基于MCF51EM256的智能電動機保護器的設(shè)計及應(yīng)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(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256芯片，設(shè)計了一款高性能的ARD2L智能電動機保護器，并對該保護器的硬件和軟件設(shè)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(guān)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(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(dāng)今的智能電機保護器。本文設(shè)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(zhuǎn)、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(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50.33MHz，內(nèi)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(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(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(nèi)達到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U_REF=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(nèi)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(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等控制機組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)電動機運行的遠程監(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!=01234){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(fù)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(jié)果與精度驗證

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%I_e測量范圍內(nèi)的精度滿足0.5級，I_e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(jié)果

 

3.2保護時間測試結(jié)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(zhuǎn)、阻塞、外部故障等保護功能，根據(jù)JB/T 10736-2007標(biāo)準(zhǔn)進行了保護時間測試，見表2。

表2 ARD2L保護時間測試結(jié)果

起動超時：

 

阻塞保護：脫扣域值（250%）

 

欠載保護：脫扣域值（50%）

 

不平衡保護：脫扣域值（30%）

 

接地/漏電保護：脫扣域值（80%或30mA）

 

短路保護：脫扣域值（500%）

 

斷相保護：

 

外部故障：

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(yīng)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(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(zhǔn)確度與保護時間的測試結(jié)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(shù)》2014年 第3期

參考文獻：

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

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

[3] 安科瑞電氣股份有限公司，ARD2智能電動機保護器選型手冊，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系列智能電動機保護器，上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Q/TDEI 27-2011

[6] JB/T 10736-2007 低壓電動機保護器.

 

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