侯青祥，溫宗周（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

大型三相電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中起到舉足輕重的作用,但是由于電網(wǎng)、負(fù)載及電機(jī)本身的問題，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路、斷相、過壓、欠壓、過載等故障[1]。為保證電動(dòng)機(jī)正常工作,需要對(duì)其運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行電氣保護(hù)。目前，傳統(tǒng)的8/16單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于電氣保護(hù)中。但是它們僅僅具有基本的測(cè)量控制功能,在人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)查詢、故障顯示等方面能力有限,缺少必要的網(wǎng)絡(luò)通訊功能[2]。如果將網(wǎng)絡(luò)通訊以及故障記錄技術(shù)加入到電機(jī)保護(hù)中，可以給電機(jī)的保護(hù)帶來意想不到的效果，節(jié)省大量的成本。

TI公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3的微控制器采用ARM可兼容Thumb的Thumb-2指令集來降低內(nèi)存的需求。其中LM3S811控制器有64 KB的Flash程序存儲(chǔ)空間、4個(gè)10通道、采樣速率為500 000次/s的ADC接口、32個(gè)可配置的 GPIO(其數(shù)目取決于配置)，極大地方便了后期軟件的編寫[3]。本文采用LM3S811為運(yùn)算核心，研制了一種可以對(duì)電機(jī)過載、短路、漏電、缺相及過熱故障進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)的智能電機(jī)保護(hù)器。另外采用EEPROM技術(shù)記錄電機(jī)故障，用485組網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

除電機(jī)故障數(shù)據(jù)的采集模塊、電機(jī)保護(hù)動(dòng)作、按鍵、LCD顯示和故障指示模塊之外，還擴(kuò)展了485通訊電路和EEPROM存儲(chǔ)芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的保護(hù)、故障記錄以及與上位機(jī)的通訊。

(1)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

(2)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要對(duì)三相電機(jī)的線電壓、線電流等參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)過濾波、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路處理后，送入ARM控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。北京世特美測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電流傳感器SN1T、電壓傳感器SK1T、漏電流傳感器選用TE5D_C5V6可以將電機(jī)的三相電壓與電流信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，信號(hào)變換后能夠直接被LM3S811的A/D采集模塊直接采集。數(shù)據(jù)采樣電路整體模塊圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采樣電路整體模塊圖

(3)動(dòng)作電路模塊

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的電壓低于5 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流只有十幾mA，而電機(jī)的工作電壓在380 V時(shí)，電流可達(dá)到5 A～20 A，二者在電壓和驅(qū)動(dòng)電流上存在很大的差別[4]。所以控制電路與電機(jī)之間需要加緩沖電路，這里采用光電耦合器件控制繼電器的通合來達(dá)到對(duì)電機(jī)電源的控制。當(dāng)出現(xiàn)電流過大、電壓缺相等故障時(shí)，控制器可以及時(shí)地輸出控制信號(hào)，使電機(jī)跳閘，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，避免電機(jī)產(chǎn)生更大的損壞。

(4)溫度傳感器

LM3S811內(nèi)部集成有一個(gè)10 bit的ADC模塊溫度傳感器，可以用來獲取當(dāng)前芯片的內(nèi)部溫度。通過不斷地實(shí)驗(yàn)測(cè)得芯片溫度與環(huán)境溫度之間的差值，就可以準(zhǔn)確地測(cè)量電動(dòng)機(jī)線圈的溫度。不用再擴(kuò)展別的溫度測(cè)量芯片，節(jié)約成本。

(5)通訊與故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

大型車間有很多臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作，電機(jī)能否正常工作可能影響到整個(gè)生產(chǎn)的進(jìn)度，所以需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。因此電機(jī)保護(hù)器與監(jiān)控中心的通訊方式選擇RS-485，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與電機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。

同時(shí)采用I2C通訊的EEPROM技術(shù)來存儲(chǔ)電機(jī)發(fā)生故障的時(shí)間、電流、電壓等參數(shù)，另外還可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定，斷電后設(shè)定的參數(shù)可以保存下來，不用重新設(shè)定。EEPROM芯片AT24C08的模塊電路如圖3所示。

圖3 EEPROM AT24C08存儲(chǔ)器電路

(6)鍵盤輸入模塊

鍵盤采用獨(dú)立連接式非編碼鍵盤，選用3個(gè)按鍵開關(guān)，分別連接到LM3S811的3個(gè)管腳上，用來實(shí)現(xiàn)設(shè)備測(cè)量功能的切換、數(shù)據(jù)的設(shè)置與選擇以及復(fù)位等功能。具體電路如圖4所示。

圖4 鍵盤輸入電路

(7)LCD顯示模塊與指示燈報(bào)警模塊

選用LCD1602液晶屏顯示當(dāng)前電機(jī)的電壓、電流、溫度、時(shí)間以及故障等。并外接6個(gè)LED發(fā)光二極管作為檢測(cè)電壓、檢測(cè)電流、缺相、漏電、正常和通訊狀態(tài)的指示燈。圖5為L(zhǎng)M3S811與LCD1602的連接電路圖。

圖5 LM3S811與LCD1602連接電路圖

2 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)最重要的部分，包括A/D采集程序、保護(hù)動(dòng)作程序、溫度采集程序、顯示程序、按鍵程序以及通訊程序。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，可讀性、可移植性強(qiáng)[5]。系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

(1)電流電壓采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序

采集傳感器上的電壓和電流數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若出現(xiàn)故障則切斷電機(jī)的電源，防止發(fā)生事故，并在AT24C08中記錄電機(jī)的工作電壓、工作電流和溫度值等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；同時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的故障指示燈，發(fā)出報(bào)警。

(2)人機(jī)界面子程序的調(diào)試

LCD顯示屏用來顯示電機(jī)的狀態(tài)以及故障信息。信號(hào)指示燈用來指示發(fā)生故障的種類，方便檢測(cè)人員處理故障，建立良好的人機(jī)界面。

圖6 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

通過按鍵查詢電機(jī)的溫度、三相電壓和電流，并通過LCD顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)字參數(shù)值的設(shè)定與修改。

(3)溫度子程序的調(diào)試

溫度的調(diào)試采用芯片內(nèi)部溫度傳感器，因?yàn)樾酒旧頃?huì)發(fā)熱，所以需要通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)找到實(shí)際溫度與測(cè)量溫度之間的差值。通過軟件的方法準(zhǔn)確地測(cè)量電機(jī)的發(fā)熱溫度。

溫度測(cè)試部分子程序如下所示：

圖7 調(diào)試結(jié)果

調(diào)試結(jié)果如圖7所示。此結(jié)果與溫度計(jì)的測(cè)試值非常接近。

以上所有程序調(diào)試完畢后，搭建系統(tǒng)程序，進(jìn)行A/D采樣，判斷電機(jī)是否正常運(yùn)行，若正常則進(jìn)入電機(jī)保護(hù)子程序。在電機(jī)正常運(yùn)行且沒有按鍵按下的情況下，可以通過按鍵查看電機(jī)的當(dāng)前電流、電壓等值；當(dāng)按鍵動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能并顯示；當(dāng)電機(jī)有故障時(shí)，執(zhí)行電機(jī)動(dòng)作代碼并顯示故障，指示燈報(bào)警。

采用ARM Cortex-M3核的LM3S811控制器、新的溫度采集方法，以及記錄故障數(shù)據(jù)的EEPROM技術(shù)，減少了對(duì)外圍電路的投入，把主要精力投入到軟件的編寫中，對(duì)電機(jī)的保護(hù)更加合理有效。另外電動(dòng)機(jī)種類很多，采樣的電流和電壓信號(hào)也會(huì)有很多的差異。因此可以根據(jù)不同的電動(dòng)機(jī)來選擇相應(yīng)的傳感器，并串接相應(yīng)的電阻來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，這樣可以滿足在不同場(chǎng)合對(duì)不同電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。

[1]余劍，呂福勝.單片機(jī)89C52控制的三相電機(jī)保護(hù)器[J].煤礦電機(jī)，2003（6）：23-25.

[2]萬琰.基于單片機(jī)的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8(2)：47-48.

[3]YIU J.Cortex-M3技術(shù)參考手冊(cè)+Cortex-M3權(quán)威指南[EB/OL].(2011-07-30)[2012-03-20].http：//www.cr173.com/soft/30691.html.

[4]查斌.基于單片機(jī)的電機(jī)軟起動(dòng)智能控制器研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[5]伊茲科威茲.32位ARM微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐：基于Luminary Micro LM3S系統(tǒng)工程 Cortex-M3內(nèi)核[M].黃智偉，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.