基于ATmega8控制的交流电动机软启动设计

王志华 郭英芳 刘 红

（杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100）

0 引言

在工业生产中三相交流异步电动机占据了十分重要的地位，电机不同启动方式不仅影响它的性能还有其使用寿命。三相交流电动机电路中，主电路直接与电源相连，启动时启动电流是交流电动机在额定运行时电流的4～7倍，这个冲击电流会造成电源系统和串联在电路中的其他开关电气设备过载，甚至影响一个电源系统下其他电气设备正常工作。其次，交流电动机直接启动，还会产生较大的转矩，产生的冲击会造成机械装置受损。工业上使用的软启动设备多采用电子电路设计，没有MCU单元，本文基于ATmega8单片机设计了一种电动机软启动电路，该电路在交流电动机启动时，可以降低启动电流、提高启动转矩，同时，该电路可保证电机可靠启动，降低启动冲击的作用。

1 软启动原理

设计中在三相交流电机的主电路中串入软启动电路，该电路由三相并联可控硅组成，通过光电耦合器进行过零点检测，在过零点处以电动机启动电压的时间为依据触发可控硅的导通角，电机启动电压随可控硅的导通角从零逐渐上升，交流电动机转速加速，可控硅导通角全导通时，电动机以额定电压工作，并进入额定转速运行，软启动电路完成交流电动机的平滑启动，降低启动电流。此时，电动机启动完成，可控硅停止工作，自动切换至接触器控制的电动机运行电路，电动机在额定电压、额定转速下整个场运行。如图1所示。

图1 三相交流电动机软启动控制电路

2 软启动电路设计

2.1 整体设计

交流电动机软启动设计根据大功率电动机启动时，负载大小影响着电动机启动过程，造成启动时间过长，转子上的感应电流增大，转子绕组发热量过大，绝缘层热损坏，致使绕组间出现短路等故障现象。该设计采用MCU控制单元，由CPU控制启动电压，电路获取电动机的启动电压上电，进行过零点检测电路，获取光耦采集过零点信息，根据电压移相触发电路改变导通角来实现调节启动电压。

基于单片机的三相交流电动机软启动器设计的典型框图如图2所示。

图2 软启动器设计基本原理图

可控硅控制移相触发的软启动器设计，通过检测交流电压过零点，根据启动时间，在过零点处触发三相交流电源的相位角的大小，控制电源电压在半个周期内的幅值，达到平稳启动、降低启动电流、防止电机高温受损的效果。

软启动器电路设计采用ATmega8单片机作为中央控制单元，该单片机是基于AVR的RISC结构的8位单片机，功耗低、性能高。以单片机为核心的中央处理单元主要包括复位、外部晶振、电平转换等电路，检测与控制单元主要包括过零检测、移相触发、电压控制输出等电路。中央处理单元采集过零检测送来的信号，获取过零点，打开导通角调整电压幅值，实现对电机启动电压的控制，达到降压软启动效果软启动器CPU单元电路如图3所示。

图3 软启动器CPU单元电路设计

2.2 过零检测电路

过零检测电路检测三相交流电源电压波形在正负周期交替出现时，通过TLP521光电耦合器件采集过零点信息，电压波形在过零点处光电耦合器截止，向单片机单元发送高电平信号，用于CPU控制触发角。TLP521是可控制的光电耦合器，负责电路之间的信号传输，将电信号经过光传输，再转换为电信号，具备电路干扰小的特点，对于大功率电机启动现场的干扰具有强抗磁干扰的作用。如图4所示。

为了保证光电耦合器的可靠性，设计稳压管与光电耦合器并联，进行稳压保护。在程序设计中，光电耦合信号的输入PD3端口的中断设置为：DDRD&=～0X08。

图4 三相电源过零检测电路

2.3 移相触发电路

移相触发电路是在过零点时，电路触发开关信号，控制双向可控制导通，导通的起点以过零点为基准，导通角的大小由电机启动持续的时间和启动电流的大小在控制程序中设定，达到改变输出电压的目的。原理图如图5所示。

图5 可控硅导通的移相触发波形图

移相触发电路采用双向可控硅TRIAC进行开断控制，双向可控硅结构为五层的半导体器件，由两个主电极和一个栅极组成。具备以小功率控制大功率，反应极快，无触点运行，等特点。双向可控硅的两个主电极之间接通电源之后，在栅极上加载一个触发信号，双向可控硅导通，该触发信号与极性无关，可以是正信号，也可以是负信号。触发电路如图6所示。

图6 可控硅触发电路

双向可控硅触发电路CPU信号接收电路、高频变压器T1电路和可控硅触发保护电路组成。三极管Q1、Q2并联电路组成信号接收电路，接受CPU发送的高电平控制信号，控制信号为正高电平，三极管Q1导通，T1原边接通电源，副边输出高频脉冲电压；信号为负高电平，三极管Q2导通，T1原边无电源信号，副边无感应电压。可控硅触发保护电路由稳压管D9和电阻R31组成，防止双向可控硅上的主电极电压过高，造成损坏。

三相对称电源控制信号输出对称，在程序中定义A相驱动信号输出，设置CPU的硬件连接端口，将PD4端口初始为高电平，地址编码设置为：DDRD|=0X10；端口编码设置为：PORTD|=0X10。

3 软启动软件设计

系统软件由CPU初始化、过零点采集中断输入、移相调压启动控制、计时调压输出、外部中断触发方式和程序保护等组成。图7所示软启动软甲设计程序流程图。

图7 软启动程序流程图

接通电源，程序初始化，CPU中断使能，获取光耦过零点检测信号，计时开始，半周波为10 ms，采集信号10个点进行分析，主函数根据上电信号开始采集过零点、控制双向可控硅导通角大小的调整，实现电动机启动稳定控制。程序设计中通过电压输出延时来实现软启动，电压延时输出端口程序设计如下：

_delay_us（k*16+500）；

PORTD&=～0X10；

_delay_us（120）；

PORTD|=0X10；

通过该端口电压输出的时间，计时控制，进行电压移相输出，保证电动机启动时电压处于较低电压下，根据负载的大小设定启动时长，达到交流电动机软启动的效果。

4 结论

本文基于单片机Atmega8设计并实现了一种具备缓解电流过载问题，降低对电网的冲击的软启动器，根据现场测试使用，该软启动电路具备启动电流小、启动转矩大的优点，具有一定的市场应用和推广价值。