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基于MCF51EM256的智能電動機保護器的設計及應用

更新時間：2014-04-25

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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(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，它們已是當今生產(chǎn)活動和日常生活中zui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，zui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(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zui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*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(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(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*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(nèi)存校表數(shù)據(jù)

if(FIRSTFLAG!=0x1234)

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(jié)果與精度驗證

3.1電流準確度測試結(jié)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%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

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	0.63	0.62	0.59	0.64	0.59	0.62	0.58
	6.3	6.29	5.91	6.31	5.92	6.29	5.89
	7.56	7.54	7.05	7.55	7.06	7.54	7.03

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標準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：

脫扣延時（S）	0.1	10.0	999.9
*次	0.110	9.950	993.882
第二次	0.117	9.965	993.859
第三次	0.119	9.961	993.872

阻塞保護：脫扣域值（250%）

脫扣延時（S）	0.1	5.0	600.0
*次	0.122	5.031	596.455
第二次	0.128	5.037	596.458
第三次	0.134	5.043	596.431

欠載保護：脫扣域值（50%）

脫扣延時（S）	0.1	5.0	600.0
*次	0.130	5.012	596.401
第二次	0.134	4.996	5.96.393
第三次	0.129	5.015	596.349

不平衡保護：脫扣域值（30%）

脫扣延時（S）	0.1	5.0	600.0
*次	0.126	5.003	596.400
第二次	0.131	5.009	596.362
第三次	0.121	5.007	596.354

接地/漏電保護：脫扣域值（80%或30mA）

脫扣延時（S）	0.1	0.5	600.0
*次	0.117	0.519	596.444
第二次	0.124	0.528	596.432
第三次	0.135	0.517	596.416

短路保護：脫扣域值（500%）

脫扣延時（S）	0.1	10.0	600.0
*次	0.135	9.973	596.564
第二次	0.133	9.969	596.472
第三次	0.136	9.967	596.526

斷相保護：

脫扣延時（S）	0.1	1.0	600.0
*次	0.124	1.036	596.456
第二次	0.138	1.033	596.382
第三次	0.132	1.035	596.179

外部故障：

脫扣延時（S）	0.1	5.0	600.0
*次	0.126	4.976	595.711
第二次	0.112	4.989	595.801
第三次	0.124	4.988	595.836

由表2可知，該保護器滿足脫扣延時保護時間為±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(jié)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(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，電機保護器設計，碩士學位論文，東北大學，2005.

[2] 丁金磊，基于ARM的電動機綜合保護器裝置設計，碩士學位論文，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)標準，Q/TDEI 27-2011

[6] JB/T 10736-2007 低壓電動機保護器.

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