ARD2L智能電動機保護器的設計及應用.doc

基于MCF51EM256的智能電動機保護器的設計及應用郭浩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架構內核的32位處理器MCF51EM256芯片，設計了一款高性能的ARD2L智能電動機保護器，并對該保護器的硬件和軟件設計方案進行詳細介紹。該保護器集眾多保護功能于一體，提高了電動機運行的可靠性，減少了因電動機運行故障帶來的經(jīng)濟損失。關鍵字：智能電動機保護器、MCF51EM256、ARD2L、保護時間0 引言現(xiàn)代工礦企業(yè)中，以電動機作為動力的比例占全部動力的90%以上，它們已是當今生產活動和日常生活中最主要的原動力和驅動裝置1,2，為此檢測與保護電動機的正常運行有著非常重要的意義。保護器經(jīng)歷了熱繼電器、熔斷器、電磁式電流繼電器、模擬電子式電機保護器，最后發(fā)展到數(shù)字電子式電機保護器即當今的智能電機保護器。本文設計了一款針對電動機在運行過程中出現(xiàn)的起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等情況進行保護的ARD2L智能電動機保護器（以下簡稱ARD2L），可有效提高電動機運行的安全性，降低生產損失，是傳統(tǒng)熱繼電器的理想替代品3。1 硬件設計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架構內核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達50.33MHz，內置256K的Flash、16K的RAM、4個獨立16位A/D通道、3路定時器、3路SCI通訊接口以及內置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 電源是設備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關鍵部分，ARD2L采用安科瑞的通用開關電源模塊。該模塊輸入電壓為AC85V265V，輸入頻率45Hz60Hz，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作用，同時能使產品通過嚴酷的EMC測試。該模塊經(jīng)現(xiàn)場實際使用，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責采集電流信號、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進行軟件差分運算，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保護型。該方案電流測量在1.2倍范圍內達到0.5S精度，在8倍范圍內滿足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雙運放進行兩級放大，初級放大倍數(shù)較小，且在初級與次級之間進行濾波處理，次級運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內部計算測量頻率。圖3 頻率采樣電路圖1.4人機交互界面人機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，其驅動電路采用74HC595和三極管構成；液晶顯示采用拓普威公司LM12832BCW的128點陣中文液晶，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量輸入、輸出組成，如圖4所示。其中，開關量輸入用于監(jiān)測斷路器、接觸器的開關狀態(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的起?？刂疲婚_關量輸出主要用于輸出脫扣信號、報警信號和遠程起/停信號。圖4 開關量輸入輸出電路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換為DC 420mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。2 軟件設計ARD2L的軟件設計主要采用嵌入式C語言，其中保護器軟件設計包括每次上電系統(tǒng)配置的初始化，按鍵寄存器復位，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(); /恢復內存校表數(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 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(); / 復位 lamp_deal(); stat(); / 統(tǒng)計總運行時間、停車時間 display(); / 測量數(shù)據(jù)和保護事件顯示 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 測試結果與精度驗證3.1電流準確度測試結果電流準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次諧波進行的。表1測試了6.3A規(guī)格的ARD2L智能電動機保護器三相電流的有效值與基波值，由表中數(shù)據(jù)可看出，ARD2L智能電動機保護器在10%120%Ie測量范圍內的精度滿足0.5級，Ie為電機額定功率5。表1 ARD2L智能電機保護器三相電流測試結果指標標準值6.3A規(guī)格A相B相C相有效值基波有效值基波有效值基波電流0.630.620.590.640.590.620.586.36.295.916.315.926.295.897.567.547.057.557.067.547.03 3.2保護時間測試結果ARD2L智能電機保護器具備起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等保護功能，根據(jù)JB/T 10736-2007標準進行了保護時間測試，見表2。表2 ARD2L保護時間測試結果起動超時：脫扣延時（S）0.110.0999.9第一次0.1109.950993.882第二次0.1179.965993.859第三次0.1199.961993.872 阻塞保護：脫扣域值（250%）脫扣延時（S）0.15.0600.0第一次0.1225.031596.455第二次0.1285.037596.458第三次0.1345.043596.431 欠載保護：脫扣域值（50%）脫扣延時（S）0.15.0600.0第一次0.1305.012596.401第二次0.1344.9965.96.393第三次0.1295.015596.349 不平衡保護：脫扣域值（30%）脫扣延時（S）0.15.0600.0第一次0.1265.003596.400第二次0.1315.009596.362第三次0.1215.007596.354 接地/漏電保護：脫扣域值（80%或30mA）脫扣延時（S）0.10.5600.0第一次0.1170.519596.444第二次0.1240.528596.432第三次0.1350.517596.416 短路保護：脫扣域值（500%）脫扣延時（S）0.110.0600.0第一次0.1359.973596.564第二次0.1339.969596.472第三次0.1369.967596.526 斷相保護：脫扣延時（S）0.11.0600.0第一次0.1241.036596.456第二次0.1381.033596.382第三次0.1321.035596.179 外部故障：脫扣延時（S）0.15.0600.0第一次0.1264.976595.711第二次0.1124.989595.801第三次0.1244.988595.836 由表2可知，該保護器滿足脫扣延時保護時間誤差為10%或100mS的精度要求6。4 典型應用采用直接起動模式的ARD2L智能電動機保護器接線如圖6所示。其中，電機的起停是通過現(xiàn)場按鈕來控制的(保護器本身不控制電機起停），接觸器KM的吸引線圈串進脫扣繼電器的常閉觸點。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，電動機開始工作；按下停車按鈕SS時，KM吸引線圈失電，使KM主觸點釋放，電機停止工作。遠程起動必須要由上位機來控制，保護器本身不控制。圖6 ARD2L電機保護器直接起動模式接線圖5 結束語本文采用EM256設計了一款高性能、多功能的ARD2L智能電機保護器，并對其電源、信號采集、輸入輸出控制等硬件電路進行了詳細介紹，通過軟件主函數(shù)和流程圖分析了保護器運行過程。電流準確度與保護時間的測試結果表明，該保護器具有優(yōu)異的測量與保護功能。 文章來源：電工技術2014年 第3期參考文獻：1 馬新軍，電機保護器設計，碩士學位論文，