摘 要

本论文研究电机软启动过程中晶闸管的触发器，使电机能够按软启动的要求启动，电机端电压和电流按预设规律上升。在对触发器的发展历程梳理后，对比了几种类型晶闸管触发器的优缺点后，选择了数字触发器的方案，数字触发器能够提高控制的精度，可靠性高。

数字触发器的核心为控制芯片，为了确定设计方案，分析了单片机控制、FPGA/CPLD控制和单片机FPGA/CPLD混合进行控制的优缺点，最终选择单片机与可编程逻辑器件混合最为控制部分的方案，这样能够使两者的优势互补，提供控制性能。

数字触发器的构成包括硬件电路和软件程序两部分。硬件电路包括诸如基准信号检测电路、失相保护电路、A/D转换电路和脉冲放大电路等部分，需要搭建出准确的硬件结构，这样才能使软件控制发挥作用。

本数字触发器基于脉冲移相触发思想，通过控制晶闸管的导通角来调节晶闸管功率变换模块的电压输出，从而达到控制交流电机软启动，消除起动冲击电流的目的。软件程序的控制算法是实现移相控制的关键。要选择精确高效的适合交流电机的控制算法，需要对经典PID控制算法、模糊控制算法和模糊PID控制算法进行分析，在比较后，选择模糊PID控制算法作为本设计的算法。模糊PID控制对电机软启动动态过程具有良好的控制性能，能够比较精确的控制晶闸管的导通。单片机在此设计中担负控制算法的实现，而FPGA的程序实现脉冲移相的功能。同时采用FPGA实现的数字锁相环，能过提高三相基准信号的精度，进而调高触发器的控制精度。最后，用Quartus II等仿真软件对设计进行了仿真，得到了触发器的触发脉冲。

关键词：晶闸管，数字触发器，FPGA，模糊PID控制算法

Abstract

In this paper, the thyristor triggers are studied in the process of soft start of the motor, so that the motor can start according to the requirements of soft start, and the voltage and current of the motor are increased according to the preset law. After combing the development process of the flip-flop, compared with the advantages and disadvantages of several types of thyristor trigger, the choice of digital flip-flop program, digital flip-flop can improve the control accuracy, high reliability.

In order to determine the design scheme, the advantages and disadvantages of single-chip microcomputer control, FPGA / CPLD control and single-chip FPGA / CPLD hybrid control are analyzed. Finally, the most control part of MCU and programmable logic device is selected, This can complement the advantages of both, providing control performance.

The structure of the digital flip-flop includes two parts: hardware circuit and software program. The hardware circuit includes parts such as the reference signal detection circuit, the phase loss protection circuit, the A / D conversion circuit and the pulse amplifier circuit, etc., need to build an accurate hardware structure, so as to make the software control play a role.

This digital trigger based on the idea of ​​pulse phase shift trigger, through the control of the thyristor conduction angle to adjust the thyristor power conversion module voltage output, so as to achieve the control AC motor soft start to eliminate the purpose of starting the impact of the current. The control algorithm of software program is the key to realize phase shift control. To select the precise and efficient control algorithm for AC motor, it is necessary to analyze the classical PID control algorithm, fuzzy control algorithm and fuzzy PID control algorithm. After comparison, the fuzzy PID control algorithm is chosen as the algorithm. The fuzzy PID control has good control performance for the dynamic process of the motor soft start, and can control the conduction of the thyristor with precise control. SCM in this design to bear the control algorithm to achieve, and FPGA program to achieve the function of pulse phase shift. At the same time using FPGA to achieve the digital phase-locked loop, can improve the accuracy of three-phase reference signal, and then increase the trigger control accuracy. Finally, the design is simulated with Quartus II and other simulation software, and the trigger pulse of the trigger is obtained.

Key words: Thyristor, Digital flip - flop, FPGA, Fuzzy PID control algorithm

目录

摘要 I

第1章 绪论 1

1.1课题概述 1

1.1.1课题研究背景 1

1.1.2课题研究的目的及意义 2

1.2国内外现状 3

1.2.1触发器的发展历程 3

1.2.2 触发器国内外现状 4

1.2.3 现有触发器存在的问题 8

1.3论文的主要研究内容 9

1.4小结 10

第2章 数字触发器理论基础与方案设计 11

2.1电机软起动系统对触发器的要求 11

2.2三相桥式可控整流电路六脉波触发原理 12

2.3数字触发设计方案的比较 14

2.3.1 CPLD/FPGA控制方案 14

2.3.2单片机控制方案 15

2.3.3FPGA 单片机方案的分析 16

2.4本章小结 17

第3章 数字触发器硬件设计 18

3.1数字触发器的硬件结构及工作原理 18

3.2硬件电路设计 19

3.2.1FPGA芯片选型 19

3.2.2 MCU概述 20

3.3.1相位基准信号电路 21

3.3.2A/D转换电路 22

3.3.3失相保护电路 22

3.3.4功率放大电路 24

3.3.5单片机与FPGA的接口电路 25

3.4小结 25

第4章 数字触发器软件设计 26

4.1单片机软件程序 26

4.1.1软件程序设计 26

4.1.2软件控制算法分析 28

4.2FPGA硬件程序设计 31

4.2.1锁相环工作原理与实现 31

4.2.2基于FPGA的移相触发软件设计 33

4.3小结 33

第5章 电机软启动晶闸管数字触发器仿真 34

5.1软件概述 34

5.2FPGA程序仿真 36

5.3小结 40

第6章 总结与展望 41

6.1总结 41

6.2展望 42

参考文献 43

附录A 44

附录B 45

附录C 46

致谢 47

第1章 绪论

1.1课题概述

交流电机在现代社会中应用广泛，电力系统中的生产电能，工厂中的机床等都应用了交流电机。随着电力系统的发展，交流电机成为社会生产中的主要设备。相比直流电机，它具有结构简单、设计方便、结实耐用、容量大等优点。交流电机发展至今，技术成熟并被广泛采用。但是交流电机存在着启动电流过大的问题，为其额定电流的3~7倍^[1]，这给供电电网带来了干扰，严重时会对电网造成危害。同时，启动时的大启动应力造成大启动转矩，这会给电机本身和它连接的设备带来剧烈机械冲击，损坏设备，使电机使用寿命减少。显然直接启动电机危害过大，不够经济，因此，要采取一种“软启动”的方式启动电机，限制启动电流。交流电机软启动研究在当今社会中具有很高价值，能够创造经济效益。

晶闸管自出现以来，一直被广泛应用于电力电子行业和电气领域。就单管的容量来看，晶闸管具有容量最大的优势，是世界范围内每年装机容量最大的电力电子变流设备。现有交流电机多采用晶闸管为主要设备的软启动装置。要获得理想的电机启动特性，对晶闸管的触发电路的研究显得尤为重要。

1.1.1课题研究背景

为了解决三相异步电机启动问题，传统启动方式有定子串接电抗器启动、Y-△启动、自耦变压器降压启动等方式。采用这些启动方式减小了定子绕组的电压，一定程度减小了启动电流。但这些方法本身存在一些缺点：