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    H83687FP单片机的电动机保护器设计

      发布时间:2018-03-11 00:06

      传统的电机过载保护采用热继电器,虽然结构简单,但由于热元件本身特性的差异,精度较差,反应慢。随着电子技术的发展,用微处理器来计算负荷不仅能够迅速反应电动机各种故障,而且很容易加入控制条件,例如,电机热容量,散热条件等因素,使它能更准确及时反映电机状况实施有效保护。

      近年来随着电子式、智能化、通讯等方面的迅猛发展,使得微机化、数字化、网络化成为电动机保护器研究发展的方向。本文以瑞萨公司的H8/3687FP单片机为核心,研制了一款高性价比的ARD3低压电动机保护器。

      2)派生保护功能:根据需要可配有剩余电流保护、温度保护、过压保护、欠压保护、欠功率保护、相序保护、失电重起等保护功能;

      3)可测量数据和通讯功能:可测量三相电流、剩余电流、三相电压,RS485通讯接口,采用Modbus通讯协议;

      4)人机交互功能、故障记录功能、自带I/O端口实现直接起动、星—三角起动、变频起动等电动机起动方式;

      5)安装方式采用导轨安装,额定电流(A)规格分为:1.6~6.3、6.3~25、25~100、63~250、250~800五种规格。

      根据产品功能,ARD3电动机保护器要完成:测量电动机三相电流、三相电压、剩余电流,判断电动机各种故障,根据不同故障保护电动机,显示所有测量参数、故障代码、功能菜单,与上位机通讯等功能,经过方案论证,采用瑞萨公司的H8/3687单片机。

      H8/3687单片机扩充了内置闪存、引脚数少和封装小的H8/300H Tiny单片微阵容,具有一个增强的计时器和若干通信功能,片内有大容量高速闪存存储器,EMI噪音低,功耗低以及可提供各种低成本的开发工具。可广泛应用无线通信和网络通信、汽车电子、工业控制以及消费类电子产品,见图1。

      产品基本功能如下:16位高速H8/300H CPU在目标码级与H8/300 CPU向上兼容;H8/3687具有64K FLASH,2K RAM;通用寄存器:16×16;基本指令62种;外围功能:RTC(片上实时时钟,可作为自由运算计数器使用)、SCI(异步或者时钟同步串行通信接口)2路、IIC接口、8路10位A/D、多功能定时器:8位定时器2个(Timer B1,TimerV)、16位定时器1个(TimerZ)、看门狗定时器;14位PWM;I/O端口:I/O脚:45个I/O引脚(H8/3687N有43个I/O引脚),包括8个可直接驱动LED的大电流引脚(IOL=20mA,@VOL=1.5V)。只作为输入的引脚:8个输入引脚(也可以用作模拟量输入);片上复位电源POR电路,片上低电压检测电路(LVD)。

      单片机选定后,确定测量电动机三相电流、三相电压、剩余电流的测量电路,按键、显示部分的电路,I/O控制电路,通讯电路的方案。系统功能,见图2所示。

      1)采样周期应远小于被测信号周期,这对于工频电流信号是不成问题的,因为目前单片机的处理速度已经足够。

      2)要从硬件上避免采样信号畸变,这就需要从几个方面来努力: ①保证电流互感器在测量范围内输出的电压信号波形失真小。②电流互感器的采样信号到单片机输入接口往往需要比例放大,这就要求信号变换电路失真要小。③防止噪声干扰,一般的做法是在单片机输入口加一个高频旁路电容。交流采样线路中除去了阻容滤波电容,因而在响应速度方面比直流采样有极大改善,特别对于那些对响应特性要求较高的随动系统非常有益。具体采用哪种采样处理在实际使用中应权衡利弊,综合考虑才能作出选择。

      考虑到电动机保护器的实际应用,软件中对电动机三相电流、三相电压、剩余电流采用交流采样算法处理,这样不但可以简化硬件电路,节省成本减小系统空间,而且测量的精度要比直流采样高。硬件电路中采用全波处理,加放大电路,放大后的信号直接进入单片机A/D单元。通过单片机计算出的电压、电流信号有效值,作为来判断保护器各种故障的依据。

      按键处理电路采用并入串出芯片74HC165这样可以节省单片机的I/O口数,通过按键可以设置电动机额定电流、额定电压、额定功率、过载等级、起动时间等参数。同理为了节省单片机I/O口显示部分采用74HC595芯片,显示采用4位一体数码管显示。系统正常运行时,数码管显示当前电动机三相电流、三相线电压,通过按键来查看各分相的电压电流;有故障时,显示故障代码,将故障原因、发生故障时的电流值、电压值、电动机运行时间存入EEPROM中实现故障记录功能,并在保护器面板上配有过载,断相、不平衡等故障报警指示灯方便用户使用。

      I/O控制电路涉及到开关量输入和继电器输出。开关量输入部分属于控制部分,按照安全要求采用+24V电源(由保护器内部提供)供电,为了增强抗干扰和满足产品工频耐压要求采用光耦进行隔离。因为固态继电器具有寿命长、性能稳定,无火花等特点,所以输出部分继电器采用固体继电器。为了防止在继电器线圈断电瞬间产生较高的感应电压,从而破坏电路,在继电器线圈两端并联续流二极管,采用光耦与单片机引脚隔离。

      ARD3具有通讯功能,可以和PC组成网络监控系统,可以将保护器各种信息、运行状态、故障原因、故障时间、运行时间的参数等参数传送给PC机,也可以通过PC机设置保护器各种参数。通讯电路中采用RS485接口,通讯部分利用RS485接口的特点采用硬件自动控制收发电路,不用单片机进行控制以减轻单片机的负担,为满足工频耐压得要求制作PCB时做好隔离措施。

      本产品的主软件流程图如图3所示,主程序包括A/D子程序、基本保护子程序、计算显示子程序、按键处理子程序、通讯自程序等自程序,由于程序内容较多,现只给出主程序流程和保护子程序流程图。

      主程序初始化后,进入A/D采样程序。在A/D采样子程序中完成对电动机三相电流、三相电压、剩余电流的采样工作,完成采样后采用平均值滤波,提高系统抗干扰性能。A/D采样后判断采样时间是否超过正常采样时间,超过此时间不将此次采样值计入计算基本参数子程序中。

      A/D采用完成后,根据采样得到的电动机三相电流值、电压值、剩余电流值计算目前电动机的电流、电压值,然后判断此时电动机是否处于运行状态。如果此时电动机已经开始运行,就进入保护子程序。

      在保护子程序中,根据采样计算值判断电动机是否有故障,没有则返回主程序;有就向下执行,判断是何种故障,进入故障处理,将故障原因在ARD3电动机保护器面板和通讯中进行显示,并且将故障记录起来,保护子程序如图4所示。

      保护子程序执行后,进入显示处理子程序,在显示处理子程序中为下面的显示子程序提供要显示的数据值。执行完显示处理子程序后进入按键处理子程序,在按键处理子程序中实现人机交互,可以设定、修改、查看电动机保护器各项参数以及显示当前电动机电流、电压值。

      按键处理子程序执行后,进入显示子程序,显示子程序在电动机正常运行且没有按键处理的情况下,显示电动机当前的电流、电压值,可以通过按键来查看不同相的电压、电流值;电动机正常时有按键动作的情况下,显示与按键功能相应得数值;当电动机有故障时,显示故障代码并带有指示灯报警显示。显示处理子程序结束后,进入通讯处理子程序,在通讯处理子程序中先判断保护器是否接收到上位机发送的数据,如果有数据被接收到,就按照标准

      ModBus协议对数据进行判断,先判断是否是属于本台保护器,属于就向上位机发送相应得数据。上位机接收到以后,判断没有错误开始和本台保护器进行通讯。通讯处理子程序完全按照标准ModBus协议编写。

      电源部分加EMC滤波器,高频变压器次级与初级加高压电容,输出部分加滤波电路;信号采集部分增加滤波电路;在作信号处理的各芯片输入口处加端口保护电路;在各芯片电源输入处加去藕电容;继电器两端并联续流二极管,加光耦与CPU端口隔离;不使用的CPU端口定义为输出状态;PCB板布局时模拟部分与数字部分作分区处理,模拟信号在模拟区域内布线,数字信号数字区域内布线,二者不进入彼此区域内;布线时尽量加粗电源线 软件措施

      各路信号采集均采用软件滤波,增加采样值的准确性,使用看门狗防止程序运行溢出。通过采取一系列的措施,产品的抗干扰性能大幅提高,本产品一次性通过3C安全认证型式试验。

      本文介绍的以H8/3687单片机为核心的ARD3型电动机保护器,是新一代智能化、网络化、数字化的电动机保护器。ARD3保护器对电动机的过载、断相、不平衡、堵转、阻塞、欠载、温度、欠电压、过电压、欠功率、剩余电流等故障导致的危害加以保护,最大限度地保证设备运行的可靠性与安全性。ARD3电动机保护器产品体积小,结构紧凑,安装方便,在低压控制终端柜和1/4模数计以上各种抽屉柜中可以直接安装使用,而且具备完善的网络通讯功能,可与接触器,电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元,提高了控制回路的可靠性和自动化水平,适用于石油、电力、煤矿、造纸以及民用建筑等领域。

      (摘编自《电气技术》,原文标题为“基于H8/3687FP单片机的电动机保护器设计”,作者为赵波、吴建明、汤建军、朱文灏。)

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