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缺點。通常電動機保護器工作的條件比較惡劣，為使產品性能方面更加穩定可靠，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。
0 引言
隨著電子技術的發展，電動機保護器正向基于現場總線的智能型方向發展。我公司設計的ARD3電動機保護器立足于國內先進水平，是具有智能保護和可通信功能的電動機保護器。產品系列電流范圍齊全，產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、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，根據熱容情況判斷電動機的過載狀態，此種方法可以最大發揮電動機的過載力；
ARD3電動機保護器采用交流采樣算法計算被配有可編程開關量輸入、繼電器輸出，用于實現遠程主站對電動機運行狀態的遙信監視和直接起動、自耦降壓、星-三角等起動方式；帶有標準RS-485接口ModBus通訊協議實現計算機聯網。
1 硬件設計
ARD3電動機保護器用H8/3687FP單片機實現電動機的保護功能。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
測信號。采樣方式是按一定周期(稱為采樣周期)連續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，現以一路電流信號采集放大電路為例說明電路工作原理。
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，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)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輸出的電流信號轉變為電壓信號。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，通過光藕后產生IS1～IS7，并行信號IS1～IS7輸入到74HC165，通過74HC165將并行信號轉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配合使用既可以穩定光耦輸出電平又可以在上電時對光耦起到保護作用。
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。現以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變為低電平，三極管QJ1導通OUT1輸出低電平使繼電器發生動作。圖3中二極管DJ1～DJ4作為繼電器續流二極管。
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，市場產品豐富，驅動線路也比較簡單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點動作時會產生“火花”，嚴重時可影響系統的正常工作。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續流二極管，否則在繼電器線圈斷電瞬間會產生較高的感應電壓，從而破壞電路。固態繼電器具有壽命長、性能穩定，無火花等特點，本產品中考慮到產品的可靠性要求采用固態繼電器。
1.3 通訊單元
通訊電路如圖4所示。通訊電路實現將CPU串口輸出電平轉換到RS485電平。本電路的巧妙之處在于數據收發直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節省CPU資源簡化程序設計。
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
因為A/D功能，IIC功能，RTC，定時器，看門狗等功能都已經集成到芯片內部，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動能力的上拉電阻和穩定信號的濾波電容即可。
2 軟件設計
系統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：
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。在本產品軟硬件設計過程中采取如下措施提高產品的抗干擾性：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；繼電器兩端并聯續流二極管，加光耦與CPU端口隔離；不使用的CPU端口定義為輸出狀態；PCB板布局時模擬部分與數字部分作分區處理，模擬信號在模擬區域內布線，數字信號數字區域內布線，二者不進入彼此區域內；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內部看門狗監控程序運行。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，產品的抗干擾性能大幅提高，本產品一次性順利通過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、溫度繼電器等傳統的電動機保護產品，替代各種指針式電量表、信號燈、電量變送器等常規元件，簡化電動機控制電路，減少柜內電纜連接及現場施工量。
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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-mail:ZHAOBOQY11@163.COM
周中(1968—)，男，學士，主要從事智能配電系統的研究及應用；
黃少杰(1968—)，男，學士，主要從事電氣設備項目管理。
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