摘 要：傳統(tǒng)的電機(jī)過載保護(hù)采用熱繼電器，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用微處理器來計(jì)算負(fù)荷不僅能夠迅速反應(yīng)電動(dòng)機(jī)各種故障，而且很容易加入其它控制條件。本文介紹了一種以瑞薩公司H8/3687FP單片機(jī)為核心，研制的一款高性價(jià)比的ARD3型智能低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器；ARD3型；H8/3687FP；保護(hù)功能；Modbus 0 引言 傳統(tǒng)的電機(jī)過載保護(hù)采用熱繼電器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于熱元件本身特性的差異，精度較差，反應(yīng)慢。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用微處理器來計(jì)算負(fù)荷不僅能夠迅速反應(yīng)電動(dòng)機(jī)各種故障，而且很容易加入其它控制條件，例如，電機(jī)熱容量，散熱條件等因素，使它能更準(zhǔn)確及時(shí)反映電機(jī)狀況實(shí)施有效保護(hù)。近年來隨著電子式、智能化、通訊等方面的迅猛發(fā)展，使得微機(jī)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化成為電動(dòng)機(jī)保護(hù)器研究發(fā)展的方向。本文以瑞薩公司的H8/3687FP單片機(jī)為核心，研制了一款高性價(jià)比的ARD3低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。 1 產(chǎn)品功能特點(diǎn) 根據(jù)現(xiàn)有市場(chǎng)上電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的功能特點(diǎn)及實(shí)際需求，確定ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器包括如下功能： 1） 基本保護(hù)功能：斷相、過載、欠載、三相不平衡等保護(hù)功能，符合IEC94704-1、IEC947-4-2及GB14048.4、GB14048.6等標(biāo)準(zhǔn)； 2） 派生保護(hù)功能：根據(jù)需要可配有剩余電流保護(hù)、溫度保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、欠功率保護(hù)、相序保護(hù)、失電重起等保護(hù)功能； 3） 可測(cè)量數(shù)據(jù)和通訊功能：可測(cè)量三相電流、剩余電流、三相電壓，RS485通訊接口，采用Modbus通訊協(xié)議； 4） 人機(jī)交互功能、故障記錄功能、自帶I/O端口實(shí)現(xiàn)直接起動(dòng)、星—三角起動(dòng)、變頻起動(dòng)等電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式； 5） 安裝方式采用導(dǎo)軌安裝，額定電流（A）規(guī)格分為：1.6～6.3、6.3～25、25～100、63～250、250～800五種規(guī)格。 6） 電磁兼容：符合以下標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17626.2-1998，GB/T17626.3-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T17626.5-1998，GB/T17626.6-1998。 2 設(shè)計(jì)方案 根據(jù)產(chǎn)品功能，ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器要完成：測(cè)量電動(dòng)機(jī)三相電流、三相電壓、剩余電流，判斷電動(dòng)機(jī)各種故障，根據(jù)不同故障保護(hù)電動(dòng)機(jī)，顯示所有測(cè)量參數(shù)、故障代碼、功能菜單，與上位機(jī)通訊等功能，經(jīng)過方案論證，采用瑞薩公司的H8/3687單片機(jī)。 H8/3687單片機(jī)擴(kuò)充了內(nèi)置閃存、引腳數(shù)少和封裝小的H8/300H Tiny單片微控制器陣容，具有一個(gè)增強(qiáng)的計(jì)時(shí)器和若干通信功能，片內(nèi)有大容量高速閃存存儲(chǔ)器，EMI噪音低，功耗低以及可提供各種低成本的開發(fā)工具?？蓮V泛應(yīng)用無線通信和網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、工業(yè)控制以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品 產(chǎn)品基本功能如下：16位高速H8/300H CPU在目標(biāo)碼級(jí)與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種；外圍功能：RTC（片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可作為自由運(yùn)算計(jì)數(shù)器使用）、SCI（異步或者時(shí)鐘同步串行通信接口）2路、IIC接口、8路10位A/D、多功能定時(shí)器：８位定時(shí)器２個(gè)（Timer B1,TimerV）、16位定時(shí)器１個(gè)（TimerZ）、看門狗定時(shí)器；14位PWM；I/O端口：I/O腳：45個(gè)I/O引腳（H8/3687N有43個(gè)I/O引腳），包括8個(gè)可直接驅(qū)動(dòng)LED的大電流引腳（IOL=20mA,@VOL=1.5V）。只作為輸入的引腳：8個(gè)輸入引腳（也可以用作模擬量輸入）；片上復(fù)位電源POR電路，片上低電壓檢測(cè)電路（LVD）。 單片機(jī)選定后，確定測(cè)量電動(dòng)機(jī)三相電流、三相電壓、剩余電流的測(cè)量電路，按鍵、顯示部分的電路，I/O控制電路，通訊電路的方案。系統(tǒng)功能， 設(shè)計(jì)采用交流采樣時(shí)考慮的技術(shù)有幾個(gè)方面： 1）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)周期，這對(duì)于工頻電流信號(hào)是不成問題的，因?yàn)槟壳皢纹瑱C(jī)的處理速度已經(jīng)足夠。 2）要從硬件上避免采樣信號(hào)畸變，這就需要從幾個(gè)方面來努力: ①保證電流互感器在測(cè)量范圍內(nèi)輸出的電壓信號(hào)波形失真小。②電流互感器的采樣信號(hào)到單片機(jī)輸入接口往往需要比例放大，這就要求信號(hào)變換電路失真要小。③防止噪聲干擾，一般的做法是在單片機(jī)輸入口加一個(gè)高頻旁路電容。交流采樣線路中除去了阻容濾波電容，因而在響應(yīng)速度方面比直流采樣有極大改善，特別對(duì)于那些對(duì)響應(yīng)特性要求較高的隨動(dòng)系統(tǒng)非常有益。具體采用哪種采樣處理在實(shí)際使用中應(yīng)權(quán)衡利弊，綜合考慮才能作出選擇。 考慮到電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的實(shí)際應(yīng)用，軟件中對(duì)電動(dòng)機(jī)三相電流、三相電壓、剩余電流采用交流采樣算法處理，這樣不但可以簡(jiǎn)化硬件電路，節(jié)省成本減小系統(tǒng)空間，而且測(cè)量的精度要比直流采樣高。硬件電路中采用全波處理，加放大電路，放大后的信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)A/D單元。通過單片機(jī)計(jì)算出的電壓、電流信號(hào)有效值，作為來判斷保護(hù)器各種故障的依據(jù)。 按鍵處理電路采用并入串出芯片74HC165這樣可以節(jié)省單片機(jī)的I/O口數(shù)，通過按鍵可以設(shè)置電動(dòng)機(jī)額定電流、額定電壓、額定功率、過載等級(jí)、起動(dòng)時(shí)間等參數(shù)。同理為了節(jié)省單片機(jī)I/O口顯示部分采用74HC595芯片，顯示采用4位一體數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，數(shù)碼管顯示當(dāng)前電動(dòng)機(jī)三相電流、三相線電壓，通過按鍵來查看各分相的電壓電流；有故障時(shí)，顯示故障代碼，將故障原因、發(fā)生故障時(shí)的電流值、電壓值、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間存入EEPROM中實(shí)現(xiàn)故障記錄功能，并在保護(hù)器面板上配有過載，斷相、不平衡等故障報(bào)警指示燈方便用戶使用。 I/O控制電路涉及到開關(guān)量輸入和繼電器輸出。開關(guān)量輸入部分屬于控制部分，按照安全要求采用+24V電源（由保護(hù)器內(nèi)部提供）供電，為了增強(qiáng)抗干擾和滿足產(chǎn)品工頻耐壓要求采用光耦進(jìn)行隔離。因?yàn)楣虘B(tài)繼電器具有壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定，無火花等特點(diǎn)，所以輸出部分繼電器采用固體繼電器。為了防止在繼電器線圈斷電瞬間產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，從而破壞電路，在繼電器線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，采用光耦與單片機(jī)引腳隔離。 ARD3具有通訊功能，可以和PC組成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，可以將保護(hù)器各種信息、運(yùn)行狀態(tài)、故障原因、故障時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間的參數(shù)等參數(shù)傳送給PC機(jī)，也可以通過PC機(jī)設(shè)置保護(hù)器各種參數(shù)。通訊電路中采用RS485接口，通訊部分利用RS485接口的特點(diǎn)采用硬件自動(dòng)控制收發(fā)電路，不用單片機(jī)進(jìn)行控制以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，為滿足工頻耐壓得要求制作PCB時(shí)做好隔離措施。 3 軟件設(shè)計(jì) 本產(chǎn)品的主軟件流程圖如圖3所示，主程序包括A/D子程序、基本保護(hù)子程序、計(jì)算顯示子程序、按鍵處理子程序、通訊自程序等自程序，由于程序內(nèi)容較多。 程序采用模塊化設(shè)計(jì)，可讀性、可移植性強(qiáng)。闡述各子程序功能： 主程序初始化后，進(jìn)入A/D采樣程序。在A/D采樣子程序中完成對(duì)電動(dòng)機(jī)三相電流、三相電壓、剩余電流的采樣工作，完成采樣后采用平均值濾波，提高系統(tǒng)抗干擾性能。A/D采樣后判斷采樣時(shí)間是否超過正常采樣時(shí)間，超過此時(shí)間不將此次采樣值計(jì)入計(jì)算基本參數(shù)子程序中。A/D采用完成后，根據(jù)采樣得到的電動(dòng)機(jī)三相電流值、電壓值、剩余電流值計(jì)算目前電動(dòng)機(jī)的電流、電壓值，然后判斷此時(shí)電動(dòng)機(jī)是否處于運(yùn)行狀態(tài)。如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)開始運(yùn)行，就進(jìn)入保護(hù)子程序。 在保護(hù)子程序中，根據(jù)采樣計(jì)算值判斷電動(dòng)機(jī)是否有故障，沒有則返回主程序；有就向下執(zhí)行，判斷是何種故障，進(jìn)入故障處理，將故障原因在ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器面板和通訊中進(jìn)行顯示，并且將故障記錄起來。 保護(hù)子程序執(zhí)行后，進(jìn)入顯示處理子程序，在顯示處理子程序中為下面的顯示子程序提供要顯示的數(shù)據(jù)值。執(zhí)行完顯示處理子程序后進(jìn)入按鍵處理子程序，在按鍵處理子程序中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以設(shè)定、修改、查看電動(dòng)機(jī)保護(hù)器各項(xiàng)參數(shù)以及顯示當(dāng)前電動(dòng)機(jī)電流、電壓值。 按鍵處理子程序執(zhí)行后，進(jìn)入顯示子程序，顯示子程序在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行且沒有按鍵處理的情況下，顯示電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的電流、電壓值，可以通過按鍵來查看不同相的電壓、電流值；電動(dòng)機(jī)正常時(shí)有按鍵動(dòng)作的情況下，顯示與按鍵功能相應(yīng)得數(shù)值；當(dāng)電動(dòng)機(jī)有故障時(shí)，顯示故障代碼并帶有指示燈報(bào)警顯示。顯示處理子程序結(jié)束后，進(jìn)入通訊處理子程序，在通訊處理子程序中先判斷保護(hù)器是否接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)被接收到，就按照標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，先判斷是否是屬于本臺(tái)保護(hù)器，屬于就向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)得數(shù)據(jù)。上位機(jī)接收到以后，判斷沒有錯(cuò)誤開始和本臺(tái)保護(hù)器進(jìn)行通訊。通訊處理子程序完全按照標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議編寫。 4 抗干擾措施 ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)時(shí)，在電磁兼容方面，要求符合以下標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17626.2-1998 、GB/T17626.3-1998 、GB/T17626.4-1998、GB/T17626.5-1998 GB/T17626.6-1998。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，就要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)做好抗干擾措施，本產(chǎn)品的采取的抗干擾措施如下： 4.1 硬件措施 電源部分加EMC濾波器，高頻變壓器次級(jí)與初級(jí)加高壓電容，輸出部分加濾波電路；信號(hào)采集部分增加濾波電路；在作信號(hào)處理的各芯片輸入口處加端口保護(hù)電路；在各芯片電源輸入處加去藕電容；繼電器兩端并聯(lián)續(xù)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(tài)；PCB板布局時(shí)模擬部分與數(shù)字部分作分區(qū)處理，模擬信號(hào)在模擬區(qū)域內(nèi)布線，數(shù)字信號(hào)數(shù)字區(qū)域內(nèi)布線，二者不進(jìn)入彼此區(qū)域內(nèi)；布線時(shí)盡量加粗電源線與地線，信號(hào)線走線時(shí)走45º線，不走直角線。 4.2 軟件措施 各路信號(hào)采集均采用軟件濾波，增加采樣值的準(zhǔn)確性，使用看門狗防止程序運(yùn)行溢出。 通過采取一系列的措施，產(chǎn)品的抗干擾性能大幅提高，本產(chǎn)品一次性通過3C安全認(rèn)證型式試驗(yàn)。 5 結(jié)論 本文介紹的以H8/3687單片機(jī)為核心的ARD3型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，是新一代智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。ARD3保護(hù)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的過載、斷相、不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、欠載、溫度、欠電壓、過電壓、欠功率、剩余電流等故障導(dǎo)致的危害加以保護(hù)，最大限度地保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性與安全性。ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，在低壓控制終端柜和1/4模數(shù)計(jì)以上各種抽屜柜中可以直接安裝使用，而且具備完善的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可與接觸器，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，提高了控制回路的可靠性和自動(dòng)化水平，適用于石油、電力、煤礦、造紙以及民用建筑等領(lǐng)域。