淺談ARD3電動機保護(hù)器設(shè)計原理

摘    要：本文著重介紹ARD3電動機保護(hù)器的具體設(shè)計方法，給出硬件原理圖和軟件流程圖。文章按照產(chǎn)品的各硬件功能模塊進(jìn)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(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合各種實際應(yīng)用的情況說明此處硬件是怎樣設(shè)計的，為什么這樣設(shè)計以及這樣設(shè)計的優(yōu)缺點。通常電動機保護(hù)器工作的條件比較惡劣，為使產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，電動機保護(hù)器正向基于現(xiàn)場總線的智能型方向發(fā)展。我公司設(shè)計的ARD3電動機保護(hù)器立足于國內(nèi)先進(jìn)水平，是具有智能保護(hù)和可通信功能的電動機保護(hù)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(dá)到10倍電機額定電流；采用先進(jìn)的軟件算法和可靠的硬件設(shè)計，對電動機的過載、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、過壓、欠壓等故障進(jìn)行有效判斷和可靠保護(hù)，過載保護(hù)采用計算分析當(dāng)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(guān)量輸入、繼電器輸出，用于實現(xiàn)遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)RS-485接口ModBus通訊協(xié)議實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)。

1　 硬件設(shè)計
　　ARD3電動機保護(hù)器用H8/3687FP單片機實現(xiàn)電動機的保護(hù)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(gòu)成，下面分別對其中的關(guān)鍵部分作簡要介紹。
1.1  信號采集單元
　　ARD3電動機保護(hù)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(jìn)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(zhuǎn)換為單片機可處理的信號。ARD3電動機保護(hù)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(hù)作用。當(dāng)輸入的信號在正常范圍內(nèi)，A1、A7不起作用，當(dāng)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(dǎo)通，防止超出后級電路端口范圍的信號進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)到5V充分利用A/D轉(zhuǎn)換提高顯示精度。圖1中通過運放將輸入信號進(jìn)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(hù)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(guān)量輸入處理電路如圖2所示。電路開關(guān)量由IN1～I(xiàn)N7輸入，通過光藕后產(chǎn)生IS1～I(xiàn)S7，并行信號IS1～I(xiàn)S7輸入到74HC165，通過74HC165將并行信號轉(zhuǎn)換為串行信號傳送給CPU。電阻R11～R18起到限流作用保護(hù)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(hù)作用。

圖2　開關(guān)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(dāng)CPU輸出高電平時三極管QJ11不導(dǎo)通，OUT11不會輸出電流光藕不會導(dǎo)通，JT1也輸出高電平，QJ1不會導(dǎo)通繼電器不會動作。當(dāng)CPU輸出低電平時三極管QJ11導(dǎo)通，OUT1輸出高電平使光耦導(dǎo)通， JT1變?yōu)榈碗娖?，三極管QJ1導(dǎo)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(qū)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(yán)重時可影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在PCB板布局時應(yīng)將繼電器盡量遠(yuǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(shè)計。

圖4　通訊電路

Fig.4 Communications circuit

1.4  CPU單元
　　CPU單元是電機保護(hù)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(qū)動LED的大電流引腳（IOL=20mA,@VOL=1.5V），片上復(fù)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(qū)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(shè)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(hù)量計算，保護(hù)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(hù)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 software

3　 抗干擾措施
　　電動機保護(hù)器作為保護(hù)電動機裝置要具有很強的抗干擾性。在本產(chǎn)品軟硬件設(shè)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(hù)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(jìn)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(zhǔn)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(rèn)證型式試驗。

4　 結(jié)論
　　ARD3電動機保護(hù)器采用先進(jìn)的設(shè)計方案，集測量、保護(hù)、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(hù)。ARD3電動機保護(hù)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(hù)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。

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