摘要：本文根据带式输送机的启动特点，结合16位单片机的高速处理能力，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：单片机；软启动器；输送机

中途分类号：TP9文献标识码：B

前言

    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、露天采矿场及选矿厂中，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及袋装物料，如煤、碎石、砂、水泥、化肥、粮食等，被送物料温度小于60℃。其机长及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。

    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展方向；另一方面，带式输送机的多元化、应用范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、自动张紧技术、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。

    近年来，随着我国国民经济的不断增长，对能源及工业原材料的需求变得更加迫切，国内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。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、软启动的原理

    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。

    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，一旦发生故障将及时作出保护动作，并通发出报警信号，显示输出系统运行状况。

2、晶闸管调压原理

    晶闸管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α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，在一定的时间内，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1为三相交流调压电路典型原理图。

图1晶闸管调压电路主电路图

    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60°。

3、系统硬件设计

    软起动器的各项控制参数(起动电流、起动方式及时间等)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。3.1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次谐波，调速性能优越，控制系统简单、可靠。

图2晶闸管三相调压主电路

3.2微处理器的选择及其基本外围电路

    本设计中单片机80C196KC采用最常用的PLCC封装形式，其管脚及基本外围电路如图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单片机80C196KC及其基本外围接口电路

3.3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80°~100°)。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20°~30°。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。

    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.0～HSO.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冲进行功率放大，同时脉冲变压器也起到了隔离的作用；稳压管D8起电压箝位的作用，从而保证形成一定幅值的触发脉冲；脉冲变压器的副边接入了两个二极管，保证了输出正的触发脉冲。

3.4过流保护

    电子式软启动器一般不带短路保护，通过过载保护来完成短路保护，由于可控硅具有有限大的浪涌电流能力，且过流反应能力在微秒级，在实际应用中，在故障点的电流还没有形成短路电流时，可迅速的关断主功率单元。

    系统的过流检测仍然是通过电流反馈电路检测的，检测到的电流经过CPU运算处理后，通过与设定值大小进行比较，从而实现过流故障的及时发现，CPU及时作出保护响应。

3.5胶带输送机胶带跑偏检测

    输送带跑偏是带式输送机运行过程中常出现的问题，胶带跑偏会造成撒料、胶带磨损、断带等安全隐，影响正常生产，甚至会造成生产事故。因此，这是胶带输送机系统必须要克服的问题之一。

    光电检测是一种非接触式测量方法，具有较宽的动态测量范围和较高的测量精度，对于输送带跑偏的检测。本设计用的光电传感器选用E3F—DS5C1对射式光电开关，由于在带式输送机运行中头尾滚筒处易出现跑偏，因此，光电检测传感器应该安装在输送带距离头部滚筒8～10m处，也可沿着输送带多安装几处，便于检测跑偏位置，本设计在输送机的两端各安装一处。每处由四对光电传感器分别固定在输送带两侧，安装位置一般在胶带宽度的5％~10％处。

图4胶带跑偏检测传感器安装示意图

    安装位置如图4所示，安装的光电传感器分为一级传感开关和二级传感开关，当一级传感器检测到胶带跑偏信号时，表明胶带轻微跑偏，有故障隐患，单片机将出报警信号和故障显示信息但不停车；当一级传感器检测到胶带跑偏信号时，则表明跑偏严重，会造成生产事故，需立即发出报警并发出停机信号，等待排除故障。

4、软件设计

    主程序主要用来协调系统子程序间的时序，合理的调度各个子程序，避免程序同的冲突，为它们提供了一个优异的运行框架。因此，主程序的设计好坏直接影响到系统整体运行性能的优劣。

    本设计中主程序主要完成系统的上电初始化、故障自检测、运行中的状态参数显示、突发故障处理和既定规律实现电机的起停等功能。

    系统上电初始化主要是指：对80C196KC单片机的寄存器、功能外设、堆栈、中断系统和各子程序模块的参数进行初始化，为以后的电机运行参数计算做准备。上电故障检测是确保系统处于正常状态，为之后的系统运行做准备。倘若此时有胶带跑偏等故障发生，可及时进行故障处理，避免因疏忽而导致系统运行时的器件损坏。

    系统运行过程中的电压、电流等参数会进行实时状态显示，以供操作人员参考；对运行中的突发故障(如器件损坏、外部突发干扰等)，故障检测程序会及时做出处理并报警显示。