傳統的三線啟動/停止馬達控制電路可以透過加入微動功能來增強。這既保留了便捷的啟動/停止按鈕功能，又允許使用額外的微動按鈕瞬時啟動馬達。本工程簡報探討了建構基於按鈕的啟動、停止和微動電路的幾種不同方法。此外，它還涉及安全性方面的問題，因為一些看似巧妙的電路方案可能會出現意想不到的（潛在危險的）運作情況。
每個電路都附有線圖。同時還包含簡短的視頻，用於展示電路的運行情況並突出不良行為。請注意，所有實驗均使用 DigiKey 的小型工業訓練器進行，如圖 1 所示。此培訓器非常適合學習環境，因為學生可以使用工業環境中常見的真實元件進行操作。 24V 直流系統通常比較安全，並且允許學生從錯誤中學習。
圖 1：啟動-停止-微動電路基於 Phase Dock 1010 底座，並配備 Schneider 馬達起動器，包含過載保護模組和輔助模組。一個小型 24V 直流風扇用作假負載。
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本文是介紹馬達起動器並探討其重要且有時較隱密的應用系列文章的一部分。請參閱相關文章以了解更多資訊。至少請閱讀第一篇文章，以便了解相關前提條件。本文假設讀者已熟悉諸如閂鎖和馬達起動器原理（包括過載保護模組）等概念。
什麼是微動？
微動是指瞬間啟動負載，例如馬達。微動功能通常用於小幅度機械運動，以便將產品定位或將機器放置到特定的機械位置。例如，傳送帶的瞬時運行或水平旋轉式零件滾筒的短暫運行，以露出檢修艙口。微動也可用於瞬時測試系統的運作情況，例如需要啟動的泵浦。
微動與緩慢移動同義。但微動與爬行不同。二者的差異取決於可用設備。微動（緩慢移動）通常以全功率運轉的方式進行，馬達啟動器直接向馬達施加軌道電壓。爬行，也稱為龜速模式，通常用於允許部分或可變速度控制的系統。三相馬達的爬行需要使用變頻驅動器 (VFD)。
技術提示：頻繁的起動/停止操作會對電氣系統造成很高的壓力。對於馬達而言尤其如此，因為全電壓啟動時會產生很高的啟動電流（湧入電流）。頻繁的起動/停止循環會導致馬達繞組過熱。馬達啟動器的熱過載保護裝置會跳脫以緩解這種情況。請注意，大多數熱過載保護裝置需要手動重設。這樣可以讓馬達有時間冷卻，同時技術人員和操作員可以分享一些關於馬達過載的「小知識」。前提是馬達由尺寸和配置合適的馬達起動器保護。
啟動-停止-微動控制器的行為是什麼？
據我所知，啟動-停止-微動控制器的行為並沒有嚴格的標準定義。文獻檢索顯示存在多種電路。這意味著具體的實現方式取決於設備設計者。
這令人不安，尤其是在考慮到人為因素的重要性時。
雖然我沒有資格提供具體的建議，但我們可以確定一些指導原則。我們體認到，人類是習慣性動物，注意力持續時間有限，容易疲勞，而且往往反應遲鈍，難以察覺問題所在。基於此，我們可以為理想的啟動-停止-微動人機介面提供一些指導原則，以彌補人類的這些限制：
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系統不能出現任何意外操作。換句話說，對於已知的使用者輸入，系統必須始終以相同的方式回應。如後文所述，使用者按下和放開按鈕的速度是首要考慮因素。
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單功能控制優於多功能控制。在其他條件相同的情況下，啟動按鈕應僅用於啟動機器，而不應有時用於微調機器。這是因為多狀態機器對使用者提出了更高的要求，要求操作員記住機器所處的狀態。如果操作員被其他任務分散了注意力，則可能導致意外操作。
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作為一台三狀態機，啟動-停止-微動介面必須具有層級優先權。停止按鈕必須優先於所有其他輸入，使機器恢復到關閉狀態。微動按鈕必須具有更高的優先級，因為它需要斷開正在運行的機器的閂鎖。在某種程度上，這是對原則一的重申。它確保了過度疲勞的操作員按下點動按鈕時，不會因為機器繼續運作而感到驚訝。
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指示燈應反映機器的實際狀態。例如，當馬達起動器的熱過載保護跳脫時，運轉面板上的綠色指示燈不應亮起。
這些指導原則直接體現在控制電路中。事實上，電路設計與這些人為因素密不可分。如後文所述，設計人員在設計時必須考慮使用者、繼電器和按鈕之間的複雜動態互動。我們將看到，即使是簡單的基於繼電器的設計也存在複雜的交互作用。此外，設計人員還必須考慮各種元件及其在設備使用壽命期間的老化情況。理想情況下，我們選擇對元件變化不敏感的電路。理想的電路將使用常見的商用現成 (Commercial Off-The-Shelf，COTS) 元件，並且不會因這些元件的老化而受到不利影響。
基於 PLC 的控制面臨哪些挑戰？
在深入探討之前，我們需要先明確繼電器控制與可編程式邏輯控制器（PLC）控制並非同一概念。二者的主要差異在於實際應用中繼電器、接觸器和馬達啟動器的動態特性。這些實際應用中的繼電器的導通和關斷時間以毫秒計。相較之下，PLC 的梯形圖邏輯是一種記憶體到記憶體的操作，其狀態變化可以在一個程式週期內完成，耗時以微秒計。
這些固有的延遲可能會給那些透過 PLC 課程學習工業控制和自動化的學生帶來困擾。基於 PLC 的課程鼓勵學生在統一且規範的環境下思考繼電器。學生需要拓展並重新審視他們的預期，以適應實際應用中複雜多變的組件。
既然我們已經定義了人機介面 (HMI) 的指導原則，並確定了實際繼電器的一些限制，接下來就可以探討幾種常見的啟動停止點動控制器的實現方式了。我們鼓勵您實際搭建每個電路，以便更好地理解每個控制器的獨特特性。動手實踐是學習這些知識的最佳途徑。這將有助於您建立直觀的理解，從而在未來進行電路故障排除和設計。
方案一：帶選擇開關的啟動-停止-作業控制器
我們首先來探討圖 2 和圖 3 所描述的控制器。這種啟動-停止-微動電路帶有一個選擇開關，用於在運行模式和操作模式之間切換。雖然此電路的電路結構最簡單，但其操作介面卻最為複雜。
之所以複雜，是因為該電路帶有一個選擇開關，用於選擇點動或運行模式。當選擇開關處於運轉位置時，控制器的工作方式與三線馬達起動器相同。按下綠色啟動開關將使電路保持開啟。按下紅色停止按鈕將釋放電路。如果選擇開關處於點動位置，則在按住綠色啟動/微動按鈕時，馬達將會運轉。
根據我們先前的討論，這種控制器並不理想，因為綠色按鈕具有雙重功能。如果操作員不完全了解控制器的模式，就可能導致操作失誤。例如，操作員原本預期會進行短時脈衝，但如果選擇開關處於運行位置，則可能會感到意外。
圖 2：具有模式選擇開關的啟動-停止-微動電路的前面板。根據使用者選擇的操作模式，綠色按鈕執行啟動或點動的雙重任務。
電路如圖3所示，與傳統的三線控制器類似。唯一的區別是模式選擇開關在點動模式下停用閂鎖器。請注意，已添加雙色綠色/紅色指示器。當 M1 接合時，顯示幕將呈現綠色；若發生熱跳閘，顯示幕將會呈現紅色。
圖 3：帶有模式選擇開關的啟動-停止-微動控制器的梯形圖邏輯。當開關處於工作位置時，M1 閂鎖器會停用。
影片 1：帶模式選擇開關的啟動-停止-微動控制器的操作。
方案二：簡單但不可靠且有潛在危險的啟動-停止-微動控制器
圖 4、圖 5 和影片 2 展示了一種簡單但不可靠且潛在危險的啟動-停止-微動控制器。它具有一個簡單的使用者介面，每個功能（包括啟動、微動和停止）都配有專用按鈕。
我不太願意推薦這個電路，因為它的效能非常差。然而，在網上搜尋時卻常常能看到它。這種設計看起來似乎在理論上可行，但卻忽略了實際繼電器和接觸器的特性。
導致運作不可靠的原因是繼電器或接觸器的斷開速度。仔細觀察圖 5 即可發現問題所在。圖中第 2 行和第 3 行分別代表微動按鈕的常開觸點和常閉觸點。理論上：
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按下 Jog 按鈕會透過常閉觸點斷開 M1 馬達啟動器閂鎖器。同時，Jog 按鈕的常開觸點會啟動 M1。
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放開 Jog 按鈕會斷開 M1 線圈並恢復閂鎖。
問題在於 M1 的反應速度非常慢，尤其與 Jog 按鈕的反應速度相比。因此，該機制並非斷開線圈並恢復閂鎖，而是簡單地閂鎖了已經閉合的 M1。結果就是，系統會間歇性地閂鎖 M1，具體閂鎖情況取決於操作員放開 Jog 按鈕的速度，如影片 2 所示。如前所述，運作不可預測的系統是危險的。
圖 4：啟動-停止-微動電路的前面板，並有一個點動按鈕。
圖 5：簡單但不可靠（危險）的啟動-停止-微動控制器的梯形圖邏輯。
影片 2：啟動-停止-微動控制器，其可靠性受使用者按鍵速度影響。
技術提示：如圖 5 所示，此電路對元件選擇非常敏感。常開 (N.O.) 和常閉 (N.C.) 部分之間轉換時間略有不同的按鈕，可能會改善電路性能，也可能導致馬達啟動器幾乎 100% 鎖定，從而使電路無法工作。將 M1 馬達起動器更換為更小、更快的控制繼電器也能提高性能，但始終無法達到 100% 的可靠性。因此，不應使用此電路，尤其是在考慮到工業設備的長期使用壽命以及元件更換的可能性時。
方案三：傳統啟動-停止-微動控制器
傳統啟動-停止-微動控制器的梯形圖邏輯如圖 6 所示。對應的控制面板如圖 4 所示。與先前的控制器（圖 5）不同，這款新控制器運作良好，點動操作能夠忠實地回應使用者輸入。此電路幾乎滿足此應用所需的功能。唯一的缺點在於，微動按鈕無法斷開已運轉電路的閂鎖。另一個缺點是系統啟動速度較慢，因為繼電器和馬達起動都參與了閂鎖機制。必須按下並保持啟動按鈕，系統才會啟動。
此電路略顯複雜，尤其是從 PLC 梯形圖邏輯的角度來看。CR1 觸點之間的互動違反了 PLC 程式設計規則。理解該電路的關鍵在於認識到閂鎖功能已被 CR1 接管。回想一下，先前的電路由於 M1 同時作為馬達起動機制和閂鎖器而存在固有延遲，導致其故障。
啟動順序
啟動順序如圖 6 中黃色序號所示。此順序可描述如下：
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如果未啟動，則停止。
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如果啟動，則啟動 CR1。
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啟動 CR1 後，垂直方向的 CR1 接點（位於第 1 和第 2 級之間）會向 M1 線圈（線路 3）供電。
閂鎖順序
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如果 M1 和 CR1 都處於啟動狀態，則停止開關與第 2 級 M1 和 CR1 接點之間導通。
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由於 CR1 已處於啟動狀態，線圈透過垂直方向的 CR1 觸點閂鎖。
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第 2 級也為 M1 閂鎖提供導通。
請注意，流經 CR1 垂直接點的電流方向會改變。假設電流方向為常規方向（富蘭克林方向），則啟動電流從第 1 級向下流向第 2 級。在 M1 和 CR1 都處於啟動狀態後，CR1 保持電流從第 2 級向上流向第 1 級。
斷開閂鎖
當按下停止按鈕或 M1 偵測到過熱時，閂鎖將被斷開。請仔細觀察第 2 梯級上的保持邏輯。請注意，這兩種方法都會斷開 M1 和 CR1。這非常理想，因為電路避免了 CR1 閂鎖但 M1 斷電的不確定狀態。
微動操作
微動按鈕位於第 3 級。按下此按鈕將啟動 M1，但不會啟動 CR1，因為第 1 級和第 2 級之間的垂直觸點處於斷開狀態。如果 M1 已被鎖定，則微動按鈕是多餘的，不會對電路產生任何影響。
圖 6：傳統啟動-停止-微動控制器的梯形圖邏輯。啟動序列以黃色高亮顯示。
影片 3：傳統的啟動-停止-微動控制器。請注意，作業按鈕不會釋放閂鎖器。
技術提示：圖 6 是一個激進的電路，展示了繼電器系統的優勢。它簡單可靠，但也違反了許多與 PLC 程式設計相關的梯形圖邏輯規則。例如，垂直的 CR1 觸點連接在 PLC 軟體中是不允許的。許多 PLC 教材專門用一章來講解 PLC 程式設計規則，這本身就有些矛盾。想必這樣做是為了糾正那些習慣使用繼電器的人的「壞習慣」。然而，我懷疑過去十年這種情況是否有所改變，因為許多教育工作者過於關注 PLC，而忽略了繼電器、接觸器和馬達起動器。
方案 4：改良的啟動-停止-微動控制器
我們最終的啟動-停止-微動控制器如圖 7 所示。此控制器滿足本文開頭所述的所有行為要求。電路反應迅速、可預測，並且放開點動按鈕即可開啟閂鎖器。
此電路包含一個用於 CR1 的傳統閂鎖器，如圖 7 中梯級 1 和 2 所示。仔細分析表明，該閂鎖器可以透過停止按鈕、微動按鈕或馬達起動器過載保護電路的熱跳閘來釋放。
電路的其餘部分在第 3 和第 4 層圖中展示。這裡我們可以看到馬達起動器會回顯 CR1 或微動指令。此電路的獨特之處在於馬達微動器並非閂鎖機制的一部分。因此，如影片 4 所示，此電路對使用者輸入的反應速度最快。與圖 6 中等待 CR1 和 M1 同時響應不同，電路完全透過 CR1 啟動閂鎖。
圖 7：改良型啟動-停止-微動控制器的梯形圖邏輯。當放開點動按鈕時，閂鎖器會釋放。
如圖 7 所示，該電路更接近我們通常認為的「正確」梯形圖邏輯。例外之處在於 CR1 和 M1 線圈右側的合併。這是一個重要的考慮因素，因為過載事件會阻止 M1 工作並釋放 CR1 上的閂鎖器。就我個人而言，我認為圖 7 的電路易於建構。它的佈局更線性，只有一個「不合法」的垂直連接。這比圖 6 複雜的梯級間連接好得多。在圖 7 中，電流沿著一個方向流動，而圖 6 中至少有一個接點的電流方向是相反的。
影片 4：改良的啟動、停止和微動電路，滿足所有定義的行為。
技術提示：梯形圖中元素的「正確」放置有一些約定。過載觸點就是一個很好的例子。在美國，觸點通常放置在馬達接點的右側。其他區域可能會將觸點放置在梯級的開頭。在電氣上，它們執行相同的功能，但有些人會發現這種佈局令人反感。有時，「正確」的放置會內建在馬達啟動器中，並在接觸器線圈和常閉觸點之間進行內部連接。這些可能位於接觸器和過載塊之間的組裝或跳線套件的內部。其他馬達啟動器可能已預先接線，如圖 8 所示的 Siemens 裝置。
圖 8：這款由 Siemens 製造的 14DUD32AC 馬達起動器已預先接線，其熱過載保護模組直接連接到線圈。因此，發生過熱事件時，線圈將自動斷開。
結論
本工程簡報探討了多種基於繼電器的啟動-停止-微動控制器。掌握這些資訊後，您現在可以從使用者介面體驗和底層電路的角度描述這些控制器。更重要的是，您可以開始從人因工程的角度描述每個控制器。這是電子設計中至關重要卻又常被忽略的面向。您是否認同人因工程是設計者與操作者之間一種無形的語言？您是否認同使用者介面中蘊含的隱性語言會對工廠的安全性和可靠性產生深遠的影響？
我們鼓勵您搭建每個電路，以便更好地理解其工作原理，並更好地體會使用者與控制器的互動方式。同時，我們也鼓勵您回答本簡報最後的問題和批判性思考題。
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原文作者: Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey