一种改进的直流电机软启动器设计方法

潘 勇，王 锋，赵 毅，李 萍

(山东省产品质量检验研究院 电器安全能效检验研究所，济南 250102)



一种改进的直流电机软启动器设计方法

潘 勇，王 锋，赵 毅，李 萍

(山东省产品质量检验研究院 电器安全能效检验研究所，济南 250102)

介绍了一种以ATmega16单片机为控制核心，采用PWM技术调节带有吸收回路保护的IGBT以实现直流电机平稳运行的软启动器设计方法，最后给出了实验结果。

PWM；IGBT；吸收回路；软启动

0 引 言

传统直流电机软启动方式为切换电阻启动，顾名思义，就是在电机电枢回路中串入大功率电阻，通过电阻降压来限制电机的启动电流，当电机的电流或转速达到期望值时，通过直流接触器将电阻旁路，电阻不再起任何作用，直流电机通过旁路电路正常工作。该方式的优点是回路简单，造价低；缺点是平滑性不好,电机在启动时易发生电流突变，以致影响直流工作系统,直流接触器触点易烧结。本文介绍了一种基于ATmega16改进的直流电机软启动器的设计方法，实验证明，该软启动器能够实现直流电机稳定、准确、可靠的运行。

1 直流电机软启动器设计原理

直流电机接通电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为启动过程[1]，这个过程可用电动势平衡方程式和电枢电动势方程式来解释。

电动势平衡方程式：

(1)

电枢电动势方程式：

(2)

式中：U为电枢电压；Ea为电枢感应电动势；Ia为电枢电流；Ra为电枢回路电阻；Ce为电动势常数；φ为磁通；n为转速。

直流电机通电转动瞬间：n=0，故Ea=0，Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra，Ra一般约为0.5～2 Ω，可知电机启动电流很大，瞬间值可达到额定电流的10～20倍[2]。如此大的启动电流会导致电机换向困难，同时造成供电线路产生很大的压降，因此，必须采取适当的措施限制启动电流。

当前，主要有2种方案实现电机的平稳启动，即变频调速软启动器和IGBT调压软启动器。变频器调速软启动器控制的电机具有良好的动态和静态特性[3]，在低速的时候可以任意调节电机转速，也能以恒定转矩启动电机，但是变频调速软启动器所需费用高昂，常用于特殊的电机控制如启动转矩较大的中压电机。本文涉及的直流电机工作电压为220 V，属于低压电机，采用的是IGBT调压软启动器方案。IGBT调压软启动器的设计原理是以AVR系列的ATmega16单片机为微处理器，运用PWM脉宽调制的方式来控制IGBT的开通和关断对直流电压进行线性调节，并设计了吸收回路对软启动器进行保护，最终使电动机达到额定转速，继而稳定运行。

2 直流电机软启动器设计

直流电机软启动器系统主电路包括IGBT模块、吸收回路、霍尔元件及辅助电路等；控制电路主要包括AVR ATmega16、驱动电路、PWM辅助电路、LCD和键盘模块；直流电机软启动器系统结构框图如图1所示。

其中，主电源为整个系统提供220 V的直流电压，辅助电源给AVR ATmega16、驱动电路、霍尔元件提供工作电压；驱动电路通过PWM来调节IGBT的开关速度，继而调节直流电机的转速；霍尔元件对电压电流进行采样，反馈给AVR ATmega16，在出现过压、欠流、过流时对电机进行保护，防止直流电机被损坏；LCD和键盘模块可对系统运行的时间和PWM的频率进行设定，使不同功率的电机在合适的启动速度下运行。本文设计的直流电机软启动器可实现功率为3.7～55 kW的直流电机的调速。

图1 直流电机软启动器系统结构框图

2.1 直流电机软启动器主电路设计

直流电机软启动器主电路图主要包括IGBT驱动模块、电压电流变送模块、吸收回路等三部分，如图2所示。图2中KR为温度继电器，用于监控温度，保护电路；变流器主要变换电流，完成系统故障、启动、停止三种状态的指示；电压电流变送模块实现电枢电流、励磁电流的采样，将电流信号转换为电压信号反馈给AVR ATmega16来完成对电机转速的实时调节。IGBT驱动电路采用了瑞士CONCEPT公司出品的2SD315AI来完成IGBT的精确通断。直流电机软启动器主电路设计的重点是IGBT，而吸收回路的设计是确保IGBT精确运行的关键。

图2 直流电机软启动器主电路图

直流电机是感性负载，IGBT开通时续流二极管会吸收电容的放电电流和反向恢复电流，开通的速度越快，IGBT承受的峰值电流就越大，甚至会损坏IGBT或续流二极管；IGBT关断时，负载由于快速地开通和关断会产生尖峰电压，续流二极管受开通速度的影响难以吸收尖峰电压，以至于会造成自身或其他元器件的损坏。为了解决这一难题，本文对吸收回路进行了重点设计。在图2中，为防止直流电源正负反接，直流电源端接入防反二极管D15；C10和R4，R5组成的电路可以消除续流二极管D1两端的尖峰电压；C11和R1，R2，R3，D12，D13，D14组成的电路可以消除IGBT模块集电极(C极)和发射极(E极)间的电压尖峰，同时还可以减小电流波动。

2.2 直流电机软启动器控制逻辑算法

直流电机软启动器控制器为AVR ATmega16，除了具备常规的逻辑控制，ATmega16还可以产生PWM信号通过驱动板来控制IGBT的开通与关断；同时，将输出的电压、电流信号进行采样，经RS485传输给LCD实时显示。

直流电机软启动器上电以后，首先进行系统初始化，通过键盘模块设置电压、电流、时间、速度等启动参数来控制IGBT的通断以实现直流电机平稳启动。直流电机软启动器控制方式有就地操作和远方操作两种。在直流电机启动过程中，故障检测电路会对直流电机的电压、电流和IGBI的温度等信号进行采样，经数模/模数转换后经LCD显示。若有异常现象如欠压、过流、过热等发生，直流电机软启动器会进行故障报警反馈。若无异常现象发生，直流电机软启动器根据ATmega16发出的指令输出一定占空比的PWM波形控制直流电机按照设定速度来运行。同时，ATmega16计数器计算数值与指令设定的时间/速度值进行比较，若计算值大于设定值，则降低PWM的占空比以降低电机转速；反之，增加PWM占空比以提升电机转速。直流电机软启动器ATmega16控制逻辑策略如图3所示。

图3 直流电机软启动器ATmega16控制逻辑策略图

ATmega16单片机内有一个16位的定时/计数器，可以产生无干扰脉冲、相位准确的PWM波形[4]。产生PWM波形的机理是：PWM引脚电平在匹配0～0xFFFF之间的值，如c时，比较匹配输出寄存器置位或清零，同时，计数器清零时，对应的定时器时钟周期清零或置位。图4给出了使用输出比较寄存器(OCR1A)来定义最大值时的快速PWM模式时序图。

图4 快速PWM模式时序图

图4中的c～h为OCR1A匹配值，从图中可见，波形在每个匹配值和计数清零时输出发生了改变，从而产生了PWM波形。OCR1A值的范围可以在0x0000～0xFFFF之间变化，共有65 535个值，可知PWM波的最大分辨率为K=1/65 535。输出的PWM波的频率可以通过如下公式计算得到：

(3)

其中:fCLK为系统时钟频率，N为分频因子(1，8，64，256或1 024)。快速PWM模式采用了单边斜坡模式，可以产生高频PWM波，非常适合应用于直流电机软启动器设计领域。

3 实验结果

根据上述软硬件方案，作者设计制作了一台样机进行调试，以验证该直流电机软启动器设计的合理性。实验所使用的负载是功率为40 kW，额定电压为220 V，转速为3 000 r/min的直流电机。感性负载在电机启动过程产生的尖峰电压会对IGBT和续流二极管产生极大的冲击，二者是否能正常工作，关系着直流电机软启动器设计的优劣，因此，通过将探头置于×10档的示波器监测IGBT和续流二极管的电压和振铃幅值来评估整个直流电机软启动器的性能。图5为直流电机软启动过程中IGBT和续流二极管的电压波形；图6位直流电机软启动过程中IGBT和续流二极管的振铃波形。

图5 IGBT和续流二极管电压波形图6 IGBT和续流二极管振铃波形

从图5和图6中可以发现，在直流电动机工作过程中，IGBT和续流二极管的电压波动较小，波形平缓，IGBT的振铃尖峰电压比续流二极管的振铃尖峰电压大，但也未超过600 V，这远小于IGBT和续流二极管的耐压值。

4 结 语

本文分析了直流电机启动时产生冲击电流的原因，在此基础上设计了一款采用PWM调节的、具有吸收回路保护的直流电机软启动器，并制作样机对直流电机软启动器进行性能测试，验证了该设计方法在解决直流电机启动过程电压平滑性差、易发生电流突变、直流接触器易烧结等问题上有着良好的效果。

[1] 阎治安，崔新艺，苏少平.电机学[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2008:5-30.

[2] JIAN Wen Li,NING Ju,PEI Li,et al.A buck converter based reduced voltage starter for DC oil pumps[J].Applied Mechanics & Materials,2012,130:1968-1972.

[3] ZHANG Pinjia,LU Bin,HABETLER T G.A remote and sensorless stator winding resistance estimation method for thermal protection of soft-starter-connected induction machines[J].IEEE Transactions on,Industrial Electronics,2008,55(10):3611-3618.

[4] Atmel Corporation.8-bit Microcontroller with 16k bytes in-system programmable flash[Z].Atmel Corporation,2009：71-82.

Design of an Improved Soft-Starter for DC Motors

PANYong,WANGFeng,ZHAOYi,LIPing

(Electrical Apparatus Safety Energy Efficiency Inspection Institute,Shandong Institute for Product Quality Inspection,Jinan 250102,China)

A soft-starter design method based on ATmega16 was introduced, and PWM was used to adjust IGBT with absorbing circuit protection for achieving DC motor smooth operation. Finally, the experiment result was given.

PWM； IGBT； absorbing circuit； soft start

2015-10-15

TM33

A

1004-7018(2016)07-0041-02

潘勇(1984-)，男，硕士研究生，工程师，研究方向为电器产品性能、安全、EMC等。