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摘 要：傳統(tǒng)的電機過載保護采用熱繼電器，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用微處理器來計算負荷不僅能夠迅速反應電動機各種故障，而且很容易加入其它控制條件。本文介紹了一種以瑞薩公司H8/3687FP單片機為核心，研制的一款高性價比的ARD3型智能低壓電動機保護器。
關(guān)鍵詞：電動機保護器；ARD3型；H8/3687FP；保護功能；Modbus
0 引言
傳統(tǒng)的電機過載保護采用熱繼電器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于熱元件本身特性的差異，精度較差，反應慢。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用微處理器來計算負荷不僅能夠迅速反應電動機各種故障，而且很容易加入其它控制條件，例如，電機熱容量，散熱條件等因素，使它能更準確及時反映電機狀況實施有效保護。近年來隨著電子式、智能化、通訊等方面的迅猛發(fā)展，使得微機化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化成為電動機保護器研究發(fā)展的方向。本文以瑞薩公司的H8/3687FP單片機為核心，研制了一款高性價比的ARD3低壓電動機保護器。
1 產(chǎn)品功能特點
根據(jù)現(xiàn)有市場上電動機保護器的功能特點及實際需求，確定ARD3電動機保護器包括如下功能：
1） 基本保護功能：斷相、過載、欠載、三相不平衡等保護功能，符合IEC94704-1、IEC947-4-2及GB14048.4、GB14048.6等標準；
2） 派生保護功能：根據(jù)需要可配有剩余電流保護、溫度保護、過壓保護、欠壓保護、欠功率保護、相序保護、失電重起等保護功能；
3） 可測量數(shù)據(jù)和通訊功能：可測量三相電流、剩余電流、三相電壓，RS485通訊接口，采用Modbus通訊協(xié)議；
4） 人機交互功能、故障記錄功能、自帶I/O端口實現(xiàn)直接起動、星—三角起動、變頻起動等電動機起動方式；
5） 安裝方式采用導軌安裝，額定電流（A）規(guī)格分為：1.6～6.3、6.3～25、25～100、63～250、250～800五種規(guī)格。
6） 電磁兼容：符合以下標準：GB/T17626.2-1998，GB/T17626.3-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T17626.5-1998，GB/T17626.6-1998。
2 設計方案
根據(jù)產(chǎn)品功能，ARD3電動機保護器要完成：測量電動機三相電流、三相電壓、剩余電流，判斷電動機各種故障，根據(jù)不同故障保護電動機，顯示所有測量參數(shù)、故障代碼、功能菜單，與上位機通訊等功能，經(jīng)過方案論證，采用瑞薩公司的H8/3687單片機。
H8/3687單片機擴充了內(nèi)置閃存、引腳數(shù)少和封裝小的H8/300H Tiny單片微控制器陣容，具有一個增強的計時器和若干通信功能，片內(nèi)有大容量高速閃存存儲器，EMI噪音低，功耗低以及可提供各種低成本的開發(fā)工具。可廣泛應用無線通信和網(wǎng)絡通信、汽車電子、工業(yè)控制以及消費類電子產(chǎn)品
產(chǎn)品基本功能如下：16位高速H8/300H CPU在目標碼級與H8/300 CPU向上兼容；H8/3687具有64K FLASH，2K RAM；通用寄存器：16×16；基本指令62種；外圍功能：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、IIC接口、8路10位A/D、多功能定時器：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；I/O端口：I/O腳：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）。只作為輸入的引腳：8個輸入引腳（也可以用作模擬量輸入）；片上復位電源POR電路，片上低電壓檢測電路（LVD）。
單片機選定后，確定測量電動機三相電流、三相電壓、剩余電流的測量電路，按鍵、顯示部分的電路，I/O控制電路，通訊電路的方案。系統(tǒng)功能，
設計采用交流采樣時考慮的技術(shù)有幾個方面：
1）采樣周期應遠小于被測信號周期，這對于工頻電流信號是不成問題的，因為目前單片機的處理速度已經(jīng)足夠。
2）要從硬件上避免采樣信號畸變，這就需要從幾個方面來努力: ①保證電流互感器在測量范圍內(nèi)輸出的電壓信號波形失真小。②電流互感器的采樣信號到單片機輸入接口往往需要比例放大，這就要求信號變換電路失真要小。③防止噪聲干擾，一般的做法是在單片機輸入口加一個高頻旁路電容。交流采樣線路中除去了阻容濾波電容，因而在響應速度方面比直流采樣有極大改善，特別對于那些對響應特性要求較高的隨動系統(tǒng)非常有益。具體采用哪種采樣處理在實際使用中應權(quán)衡利弊，綜合考慮才能作出選擇。
考慮到電動機保護器的實際應用，軟件中對電動機三相電流、三相電壓、剩余電流采用交流采樣算法處理，這樣不但可以簡化硬件電路，節(jié)省成本減小系統(tǒng)空間，而且測量的精度要比直流采樣高。硬件電路中采用全波處理，加放大電路，放大后的信號直接進入單片機A/D單元。通過單片機計算出的電壓、電流信號有效值，作為來判斷保護器各種故障的依據(jù)。
按鍵處理電路采用并入串出芯片74HC165這樣可以節(jié)省單片機的I/O口數(shù)，通過按鍵可以設置電動機額定電流、額定電壓、額定功率、過載等級、起動時間等參數(shù)。同理為了節(jié)省單片機I/O口顯示部分采用74HC595芯片，顯示采用4位一體數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)正常運行時，數(shù)碼管顯示當前電動機三相電流、三相線電壓，通過按鍵來查看各分相的電壓電流；有故障時，顯示故障代碼，將故障原因、發(fā)生故障時的電流值、電壓值、電動機運行時間存入EEPROM中實現(xiàn)故障記錄功能，并在保護器面板上配有過載，斷相、不平衡等故障報警指示燈方便用戶使用。
I/O控制電路涉及到開關(guān)量輸入和繼電器輸出。開關(guān)量輸入部分屬于控制部分，按照安全要求采用+24V電源（由保護器內(nèi)部提供）供電，為了增強抗干擾和滿足產(chǎn)品工頻耐壓要求采用光耦進行隔離。因為固態(tài)繼電器具有壽命長、性能穩(wěn)定，無火花等特點，所以輸出部分繼電器采用固體繼電器。為了防止在繼電器線圈斷電瞬間產(chǎn)生較高的感應電壓，從而破壞電路，在繼電器線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，采用光耦與單片機引腳隔離。
ARD3具有通訊功能，可以和PC組成網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，可以將保護器各種信息、運行狀態(tài)、故障原因、故障時間、運行時間的參數(shù)等參數(shù)傳送給PC機，也可以通過PC機設置保護器各種參數(shù)。通訊電路中采用RS485接口，通訊部分利用RS485接口的特點采用硬件自動控制收發(fā)電路，不用單片機進行控制以減輕單片機的負擔，為滿足工頻耐壓得要求制作PCB時做好隔離措施。
3 軟件設計
本產(chǎn)品的主軟件流程圖如圖3所示，主程序包括A/D子程序、基本保護子程序、計算顯示子程序、按鍵處理子程序、通訊自程序等自程序，由于程序內(nèi)容較多，現(xiàn)只給出主程序流程和保護子程序流程圖。
開始
初始化
A/D超時？
調(diào)A/D子程序
不計此次采樣值
計算基本參數(shù)
電動機運行？
保護子程序
計算顯示值子程序
處理按鍵子程序
顯示子程序
I/O控制子程序
通訊子程序
Y
N
Y
N
程序采用模塊化設計，可讀性、可移植性強。闡述各子程序功能：
主程序初始化后，進入A/D采樣程序。在A/D采樣子程序中完成對電動機三相電流、三相電壓、剩余電流的采樣工作，完成采樣后采用平均值濾波，提高系統(tǒng)抗干擾性能。A/D采樣后判斷采樣時間是否超過正常采樣時間，超過此時間不將此次采樣值計入計算基本參數(shù)子程序中。A/D采用完成后，根據(jù)采樣得到的電動機三相電流值、電壓值、剩余電流值計算目前電動機的電流、電壓值，然后判斷此時電動機是否處于運行狀態(tài)。如果此時電動機已經(jīng)開始運行，就進入保護子程序。
在保護子程序中，根據(jù)采樣計算值判斷電動機是否有故障，沒有則返回主程序；有就向下執(zhí)行，判斷是何種故障，進入故障處理，將故障原因在ARD3電動機保護器面板和通訊中進行顯示，并且將故障記錄起來，保護子程序如圖4所示。
開始
是否有故障？
故障顯示
事件記錄
返回
執(zhí)行故障處理功能
圖4 保護子程序
保護子程序執(zhí)行后，進入顯示處理子程序，在顯示處理子程序中為下面的顯示子程序提供要顯示的數(shù)據(jù)值。執(zhí)行完顯示處理子程序后進入按鍵處理子程序，在按鍵處理子程序中實現(xiàn)人機交互，可以設定、修改、查看電動機保護器各項參數(shù)以及顯示當前電動機電流、電壓值。
按鍵處理子程序執(zhí)行后，進入顯示子程序，顯示子程序在電動機正常運行且沒有按鍵處理的情況下，顯示電動機當前的電流、電壓值，可以通過按鍵來查看不同相的電壓、電流值；電動機正常時有按鍵動作的情況下，顯示與按鍵功能相應得數(shù)值；當電動機有故障時，顯示故障代碼并帶有指示燈報警顯示。顯示處理子程序結(jié)束后，進入通訊處理子程序，在通訊處理子程序中先判斷保護器是否接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)被接收到，就按照標準ModBus協(xié)議對數(shù)據(jù)進行判斷，先判斷是否是屬于本臺保護器，屬于就向上位機發(fā)送相應得數(shù)據(jù)。上位機接收到以后，判斷沒有錯誤開始和本臺保護器進行通訊。通訊處理子程序完全按照標準ModBus協(xié)議編寫。
4 抗干擾措施
ARD3電動機保護器設計時，在電磁兼容方面，要求符合以下標準：GB/T17626.2-1998 、GB/T17626.3-1998 、GB/T17626.4-1998、GB/T17626.5-1998 GB/T17626.6-1998。為實現(xiàn)此目標，就要在產(chǎn)品設計時做好抗干擾措施，本產(chǎn)品的采取的抗干擾措施如下：
4.1 硬件措施
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45º線，不走直角線。
4.2 軟件措施
各路信號采集均采用軟件濾波，增加采樣值的準確性，使用看門狗防止程序運行溢出。
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)品一次性通過3C安全認證型式試驗。
5 結(jié)論
本文介紹的以H8/3687單片機為核心的ARD3型電動機保護器，是新一代智能化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化的電動機保護器。ARD3保護器對電動機的過載、斷相、不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、欠載、溫度、欠電壓、過電壓、欠功率、剩余電流等故障導致的危害加以保護，最大限度地保證設備運行的可靠性與安全性。ARD3電動機保護器產(chǎn)品體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，在低壓控制終端柜和1/4模數(shù)計以上各種抽屜柜中可以直接安裝使用，而且具備完善的網(wǎng)絡通訊功能，可與接觸器，電動機起動器等電器元件構(gòu)成電動機控制保護單元，提高了控制回路的可靠性和自動化水平，適用于石油、電力、煤礦、造紙以及民用建筑等領域。
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