郭浩1 李紅軍2 陸偉青3

（1. 郭浩，安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

（2. 李紅軍，北方特種能源集團(tuán)西安慶華 西安 710025）

（3. 陸偉青，安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

    摘要：采用Freescale公司Coldfire-V0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256芯片，設(shè)計了一款高性能的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器，并對該保護(hù)器的硬件和軟件設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。該保護(hù)器集眾多保護(hù)功能于一體，提高了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性，減少了因電動機(jī)運(yùn)行故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。 

    0 引言

    現(xiàn)代工礦企業(yè)中，以電動機(jī)作為動力的比例占全部動力的90%以上，它們已是當(dāng)今生產(chǎn)活動和日常生活中最主要的原動力和驅(qū)動裝置[1,2]，為此檢測與保護(hù)電動機(jī)的正常運(yùn)行有著非常重要的意義。保護(hù)器經(jīng)歷了熱繼電器、熔斷器、電磁式電流繼電器、模擬電子式電機(jī)保護(hù)器，最后發(fā)展到數(shù)字電子式電機(jī)保護(hù)器即當(dāng)今的智能電機(jī)保護(hù)器。本文設(shè)計了一款針對電動機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等情況進(jìn)行保護(hù)的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器（以下簡稱ARD2L），可有效提高電動機(jī)運(yùn)行的安全性，降低生產(chǎn)損失，是傳統(tǒng)熱繼電器的理想替代品[3]。

    1 硬件設(shè)計

    ARD2L的硬件電路包括主控芯片MCU，頻率信號、電流信號、零序電流信號采集電路，開關(guān)量輸入模塊，繼電器輸出模塊，變送輸出模塊，RS-485通訊接口，人機(jī)交互單元（狀態(tài)指示燈、數(shù)碼管/液晶顯示），硬件電路框圖如圖1所示。

圖 1 ARD2L硬件電路框圖

    1.1 主控芯片

    MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達(dá)50.33MHz，內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、4個獨(dú)立16位A/D通道、3路定時器、3路SCI通訊接口以及內(nèi)置RTC時鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，具有極高的性價比。

    1.2 電源

    電源是設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分，ARD2L采用安科瑞的通用開關(guān)電源模塊。該模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對不同供電電壓的要求。其輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％；電源輸入部分設(shè)計加入壓熱敏電阻、TVS管、防反接二極管等器件，對過壓、過流等有一定的保護(hù)作用，同時能使產(chǎn)品通過嚴(yán)酷的EMC測試。該模塊經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力[4]。

    1.3 信號采集電路

    信號采集電路負(fù)責(zé)采集電流信號、頻率信號和零序電流信號。其中，電流信號采用互感器隔離輸入，將交流信號抬高后送入CPU進(jìn)行軟件差分運(yùn)算，電流采樣電路如圖2所示。以A相6.3A規(guī)格為例，采用的電流互感器變比為100A：20mA，5P10保護(hù)型。該方案電流測量在1.2倍范圍內(nèi)達(dá)到0.5S精度，在8倍范圍內(nèi)滿足5S精度，而其過載能力按8倍計算，即給互感器加上50.4A電流，通過取樣電阻R1的電流為10.08mA，兩端電壓為0.886V。同時，給采樣信號抬高電壓UREF=1.2V，使交流信號的幅值大于零，便于A/D采樣；在電路的輸出端加入限壓二極管，使輸入電壓限制在3.3V以下，能對A/D采樣通道起到很好的保護(hù)作用。

圖2 電流采樣電路圖

    頻率采樣電路如圖3所示。該電路采用MCP6002雙運(yùn)放進(jìn)行兩級放大，初級放大倍數(shù)較小，且在初級與次級之間進(jìn)行濾波處理，次級運(yùn)放將交流信號整形為方波信號，通過邊沿觸發(fā)方式捕捉，然后在CPU內(nèi)部計算測量頻率。

圖3 頻率采樣電路圖

    1.4人機(jī)交互界面

    人機(jī)交互界面的顯示采用數(shù)碼管或液晶兩，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇顯示方式，輸入采用按鍵方式。其中，數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，其驅(qū)動電路采用74HC595和三極管構(gòu)成；液晶顯示采用拓普威公司LM12832BCW的128點(diǎn)陣中文液晶，其數(shù)據(jù)傳輸采用SPI串口，可極大地節(jié)省CPU資源。同時，LED和LCD顯示采用同一個SPI接口控制，使得兩種顯示方式可以通用。

    1.5 控制模塊

    控制模塊主要由開關(guān)量輸入、輸出組成，如圖4所示。其中，開關(guān)量輸入用于監(jiān)測斷路器、接觸器的開關(guān)狀態(tài)和采集現(xiàn)場的工業(yè)聯(lián)鎖狀態(tài)，也可根據(jù)客戶要求用于電動機(jī)的起停控制；開關(guān)量輸出主要用于輸出脫扣信號、報警信號和遠(yuǎn)程起/停信號。

圖4 開關(guān)量輸入輸出電路

    1.6 通訊/變送模塊

    通訊模塊采用RS-485模塊Modbus RTU通訊規(guī)約，能實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能。而變送是將我們需要的電流信號轉(zhuǎn)換為DC 4~20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    2 軟件設(shè)計

    ARD2L的軟件設(shè)計主要采用嵌入式C語言，其中保護(hù)器軟件設(shè)計包括每次上電系統(tǒng)配置的初始化，按鍵寄存器復(fù)位，判斷顯示單元是數(shù)碼還是液晶，繼電器置位初始狀態(tài)，A/D采樣初始化以及電參量的計算與保護(hù)等。軟件的主函數(shù)如下：

    void main(void)

    {

    DisableInterrupts;

    MCU_initi(); //CPU初始化

    if(_RES==0) //判斷是數(shù)碼管或液晶顯示

    led_or_lcd=0;

    else

    {

    led_or_lcd=1;

    PTBDD_PTBDD2=1;

    PTDDD_PTDDD4=1;

    lcd_init2();

    }

    recover_FIRSTFLAG(); //恢復(fù)內(nèi)存校表數(shù)據(jù)

    if(FIRSTFLAG!=0x1234){init_flash();}

    else recover_byte();

    initi_uart2();

    relay_all_initi(); //繼電器至位初始狀態(tài)

    EnableInterrupts //啟動中斷

    Vref_init();

    sampling_init(); //AD采樣初始化

    for(;;)

    {

    __RESET_WATCHDOG();

    if(over_flag==1) //計算及保護(hù)

    {

    over_flag=0;

    measure_ABC();

    protect();

    sent(); // 變送輸出

    }

    measure_frequency_a(); // 測頻

    rtc_time_deal();

    warning_deal();

    trouble_deal();

    program1(); // 繼電器可編程處理

    event_deal();

    getkey();

    DI_read();

    reset(); // 復(fù)位

    lamp_deal();

    stat(); // 統(tǒng)計總運(yùn)行時間、停車時間

    display(); // 測量數(shù)據(jù)和保護(hù)事件顯示

    }

    }

    ARD2L的軟件流程主要包括A/D信號采集程序、TPM測頻程序、電參量計算程序、保護(hù)處理程序、各種通訊協(xié)議處理程序等，部分程序流程如圖5。

圖 5 主程序流程圖（部分）

    3 測試結(jié)果與精度驗(yàn)證

    3.1電流準(zhǔn)確度測試結(jié)果

    電流準(zhǔn)確度測試源采用南京丹迪克的DK-34B1交流采樣變送器，其中對基波的測試是通過加40%畸變率的3次諧波進(jìn)行的。表1測試了6.3A規(guī)格的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器三相電流的有效值與基波值，由表中數(shù)據(jù)可看出，ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器在10%~120%Ie測量范圍內(nèi)的精度滿足0.5級，Ie為電機(jī)額定功率[5]。

    表1 ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器三相電流測試結(jié)果

    3.2保護(hù)時間測試結(jié)果

    ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器具備起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等保護(hù)功能，根據(jù)JB/T 10736-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了保護(hù)時間測試，見表2。

    表2 ARD2L保護(hù)時間測試結(jié)果

    起動超時：

    阻塞保護(hù)：脫扣域值（250%）

    欠載保護(hù)：脫扣域值（50%）

    不平衡保護(hù)：脫扣域值（30%）

    接地/漏電保護(hù)：脫扣域值（80%或30mA）

    短路保護(hù)：脫扣域值（500%）

    斷相保護(hù)：

    外部故障：

    由表2可知，該保護(hù)器滿足脫扣延時保護(hù)時間誤差為±10%或100mS的精度要求[6]。

    4 典型應(yīng)用

    采用直接起動模式的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器接線如圖6所示。其中，電機(jī)的起停是通過現(xiàn)場按鈕來控制的(保護(hù)器本身不控制電機(jī)起停），接觸器KM的吸引線圈串進(jìn)脫扣繼電器的常閉觸點(diǎn)。通電后，按下起動按鈕SF 時，KM吸引線圈得電，使KM主觸頭閉合，電動機(jī)開始工作；按下停車按鈕SS時，KM吸引線圈失電，使KM主觸點(diǎn)釋放，電機(jī)停止工作。遠(yuǎn)程起動必須要由上位機(jī)來控制，保護(hù)器本身不控制。

圖6 ARD2L電機(jī)保護(hù)器直接起動模式接線圖

    5 結(jié)束語

    本文采用EM256設(shè)計了一款高性能、多功能的ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器，并對其電源、信號采集、輸入輸出控制等硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過軟件主函數(shù)和流程圖分析了保護(hù)器運(yùn)行過程。電流準(zhǔn)確度與保護(hù)時間的測試結(jié)果表明，該保護(hù)器具有優(yōu)異的測量與保護(hù)功能。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 馬新軍，電機(jī)保護(hù)器設(shè)計，碩士學(xué)位論文，東北大學(xué)，2005.

    [2] 丁金磊，基于ARM的電動機(jī)綜合保護(hù)器裝置設(shè)計，碩士學(xué)位論文，2008.

    [3] 安科瑞電氣股份有限公司，ARD2智能電動機(jī)保護(hù)器選型手冊，2013.

    [4] 任志程，周中，電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，中國電力出版社，2007.

    [5] ARD3系列智能電動機(jī)保護(hù)器，上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Q/TDEI 27-2011

    [6] JB/T 10736-2007 低壓電動機(jī)保護(hù)器.<