了软起动控制器的软件设计思路。根据电流信号的采样及算法分析确定了交流采样方法。在此基础上提出了主程序的设计思路并给出了软起动控制器的软件流程图,并对初始化、A/D转换、按键设置、电压同步信号的检测、液晶显示、故障处理、抗干扰措施等提出相应的设计思路和流程图。本文第五章介绍了针对本装置进行的起动特性试验和保护性能试验的检测方法及相关的检测数据和结论。以该软起动控制器为核心的QJR-400矿用隔爆兼本质安全型交流电动机软起动装置性能稳定,动作可靠,起动过程平稳,且操作简便,显示明了,价格便宜,安装调试方便,后期维护简单,具有传统起动器无法比拟的实用性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 几种常见的电动机起动方法
• 1.2.1 直接起动
• 1.2.2 传统降压起动
• 1.2.3 软起动
• 1.3 电动机软起动器的现状及发展趋势
• 1.3.1 电动机软起动器的现状
• 1.3.2 电动机软起动器的发展方向
• 1.4 本装置所能完成的基本功能
• 1.5 本课题研究和主要解决的问题
• 2 电动机软起动及保护原理分析
• 2.1 理想电动机模型
• 2.2 基本方程的推导
• 2.3 异步电动机的起动分析
• 2.4 各种保护原理与分析
• 2.4.1 短路保护
• 2.4.2 漏电保护
• 2.4.3 断相保护
• 2.4.4 过载保护
• 2.4.5 电压保护
• 2.5 三相交流调压调速和PID 原理
• 2.5.1 三相交流调压调速电路
• 2.5.2 PID 控制算法
• 2.6 小结
• 3 软起动控制器的硬件设计
• 3.1 交流电动机软起动器的整体结构
• 3.2 硬件电路的设计
• 3.2.1 软起动控制器的静态结构
• 3.2.2 各硬件的型号选择
• 3.3 单片机的选择
• 3.3.1 PIC16F877A 单片机的介绍
• 3.3.2 选择PIC16F877A 单片机的原因
• 3.4 A/D 转换模块
• 3.5 数据存储设计
• 3.5.1 程序存储器
• 3.5.2 数据存储器
• 3.6 液晶显示设计
• 3.6.1 液晶显示模块OCM4X8C 的介绍
• 3.6.2 液晶操作说明
• 3.6.3 硬件接口电路
• 3.7 通信接口设计
• 3.8 三相同步信号采集与晶闸管相位触发电路
• 3.8.1 三相同步信号采集
• 3.8.2 晶闸管相位触发电路
• 3.9 电流信号采集及电流保护
• 3.10 硬件保护电路设计
• 3.10.1 漏电闭锁保护电路
• 3.10.2 过热保护电路
• 3.10.3 相不平衡保护电路
• 3.10.4 转速检测电路
• 3.11 接口电路设计
• 3.11.1 输入接口
• 3.11.2 输出接口
• 3.12 单片机管脚分配
• 3.13 小结
• 4 软起动控制器的软件设计
• 4.1 PIC16F877A 单片机开发环境
• 4.2 电流信号的采样及算法
• 4.2.1 采样方式选择
• 4.2.2 交流采样原理
• 4.2.3 均方根算法的分析
• 4.2.4 交流采样方法选定
• 4.3 主程序设计
• 4.4 初始化与自检程序设计
• 4.5 按键设置
• 4.6 电压同步信号检测
• 4.7 A/D 转换与电流有效值计算
• 4.7.1 A/D 转换
• 4.7.2 电流有效值计算子程序
• 4.8 液晶显示程序设计
• 4.9 各种故障处理
• 4.10 电磁干扰与抑制电磁干扰的措施
• 4.10.1 电磁干扰的来源与影响
• 4.10.2 硬件的抗干扰设计
• 4.10.3 软件抗干扰设计
• 4.10.4 MCU 的抗干扰措施
• 4.11 小结
• 5 系统测试与检验
• 5.1 概述
• 5.2 起动特性试验
• 5.3 保护性能试验
• 5.3.1 短路保护
• 5.3.2 过压保护
• 5.3.3 欠压保护
• 5.3.4 漏电闭锁检测
• 5.3.5 断相保护
• 5.3.6 过载保护
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录