淺談ARD3電動機保護器設計原理

淺談ARD3電動機保護器設計原理

趙波¹周中¹黃少杰²
（1江陰安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405；2廣州造紙股份有限公司，廣東 廣州 510281）

摘    要：本文著重介紹ARD3電動機保護器的具體設計方法，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行詳細分析，結合各種實際應用的情況說明此處硬件是怎樣設計的，為什么這樣設計以及這樣設計的優(yōu)缺點。通常電動機保護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。
關鍵詞：電動機保護器；ARD3；保護功能；ModBus

Design of the ARD3 motor protector

ZHAO Bo¹, ZHOU Zhong ¹, HUANG Shao-jie ²
(1.Jiangyin Acrel Co.,Ltd, Jiangyin 214405;  2.Guangzhou Paper Co.,Ltd, Guangzhou 510281 )

Abstract: This paper highlights idiographic design methods of the ARD3 motor protector, gives hardware and software flow char diagram. According to hardware modules, the article starts description of the hardware modules schematic for detailed analysis, the combination of practical application note here is how to design the hardware, why this design and the advantages and disadvantages of this design. The conditions that motor protector usually works are poor, for the product more stable and reliable performance, needing to use some anti-jamming measures, described in the text of these anti-jamming measures in practical use has proved to be successful.
Key words: motor protector；ARD3；protect function；ModBus

0　 引言
　　隨著電子技術的發(fā)展，電動機保護器正向基于現(xiàn)場總線的智能型方向發(fā)展。我公司設計的ARD3電動機保護器立足于國內(nèi)先進水平，是具有智能保護和可通信功能的電動機保護器。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，可以達到10倍電機額定電流；采用先進的軟件算法和可靠的硬件設計，對電動機的過載、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、過壓、欠壓等故障進行有效判斷和可靠保護，過載保護采用計算分析當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；配有可編程開關量輸入、繼電器輸出，用于實現(xiàn)遠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；帶有標準RS-485接口ModBus通訊協(xié)議實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)。

1　 硬件設計
　　ARD3電動機保護器用H8/3687FP單片機實現(xiàn)電動機的保護功能。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成，下面分別對其中的關鍵部分作簡要介紹。
1.1  信號采集單元
　　ARD3電動機保護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作用。當輸入的信號在正常范圍內(nèi)，A1、A7不起作用，當輸入信號超出正常范圍（或有脈沖干擾信號出現(xiàn)）時，A1、A7導通，防止超出后級電路端口范圍的信號進入后級電路，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
 　　開關量輸入處理電路如圖2所示。電路開關量由IN1～IN7輸入，通過光藕后產(chǎn)生IS1～IS7，并行信號IS1～IS7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作用。

圖2　開關量輸入電路

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CPU輸出高電平時三極管QJ11不導通，OUT11不會輸出電流光藕不會導通，JT1也輸出高電平，QJ1不會導通繼電器不會動作。當CPU輸出低電平時三極管QJ11導通，OUT1輸出高電平使光耦導通， JT1變?yōu)榈碗娖?，三極管QJ1導通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”，嚴重時可影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在PCB板布局時應將繼電器盡量遠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資源簡化程序設計。

圖4　通訊電路

Fig.4 Communications circuit

1.4  CPU單元
　　CPU單元是電機保護器的核心單元。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，各種保護量計算，保護功能判斷處理，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
　　電動機保護器作為保護電動機裝置要具有很強的抗干擾性。在本產(chǎn)品軟硬件設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安全認證型式試驗。

4　 結論
　　ARD3電動機保護器采用先進的設計方案，集測量、保護、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。ARD3電動機保護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。

　　文章來源于：《繼電器》2008年第5期。

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作者簡介：
趙波（1982—），男，本科，主要從事電動機控制器的設計與應用；E-

周中（1968—），男，學士，主要從事智能配電系統(tǒng)的研究及應用；
 

黃少杰（1968—），男，學士，主要從事電氣設備項目管理。