安科瑞 鮑靜君

摘要：本文介紹了種以ARM為核心的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器,，設(shè)計(jì)了相關(guān)信號(hào)處理電路,、顯示電路、I/O控制電路及通信電路,，編寫(xiě)了相關(guān)電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)算法軟件,。市場(chǎng)應(yīng)用表明，該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能夠保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行,。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)易型,；電動(dòng)機(jī)保護(hù)器；ARM

 0,、引言

  隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器正朝著智能化、數(shù)字化,、綜合化的方向發(fā)展,。目前，市場(chǎng)上常規(guī)的綜合型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器大都具備了比較齊全的保護(hù)功能,，但體積較大,、安裝不便且價(jià)格十分昂貴，這使得綜合型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的推廣受到很大局限,。在采礦場(chǎng)所,，受到現(xiàn)場(chǎng)空間限制，且只需要基本的電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能,，為解決上述問(wèn)題,，研制種符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并且高性價(jià)比的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器很有必要。本文以ARM為處理器,，開(kāi)發(fā)了款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的簡(jiǎn)易型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器,。

1、設(shè)計(jì)依據(jù)及功能

簡(jiǎn)易型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器包括以下功能：

  （1）基本保護(hù)功能：斷相,、啟動(dòng)超時(shí),、反時(shí)限過(guò)載、接地,、三相不平衡,、堵轉(zhuǎn)、阻塞,、短路,、過(guò)壓等保護(hù)功能，符合GB14048.4,、GB14048.6等標(biāo)準(zhǔn),。

  （2）選配保護(hù)功能：可選配外部故障、漏電,、定時(shí)限過(guò)載,、欠載、欠壓等保護(hù)功能,，符合GB14048.4,、GB14048.6等標(biāo)準(zhǔn)。

  （3）測(cè)量和通信功能：可測(cè)量三相電流,、剩余電流,、三相電壓；具有RS485通信接口,，采用Modbus通信協(xié)議,，通信符合GBZ19582.1,、GBZ19582.2標(biāo)準(zhǔn)。

  （4）DI/DO,、變送輸出功能：支持2路DI,、4路DO；支持1路4~20mA變送輸出,。

  （5）安裝方式：采用導(dǎo)軌安裝或螺絲固定安裝,，3種額定電流規(guī)格分別為5A、25A,、100A,。

2、硬件方案

  簡(jiǎn)易型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用低成本設(shè)計(jì)方案,，整個(gè)系統(tǒng)由中央處理單元,、電源模塊、信號(hào)處理單元,、按鍵模塊,、顯示模塊、I/O控制模塊,、變送輸出模塊,、通訊模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。介紹了信號(hào)處理單元和控制模塊,。

圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1信號(hào)處理單元

  信號(hào)處理單元電路如圖2所示，經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref將傳感器檢測(cè)的信號(hào)抬升,，限定在0~3.3V信號(hào)內(nèi),，輸入中央處理單元，實(shí)現(xiàn)交流采樣,。為保證交流采樣的精度,，采用了分檔處理交流信號(hào)的方式，在輸入大信號(hào)時(shí),，信號(hào)經(jīng)過(guò)抬升并濾波后直接進(jìn)入CPU進(jìn)行采樣處理,；在輸入小信號(hào)時(shí)，信號(hào)抬升后需經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器信放大并濾波后進(jìn)入CPU進(jìn)行采樣處理,。

圖2信號(hào)處理單元電路

2.2控制模塊

  控制模塊由開(kāi)關(guān)量輸入和繼電器輸出構(gòu)成,。開(kāi)關(guān)量輸入采用保護(hù)器內(nèi)部提供的15V電源供電，并采用光耦隔離來(lái)增強(qiáng)開(kāi)關(guān)量輸入抗干擾性和滿足保護(hù)器工頻耐壓的要求,，開(kāi)關(guān)量輸入用于外部開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測(cè),。繼電器輸出采用性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)的繼電器,。繼電器輸出電路示意圖如圖3所示,，為了增強(qiáng)抗干擾的要求,，采用光耦進(jìn)行隔離，ULN2003A可以輸出500mA電流,，可承受50V電壓,，內(nèi)部集成的續(xù)流二極管為繼電器線圈斷電瞬間產(chǎn)生的較高感應(yīng)電壓提供了續(xù)流回路，繼電器輸出用于故障脫扣,、故障報(bào)警和遠(yuǎn)程起動(dòng)等信號(hào)的輸出。

圖3繼電器輸出電路

3,、軟件方案

  保護(hù)器的主程序流程圖如圖4所示,，主要包括A/D采樣、計(jì)算顯示,、基本保護(hù),、按鍵處理、I/O控制,、變送輸出及通信等程序,。主程序采用模塊化設(shè)計(jì)，具有可移植性強(qiáng)的特點(diǎn),。

圖4主程序流程

  主程序經(jīng)過(guò)初始化后,，執(zhí)行A/D采樣程序。在A/D采樣程序中對(duì)電動(dòng)機(jī)三相電流,、三相電壓,、剩余電流進(jìn)行采樣，采樣周期結(jié)束后,，根據(jù)采樣得到的電動(dòng)機(jī)三相電流值,、三相電壓值、剩余電流值計(jì)算當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的電流值和電壓值,，隨后判斷當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),，當(dāng)電動(dòng)機(jī)此時(shí)為運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行電動(dòng)機(jī)保護(hù)子程序,。

  在保護(hù)子程序中,，根據(jù)采樣計(jì)算得到的電流值電壓值判斷電動(dòng)機(jī)是否有故障發(fā)生，若*發(fā)生則返回主程序,，若有故障發(fā)生時(shí),，判斷發(fā)生哪種類型電動(dòng)機(jī)故障，執(zhí)行相應(yīng)的故障處理,，并將故障類型在保護(hù)器界面上顯示,。

  保護(hù)子程序執(zhí)行后，進(jìn)入顯示值計(jì)算子程序,，計(jì)算三相電流,、平均電流,、三相電壓及剩余電流等參數(shù)顯示值。顯示值計(jì)算子程序執(zhí)行后,，進(jìn)入按鍵處理子程序,，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

  按鍵處理子程序執(zhí)行后,，進(jìn)入顯示子程序,。在沒(méi)有按鍵處理時(shí)，顯示電動(dòng)機(jī)當(dāng)前平均電流值,；在有按鍵處理時(shí),，顯示與按鍵功能相對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí),，顯示相應(yīng)故障碼及故障報(bào)警脫口指示燈,。

  顯示子程序執(zhí)行后，進(jìn)入I/O控制程序,，在電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí),，控制繼電器輸出常閉觸點(diǎn)脫扣斷開(kāi)，切斷電動(dòng)機(jī)供電,，使電動(dòng)機(jī)停車,。I/O控制程序執(zhí)行后，進(jìn)入變送輸出子程序,，可選擇三相電流,、平均電流、三相電壓,、頻率中任參數(shù)轉(zhuǎn)換成4~20mA模擬信號(hào)輸出,。

  變送輸出子程序執(zhí)行結(jié)束后，進(jìn)入通信子程序,。首先判斷是否接收到上位機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù),，接收到命令數(shù)據(jù)后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議判斷命令中地址碼是否為保護(hù)器本機(jī)地址,，若是本機(jī)地址,，向上位機(jī)回送相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)。

4,、應(yīng)用實(shí)例

  某水泥廠由于水泥生產(chǎn)流程復(fù)雜,，電動(dòng)機(jī)裝置數(shù)量較多，選用簡(jiǎn)易型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù),，既能使電動(dòng)機(jī)充分發(fā)揮其過(guò)載能力,，又能提高電力拖動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性。水泥廠采用保護(hù)器用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制回路,，取代熱繼電器等作為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)和控制元件,，并且利用通訊技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)中電動(dòng)機(jī)設(shè)備控制的自動(dòng)化，使水泥廠大型設(shè)備的電動(dòng)機(jī)得到了有效保護(hù)和控制,。

5,、結(jié)語(yǔ)

  隨著電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求在不斷地變化,。針對(duì)市場(chǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的需求,，研發(fā)了款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的簡(jiǎn)易型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。簡(jiǎn)易型保護(hù)器是以ARM為核心的智能化,、數(shù)字化電動(dòng)機(jī)保護(hù)器,，對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)生起動(dòng)超時(shí)、過(guò)載,、斷相、欠載,、不平衡,、堵轉(zhuǎn)、阻塞,、短路,、過(guò)壓、欠壓等故障時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù),，保證了工業(yè)設(shè)備能夠安全可靠地運(yùn)行,。

  文章來(lái)源：《電氣時(shí)代》2017年12期。

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