淺談ARD3電動機保護器設計原理
趙波1，周中1，黃少杰2
(1.江陰安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405；2.廣州造紙股份有限公司，廣東 廣州 510281)
摘 要：本文著重介紹ARD3電動機保護器的具體設計方法，給出硬件原理圖和軟件流程圖。文章按照產品的各硬件功能模塊進行展開說明，介紹硬件功能模塊時，對硬件功能模塊原理圖進行詳細分析，結合各種實際應用的情況說明此處硬件是怎樣設計的，為什么這樣設計以及這樣設計的優(yōu)缺點。通常電動機保護器工作的條件比較惡劣，為使產品性能方面更加穩(wěn)定可靠，需要使用一些抗干擾措施，文中介紹的這些抗干擾措施在實際使用中被證明是成功的。
0 引言
隨著電子技術的發(fā)展，電動機保護器正向基于現(xiàn)場總線的智能型方向發(fā)展。我公司設計的ARD3電動機保護器立足于國內先進水平，是具有智能保護和可通信功能的電動機保護器。產品系列電流范圍齊全，產品系列額定電流范圍1.6～800A；可測量的電流范圍寬，可以達到10倍電機額定電流；采用先進的軟件算法和可靠的硬件設計，對電動機的過載、斷相、三相不平衡、堵轉、阻塞、過壓、欠壓等故障進行有效判斷和可靠保護，過載保護采用計算分析當前電動機的熱容量的方法，根據(jù)熱容情況判斷電動機的過載狀態(tài)，此種方法可以最大發(fā)揮電動機的過載力；
ARD3電動機保護器采用交流采樣算法計算被配有可編程開關量輸入、繼電器輸出，用于實現(xiàn)遠程主站對電動機運行狀態(tài)的遙信監(jiān)視和直接起動、自耦降壓、星-三角等起動方式；帶有標準RS-485接口ModBus通訊協(xié)議實現(xiàn)計算機聯(lián)網。
1 硬件設計
ARD3電動機保護器用H8/3687FP單片機實現(xiàn)電動機的保護功能。在硬件方面主要由三相電流信號采樣、漏電流采樣、電壓信號采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報警輸出、通信接口等幾部分構成，下面分別對其中的關鍵部分作簡要介紹：
1.1 信號采集單元
測信號。采樣方式是按一定周期(稱為采樣周期)連續(xù)實時采樣被測信號一個完整的波形(對于正弦波只需采樣半個周期即可)，然后將采樣得到的離散信號進行真有效值運算，從而得到被測信號的真有效值，這樣就避免了被測信號波形畸變對采樣值的影響。
信號采集單元的功能取樣、整流、放大互感器二次測的輸出信號，將這些信號轉換為單片機可處理的信號。ARD3電動機保護器中處理三相電流信號、剩余電流信號、電壓信號的信號采集放大電路原理都相同，現(xiàn)以一路電流信號采集放大電路為例說明電路工作原理。
信號采集放大電路如圖1所示。在圖中二極管A1、A7是雙向二極管，對后級電路起到過壓保護作用。當輸入的信號在正常范圍內，A1、A7不起作用，當輸入信號超出正常范圍(或有脈沖干擾信號出現(xiàn))時，A1、A7導通，防止超出后級電路端口范圍的信號進入后級電路，破壞后級A/D電路。CR1為取樣電阻，將從CT1輸出的電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘枴?/SPAN>LM324和CR4，CR7，CR10，CR13組成同相放大電路將電壓信號放大后輸入A/D轉換電路。
圖1中LM324采用雙電源供電，這樣可以保證LM324輸出電壓達到5V充分利用A/D轉換提高顯示精度。圖1中通過運放將輸入信號進行分檔處理，小信號從P1.0輸出大信號從P1.1輸出。這樣處理是因為：電動機保護器要處理的電流范圍很寬(要從電動機1倍額定電流到10倍額定電流)，分檔處理可以提高測量精度。
1.2 I/O單元
開 關量輸入處理電路如圖2所示。電路開關量由IN1～IN7輸入，通過光藕后產生IS1～IS7，并行信號IS1～IS7輸入到74HC165，通過74HC165將并行信號轉換為串行信號傳送給CPU。電阻R11～R18起到限流作用保護光耦中的二極管不被損壞。RS1～RS8是上拉電阻與電容CS～CS8配合使用既可以穩(wěn)定光耦輸出電平又可以在上電時對光耦起到保護作用。
繼電器控制電路如圖3所示。JDQ1～JDQ4與CPU連接，三極管QJ11～QJ14的供電電壓是+5V，三極管QJ1～QJ4的供電電壓是+24V。現(xiàn)以QJ11，QJ1這路控制電路來說明電路工作原理，當CPU輸出高電平時三極管QJ11不導通，OUT11不會輸出電流光藕不會導通，JT1也輸出高電平，QJ1不會導通繼電器不會動作。當CPU輸出低電平時三極管QJ11導通，OUT1輸出高電平使光耦導通， JT1變?yōu)榈碗娖剑龢O管QJ1導通OUT1輸出低電平使繼電器發(fā)生動作。圖3中二極管DJ1～DJ4作為繼電器續(xù)流二極管。
控制輸出部分可采用機電式繼電器或固體繼電器。前者價格便宜，市場產品豐富，驅動線路也比較簡單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點動作時會產生“火花”，嚴重時可影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在PCB板布局時應將繼電器盡量遠離單片機并靠近儀表的輸出端口。另外，在繼電器線圈兩端應并聯(lián)續(xù)流二極管，否則在繼電器線圈斷電瞬間會產生較高的感應電壓，從而破壞電路。固態(tài)繼電器具有壽命長、性能穩(wěn)定，無火花等特點，本產品中考慮到產品的可靠性要求采用固態(tài)繼電器。
1.3 通訊單元
通訊電路如圖4所示。通訊電路實現(xiàn)將CPU串口輸出電平轉換到RS485電平。本電路的巧妙之處在于數(shù)據(jù)收發(fā)直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節(jié)省CPU資源簡化程序設計。
1.4 CPU單元
CPU單元是電機保護器的核心單元。信號采集，各種報警處理，通信功能，顯示功能……都是由它來完成的。本產品采用的CPU芯片是瑞薩公司的H8/3687芯片，該芯片功能如下：62條基本指令； RTC(片上實時時鐘，可作為自由運算計數(shù)器使用)，SCI(異步或者時鐘同步串行通信接口)2路，1路IIC接口，8路10位A/D，８位定時器２個(Timer B1,TimerV)，16位定時器１個(TimerZ)，看門狗定時器，14位PWM，45個I/O引腳(H8/3687N有43個I/O引腳)，包括8個可直接驅動LED的大電流引腳(IOL=20mA,@VOL=1.5V)，片上復位電源POR電路，片上低電壓檢測電路(LVD)。該芯片有兩種封裝形式：LQFP-64(10mm×10mm)FP-64(14mm×14mm) 。CPU單元電路如圖5所示。
圖5 CPU電路
因為A/D功能，IIC功能，RTC，定時器，看門狗等功能都已經集成到芯片內部，所以CPU單元的外圍電路十分簡潔，各引腳只需外接增加端口驅動能力的上拉電阻和穩(wěn)定信號的濾波電容即可。
2 軟件設計
系統(tǒng)軟件要完成三相電流、1路剩余電流、三路電壓A/D，各種保護量計算，保護功能判斷處理，顯示電壓、電流，故障記錄，按鍵處理，通訊，變送等功能。只有合理安排程序流程來完成這些功能，保護器才能可靠工作，。程序流程圖如圖6所示：
3 抗干擾措施
電動機保護器作為保護電動機裝置要具有很強的抗干擾性。在本產品軟硬件設計過程中采取如下措施提高產品的抗干擾性：1硬件方面：電源部分加EMC濾波器，高頻變壓器次級與初級加高壓電容，輸出部分加濾波電路；信號采集部分增加濾波電路；在作信號處理的各芯片輸入口處加端口保護電路；在各芯片電源輸入處加去藕電容；繼電器兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，加光耦與CPU端口隔離；不使用的CPU端口定義為輸出狀態(tài)；PCB板布局時模擬部分與數(shù)字部分作分區(qū)處理，模擬信號在模擬區(qū)域內布線，數(shù)字信號數(shù)字區(qū)域內布線，二者不進入彼此區(qū)域內；布線時盡量加粗電源線與地線，信號線走線時走145º線，不走直角線；使用CPU內部看門狗監(jiān)控程序運行。2軟件方面：各路信號采集都使用軟件濾波，增加采樣值的準確性。通過采取一系列的措施，產品的抗干擾性能大幅提高，本產品一次性順利通過3C安全認證型式試驗。
4 結論
ARD3電動機保護器采用先進的設計方案，集測量、保護、控制、通訊于一身，產品性能安全可靠，可以對電動機實施可靠有效的保護。ARD3電動機保護器在實際使用中完全可以替熱繼電器、溫度繼電器等傳統(tǒng)的電動機保護產品，替代各種指針式電量表、信號燈、電量變送器等常規(guī)元件，簡化電動機控制電路，減少柜內電纜連接及現(xiàn)場施工量。
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作者簡介：
趙波(1982—)，男，本科，主要從事電動機控制器的設計與應用；E-mail:ZHAOBOQY11@163.COM
周中(1968—)，男，學士，主要從事智能配電系統(tǒng)的研究及應用；
黃少杰(1968—)，男，學士，主要從事電氣設備項目管理。
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