低壓智能電動機保護器的可靠性設計
朱煜銘1陸偉青2 朱文灝3
1 山東省輕工業設計院
2安科瑞電氣股份有限公司 上海201801
3上海電器科學研究所（集團）有限公司 上海200063
摘要：針(zhen)對(dui)低(di)壓(ya)智(zhi)能(neng)電(dian)動(dong)機(ji)保(bao)護(hu)器(qi)在(zai)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)各(ge)種(zhong)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)，根(gen)據(ju)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)係(xi)統(tong)的(de)特(te)點(dian)從(cong)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)，提(ti)出(chu)了(le)抗(kang)幹(gan)擾(rao)方(fang)法(fa)，獲(huo)得(de)了(le)良(liang)好(hao)的(de)EMC性能。
關鍵詞：微處理器；EMC電磁兼容性；軟件；硬件；抗幹擾
1、引言
電動機作為一種拖動機械因具有結構簡單、價格低廉、使用維護方便等優點，在國民經濟各個方麵被廣泛采用。在當代，隨著電子技術的發展和智能電動機保護器技術的成熟而普及率越來越高。
智能電動機保護器采用了微處理器技術，不僅解決了傳統的熱繼整定粗糙、不能實現斷相保護，重複性差、測量參數誤差大的缺點。保護器通過電流來判斷斷相故障，軟件模擬熱積累過程的方法來實現過載保護等方法保證了電機的可靠運行，而微處理器強大的擴展性包括開關量輸入、繼電器輸出，4~20mA變送輸出、RS485通訊等很好的滿足了控製係統的“四遙”功能。
電(dian)動(dong)機(ji)保(bao)護(hu)器(qi)提(ti)高(gao)了(le)電(dian)動(dong)機(ji)運(yun)行(xing)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)係(xi)統(tong)智(zhi)能(neng)化(hua)要(yao)求(qiu)，因(yin)此(ci)保(bao)護(hu)器(qi)的(de)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)起(qi)著(zhe)舉(ju)足(zu)輕(qing)重(zhong)的(de)作(zuo)用(yong)，同(tong)時(shi)也(ye)對(dui)保(bao)護(hu)器(qi)抗(kang)外(wai)界(jie)幹(gan)擾(rao)提(ti)出(chu)了(le)比(bi)較(jiao)現(xian)實(shi)的(de)要(yao)求(qiu)。下(xia)麵(mian)就(jiu)從(cong)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)提(ti)出(chu)可(ke)靠(kao)性(xing)設(she)計(ji)。
2、硬件可靠性設計
2.1 微處理的選擇
采用Freescale公司的高性能處理器MC9S08AW60。MC9S08AW60是Freescale公司一款基於S08內核的高度節能型處理器，是第一款認可用於汽車市場的微控製器。可應用在家電、汽車、工業控製等場合，具有業內最佳的EMC性能。
2.2電源端濾波處理
利用電磁原理進行硬件電路濾波是提高保護器EMC的有效方法。線路如下圖，經熱敏電阻t、壓敏電阻RV1、電感L1、L2、差模電容C1、共模電感L3、共模電容C2、C3組成的兩級濾波處理，很好的隔離了由於電源端的輸入和輸出幹擾。PTCremindianzuqidezhuyaoyongyuguoliuguorebaohu，zhijiechuanzaifuzaidianluzhong，zaixianluchuxianyichangzhuangkuangshi，nenggouzidongxianzhiguodianliuhuozuduandianliu，dangguzhangpaichuhouyouhuifuyuantai，sucheng“萬次保險絲”。根gen據ju線xian路lu的de最zui大da工gong作zuo電dian流liu來lai確que定ding選xuan擇ze。壓ya敏min電dian阻zu主zhu要yao用yong於yu吸xi收shou各ge種zhong操cao作zuo浪lang湧yong及ji感gan應ying雷lei浪lang湧yong過guo壓ya保bao護hu，以yi防fang止zhi這zhe類lei過guo電dian壓ya幹gan擾rao或huo損sun壞huai各ge種zhong電dian路lu元yuan件jian。根gen據ju設she計ji經jing受shou的de浪lang湧yong電dian壓ya按an照zhao最zui大da允yun許xu使shi用yong電dian壓ya和he通tong流liu容rong量liang來lai選xuan擇ze。其qi中zhong,L1、L2、C1為抑製差模幹擾，L3、C2、C3為抑製共模幹擾。L1、L2鐵芯應選擇不易飽和的材料及M-F特性優良的材料。按照IEC-380安全技術指標推薦，圖中元件參數的選擇範圍為：C1=0.1~2uF；C2、C3=2.2~33uF；L3為幾個或幾十毫亨，隨工作電流不同而取不同的參數值。
按照下麵公式計算C2、C3的容量：
Ii=2πfCyU
式中：Ii───允許的交流漏電流
f───電源頻率；
U───電源供電電壓；
圖1 電源端處理圖
圖2電源端未濾波處理的實驗效果 圖3電源端濾波處理後的實驗效果
上圖為電源端是否使用濾波器，使用瑞士TRANSIENT 2000電磁兼容測試儀1000V 100KHZ 0.75mS條件EFT群脈衝實驗，從TEXtronix TDS1012B捕抓到的信號比較，未使用濾波處理的電源輸出端產生了尖峰脈衝，會導致微處理器複位，甚至死機。
2.3信號端處理
諧xie波bo和he電dian磁ci輻fu射she幹gan擾rao會hui導dao致zhi保bao護hu器qi誤wu動dong作zuo，使shi電dian氣qi儀yi表biao計ji量liang不bu準zhun確que，甚shen至zhi無wu法fa正zheng常chang工gong作zuo。在zai電dian動dong機ji控kong製zhi回hui路lu中zhong產chan生sheng該gai類lei幹gan擾rao源yuan為wei變bian頻pin器qi和he現xian場chang對dui講jiang機ji。解jie決jue的de方fang法fa有you：一yi是shi信xin號hao輸shu入ru線xian膠jiao合he，膠jiao合he的de雙shuang膠jiao線xian能neng降jiang低di共gong模mo幹gan擾rao，由you於yu改gai變bian了le導dao線xian電dian磁ci感gan應ying的de磁ci通tong方fang向xiang，使shi其qi感gan應ying互hu相xiang抵di消xiao。二er是shi內nei部bu線xian路lu處chu理li。如ru下xia圖tu，采cai用yong雙shuang差cha分fen輸shu入ru的de差cha動dong放fang大da器qi，具ju有you很hen高gao的de共gong模mo抑yi製zhi比bi。在zai輸shu入ru回hui路lu中zhong接jieRC濾波器、信號的輸入和輸出端使用專用器件、降低輸入輸出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。
圖4 信號處理電路
2.4保護輸出端處理
輸shu入ru輸shu出chu端duan采cai用yong光guang電dian隔ge離li的de方fang法fa，也ye是shi可ke以yi消xiao除chu共gong模mo幹gan擾rao，同tong時shi在zai保bao護hu繼ji電dian器qi的de的de輸shu出chu端duan並bing接jie壓ya敏min電dian阻zu，有you效xiao的de提ti高gao了le繼ji電dian器qi的de壽shou命ming，也ye降jiang低di了le由you於yu外wai部bu接jie觸chu器qi動dong作zuo對dui內nei部bu的de幹gan擾rao。考kao慮lv到dao客ke戶hu使shi用yong控kong製zhi電dian壓ya的de不bu確que定ding性xing和he接jie觸chu器qi線xian圈quan容rong量liang，確que認ren使shi用yongMYG14D821。
圖5 保護輸出電路
2.5外部存儲技術和看門狗保護電路
使用外置存儲芯片X25043，SPI接口。微處理器內置SPI控製模塊，方便的與該芯片接口，外部存儲技術保證了運行狀態和事件的記錄。低電壓複位和外部看門狗提高了保護器的可靠性。
圖6 外置存儲器和看門狗電路
2.6主體與顯示單元通過RS485連接
考慮到使用環境的特殊性和要求的多樣性，主體與顯示單元之間連接也采用RS485 Modbus-Rtu協議連接，提高了顯示與控製的可靠性。
3、軟件可靠性設計
3.1實時多任務的調度
保bao護hu器qi起qi著zhe保bao護hu電dian動dong機ji的de重zhong任ren，對dui它ta的de要yao求qiu是shi既ji不bu能neng誤wu動dong，也ye不bu能neng拒ju動dong，而er且qie必bi須xu快kuai速su。實shi時shi多duo任ren務wu的de調tiao度du實shi際ji是shi通tong過guo時shi間jian片pian的de輪lun換huan實shi現xian宏hong觀guan上shang的de多duo任ren務wu效xiao果guo。對dui於yu保bao護hu器qi而er言yan，存cun在zai著zhe三san個ge重zhong要yao的de任ren務wu，等deng間jian隔ge的de交jiao流liu采cai樣yang，根gen據ju算suan法fa得de到dao穩wen態tai與yu暫zan態tai電dian量liang數shu據ju；根據得到的數據判斷故障，故障計時、清零和脫扣輸出；人機交互界麵。下圖以一個周波T=20mS，32點采樣為例（考慮到快速除法），32次采樣總時間為3.2mS，數據計算時間為9.72mS, 計時0.36mS,則人機交互的時間為6.72mS。這樣的任務調度即滿足了保護實時性要求，又較快的響應了參數設置。
圖7 任務執行關係
3.2交流采樣、數字濾波
對於交流正弦信號，一個周期的電壓有效值為
U=
根gen據ju電dian工gong原yuan理li中zhong連lian續xu周zhou期qi交jiao流liu信xin號hao的de有you效xiao值zhi的de定ding義yi，將jiang連lian續xu信xin號hao離li散san化hua，用yong數shu值zhi積ji分fen代dai替ti連lian續xu積ji分fen，從cong而er得de到dao有you效xiao值zhi與yu采cai樣yang值zhi之zhi間jian的de關guan係xi。離li散san化hua得de到dao
U≈
同理
I=
在zai對dui信xin號hao多duo次ci采cai樣yang的de基ji礎chu上shang，通tong過guo軟ruan件jian算suan法fa提ti取qu最zui逼bi近jin真zhen值zhi的de數shu據ju。這zhe種zhong算suan法fa計ji算suan連lian續xu的de周zhou期qi的de交jiao流liu信xin號hao，精jing度du高gao，抗kang波bo形xing畸ji變bian能neng力li強qiang。在zai使shi用yong這zhe種zhong算suan法fa時shi，也ye可ke同tong時shi采cai用yong連lian續xu平ping均jun值zhi法fa、中值算法等數字濾波，提高保護器的抗幹擾能力。 3.3軟件陷阱
程cheng序xu是shi固gu化hua在zai微wei處chu理li器qi的de存cun儲chu器qi中zhong，由you編bian譯yi器qi統tong一yi安an排pai，但dan設she計ji時shi，設she計ji人ren員yuan考kao慮lv到dao產chan品pin的de擴kuo展zhan性xing，一yi般ban留liu有you餘yu量liang，也ye因yin此ci總zong有you些xie存cun儲chu空kong間jian會hui未wei被bei使shi用yong。當dang微wei處chu理li器qi的dePC指針因為幹擾被錯置時，係統就會出錯。軟件陷阱就是在不用的存儲空間、中斷入口、子程序後加入強製跳轉指令，讓出錯的PC指針恢複正常。
方法是： NOP
NOP
JSR MAIN
4、結束語
本文針(zhen)對(dui)低(di)壓(ya)智(zhi)能(neng)電(dian)動(dong)機(ji)保(bao)護(hu)器(qi)在(zai)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)各(ge)種(zhong)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)，根(gen)據(ju)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)係(xi)統(tong)的(de)特(te)點(dian)從(cong)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)，提(ti)出(chu)了(le)抗(kang)幹(gan)擾(rao)方(fang)法(fa)，獲(huo)得(de)了(le)良(liang)好(hao)的(de)EMC性能。
參考文獻：
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5、周誌敏 周紀海 開關電源實用技術設計與應用 人民郵電出版社
6、錢振宇 開關電源的電磁兼容性設計與測試 電子工業出版社
