淺談ARD3電動機保護器設計原理

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(nèi)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(chǎn)品系列電流范圍齊全，產(chǎn)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)揮電動機的過載能力；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(wǎng)。
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
　　
ARD3電動機保護器采用交流采樣算法計算被測信號。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。

圖1　信號采集放大電路　　

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(nèi)，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?。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(chǎn)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。

圖2　開關量輸入電路Fig.2 Switching input circuit　　

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?，F(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?，三極管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。

圖3　繼電器控制電路Fig.3 Relay control circuit　　

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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品中考慮到產(chǎn)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。

圖4　通訊電路Fig.4 Communications circuit1.4CPU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(chǎn)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Fig.5 Cpu circuit　　因為A/D功能，IIC功能，RTC，定時器，看門狗等功能都已經(jīng)集成到芯片內(nèi)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： 圖6　程序流程Fig.6 Flow chart of software3　 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(chǎn)品軟硬件設計過程中采取如下措施提高產(chǎn)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(nèi)布線，數(shù)字信號數(shù)字區(qū)域內(nèi)布線，二者不進入彼此區(qū)域內(nèi)；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(nèi)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(chǎn)品的抗干擾性能大幅提高，本產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)電纜連接及現(xiàn)場施工量。