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摘 要：傳chuan統tong的de電dian機ji過guo載zai保bao護hu采cai用yong熱re繼ji電dian器qi，隨sui著zhe電dian子zi技ji術shu的de發fa展zhan，用yong微wei處chu理li器qi來lai計ji算suan負fu荷he不bu僅jin能neng夠gou迅xun速su反fan應ying電dian動dong機ji各ge種zhong故gu障zhang，而er且qie很hen容rong易yi加jia入ru其qi它ta控kong製zhi條tiao件jian。本ben文wen介jie紹shao了le一yi種zhong以yi瑞rui薩sa公gong司siH8/3687FP單片機為核心，研製的一款高性價比的ARD3型智能低壓電動機保護器。
關鍵詞：電動機保護器；ARD3型；H8/3687FP；保護功能；Modbus
0 引言
傳(chuan)統(tong)的(de)電(dian)機(ji)過(guo)載(zai)保(bao)護(hu)采(cai)用(yong)熱(re)繼(ji)電(dian)器(qi)，雖(sui)然(ran)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)，但(dan)由(you)於(yu)熱(re)元(yuan)件(jian)本(ben)身(shen)特(te)性(xing)的(de)差(cha)異(yi)，精(jing)度(du)較(jiao)差(cha)，反(fan)應(ying)慢(man)。隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，用(yong)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)來(lai)計(ji)算(suan)負(fu)荷(he)不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)迅(xun)速(su)反(fan)應(ying)電(dian)動(dong)機(ji)各(ge)種(zhong)故(gu)障(zhang)，而(er)且(qie)很(hen)容(rong)易(yi)加(jia)入(ru)其(qi)它(ta)控(kong)製(zhi)條(tiao)件(jian)，例(li)如(ru)，電(dian)機(ji)熱(re)容(rong)量(liang)，散(san)熱(re)條(tiao)件(jian)等(deng)因(yin)素(su)，使(shi)它(ta)能(neng)更(geng)準(zhun)確(que)及(ji)時(shi)反(fan)映(ying)電(dian)機(ji)狀(zhuang)況(kuang)實(shi)施(shi)有(you)效(xiao)保(bao)護(hu)。近(jin)年(nian)來(lai)隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)式(shi)、智能化、通訊等方麵的迅猛發展，使得微機化、數字化、網絡化成為電動機保護器研究發展的方向。本文以瑞薩公司的H8/3687FP單片機為核心，研製了一款高性價比的ARD3低壓電動機保護器。
1 產品功能特點
根據現有市場上電動機保護器的功能特點及實際需求，確定ARD3電動機保護器包括如下功能：
1） 基本保護功能：斷相、過載、欠載、三相不平衡等保護功能，符合IEC94704-1、IEC947-4-2及GB14048.4、GB14048.6等標準；
2） 派生保護功能：根據需要可配有剩餘電流保護、溫度保護、過壓保護、欠壓保護、欠功率保護、相序保護、失電重起等保護功能；
3） 可測量數據和通訊功能：可測量三相電流、剩餘電流、三相電壓，RS485通訊接口，采用Modbus通訊協議；
4） 人機交互功能、故障記錄功能、自帶I/O端口實現直接起動、星―三角起動、變頻起動等電動機起動方式；
5） 安裝方式采用導軌安裝，額定電流（A）規格分為：1.6～6.3、6.3～25、25～100、63～250、250～800五種規格。
6） 電磁兼容：符合以下標準：GB/T17626.2-1998，GB/T17626.3-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T17626.5-1998，GB/T17626.6-1998。
2 設計方案
根據產品功能，ARD3電動機保護器要完成：測量電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流，判斷電動機各種故障，根據不同故障保護電動機，顯示所有測量參數、故障代碼、功能菜單，與上位機通訊等功能，經過方案論證，采用瑞薩公司的H8/3687單片機。
H8/3687單片機擴充了內置閃存、引腳數少和封裝小的H8/300H Tiny單片微控製器陣容，具有一個增強的計時器和若幹通信功能，片內有大容量高速閃存存儲器，EMI噪音低，功耗低以及可提供各種低成本的開發工具。可廣泛應用無線通信和網絡通信、汽車電子、工業控製以及消費類電子產品
產品基本功能如下：16位高速H8/300H CPU在目標碼級與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（片上實時時鍾，可作為自由運算計數器使用）、SCI（異步或者時鍾同步串行通信接口）2路、IIC接口、8路10位A/D、多功能定時器：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；I/O端口：I/O腳：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）。隻作為輸入的引腳：8個輸入引腳（也可以用作模擬量輸入）；片上複位電源POR電路，片上低電壓檢測電路（LVD）。
單片機選定後，確定測量電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流的測量電路，按鍵、顯示部分的電路，I/O控製電路，通訊電路的方案。係統功能，
設計采用交流采樣時考慮的技術有幾個方麵：
1）采樣周期應遠小於被測信號周期，這對於工頻電流信號是不成問題的，因為目前單片機的處理速度已經足夠。
2）要從硬件上避免采樣信號畸變，這就需要從幾個方麵來努力: ①保證電流互感器在測量範圍內輸出的電壓信號波形失真小。②電流互感器的采樣信號到單片機輸入接口往往需要比例放大，這就要求信號變換電路失真要小。③防fang止zhi噪zao聲sheng幹gan擾rao，一yi般ban的de做zuo法fa是shi在zai單dan片pian機ji輸shu入ru口kou加jia一yi個ge高gao頻pin旁pang路lu電dian容rong。交jiao流liu采cai樣yang線xian路lu中zhong除chu去qu了le阻zu容rong濾lv波bo電dian容rong，因yin而er在zai響xiang應ying速su度du方fang麵mian比bi直zhi流liu采cai樣yang有you極ji大da改gai善shan，特te別bie對dui於yu那na些xie對dui響xiang應ying特te性xing要yao求qiu較jiao高gao的de隨sui動dong係xi統tong非fei常chang有you益yi。具ju體ti采cai用yong哪na種zhong采cai樣yang處chu理li在zai實shi際ji使shi用yong中zhong應ying權quan衡heng利li弊bi，綜zong合he考kao慮lv才cai能neng作zuo出chu選xuan擇ze。
考慮到電動機保護器的實際應用，軟件中對電動機三相電流、三相電壓、剩sheng餘yu電dian流liu采cai用yong交jiao流liu采cai樣yang算suan法fa處chu理li，這zhe樣yang不bu但dan可ke以yi簡jian化hua硬ying件jian電dian路lu，節jie省sheng成cheng本ben減jian小xiao係xi統tong空kong間jian，而er且qie測ce量liang的de精jing度du要yao比bi直zhi流liu采cai樣yang高gao。硬ying件jian電dian路lu中zhong采cai用yong全quan波bo處chu理li，加jia放fang大da電dian路lu，放fang大da後hou的de信xin號hao直zhi接jie進jin入ru單dan片pian機jiA/D單元。通過單片機計算出的電壓、電流信號有效值，作為來判斷保護器各種故障的依據。
按鍵處理電路采用並入串出芯片74HC165這樣可以節省單片機的I/O口數，通過按鍵可以設置電動機額定電流、額定電壓、額定功率、過載等級、起動時間等參數。同理為了節省單片機I/O口顯示部分采用74HC595芯片，顯示采用4位一體數碼管顯示。係統正常運行時，數碼管顯示當前電動機三相電流、三相線電壓，通過按鍵來查看各分相的電壓電流；有故障時，顯示故障代碼，將故障原因、發生故障時的電流值、電壓值、電動機運行時間存入EEPROM中實現故障記錄功能，並在保護器麵板上配有過載，斷相、不平衡等故障報警指示燈方便用戶使用。
I/O控製電路涉及到開關量輸入和繼電器輸出。開關量輸入部分屬於控製部分，按照安全要求采用+24V電源（由保護器內部提供）供電，為了增強抗幹擾和滿足產品工頻耐壓要求采用光耦進行隔離。因為固態繼電器具有壽命長、性xing能neng穩wen定ding，無wu火huo花hua等deng特te點dian，所suo以yi輸shu出chu部bu分fen繼ji電dian器qi采cai用yong固gu體ti繼ji電dian器qi。為wei了le防fang止zhi在zai繼ji電dian器qi線xian圈quan斷duan電dian瞬shun間jian產chan生sheng較jiao高gao的de感gan應ying電dian壓ya，從cong而er破po壞huai電dian路lu，在zai繼ji電dian器qi線xian圈quan兩liang端duan並bing聯lian續xu流liu二er極ji管guan，采cai用yong光guang耦ou與yu單dan片pian機ji引yin腳jiao隔ge離li。
ARD3具有通訊功能，可以和PC組成網絡監控係統，可以將保護器各種信息、運行狀態、故障原因、故障時間、運行時間的參數等參數傳送給PC機，也可以通過PC機設置保護器各種參數。通訊電路中采用RS485接口，通訊部分利用RS485接口的特點采用硬件自動控製收發電路，不用單片機進行控製以減輕單片機的負擔，為滿足工頻耐壓得要求製作PCB時做好隔離措施。
3 軟件設計
本產品的主軟件流程圖如圖3所示，主程序包括A/D子程序、基本保護子程序、計算顯示子程序、按鍵處理子程序、通訊自程序等自程序，由於程序內容較多，現隻給出主程序流程和保護子程序流程圖。
開始
初始化
A/D超時？
調A/D子程序
不計此次采樣值
計算基本參數
電動機運行？
保護子程序
計算顯示值子程序
處理按鍵子程序
顯示子程序
I/O控製子程序
通訊子程序
Y
N
Y
N
程序采用模塊化設計，可讀性、可移植性強。闡述各子程序功能：
主程序初始化後，進入A/D采樣程序。在A/D采樣子程序中完成對電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流的采樣工作，完成采樣後采用平均值濾波，提高係統抗幹擾性能。A/D采樣後判斷采樣時間是否超過正常采樣時間，超過此時間不將此次采樣值計入計算基本參數子程序中。A/D采用完成後，根據采樣得到的電動機三相電流值、電壓值、剩餘電流值計算目前電動機的電流、電壓值，然後判斷此時電動機是否處於運行狀態。如果此時電動機已經開始運行，就進入保護子程序。
在保護子程序中，根據采樣計算值判斷電動機是否有故障，沒有則返回主程序；有就向下執行，判斷是何種故障，進入故障處理，將故障原因在ARD3電動機保護器麵板和通訊中進行顯示，並且將故障記錄起來，保護子程序如圖4所示。
開始
是否有故障？
故障顯示
事件記錄
返回
執行故障處理功能
圖4 保護子程序
保bao護hu子zi程cheng序xu執zhi行xing後hou，進jin入ru顯xian示shi處chu理li子zi程cheng序xu，在zai顯xian示shi處chu理li子zi程cheng序xu中zhong為wei下xia麵mian的de顯xian示shi子zi程cheng序xu提ti供gong要yao顯xian示shi的de數shu據ju值zhi。執zhi行xing完wan顯xian示shi處chu理li子zi程cheng序xu後hou進jin入ru按an鍵jian處chu理li子zi程cheng序xu，在zai按an鍵jian處chu理li子zi程cheng序xu中zhong實shi現xian人ren機ji交jiao互hu，可ke以yi設she定ding、修改、查看電動機保護器各項參數以及顯示當前電動機電流、電壓值。
按鍵處理子程序執行後，進入顯示子程序，顯示子程序在電動機正常運行且沒有按鍵處理的情況下，顯示電動機當前的電流、電壓值，可以通過按鍵來查看不同相的電壓、電流值；電動機正常時有按鍵動作的情況下，顯示與按鍵功能相應得數值；dangdiandongjiyouguzhangshi，xianshiguzhangdaimabingdaiyouzhishidengbaojingxianshi。xianshichulizichengxujieshuhou，jinrutongxunchulizichengxu，zaitongxunchulizichengxuzhongxianpanduanbaohuqishifoujieshoudaoshangweijifasongdeshuju，ruguoyoushujubeijieshoudao，jiuanzhaobiaozhunModBusxieyiduishujujinxingpanduan，xianpanduanshifoushishuyubentaibaohuqi，shuyujiuxiangshangweijifasongxiangyingdeshuju。shangweijijieshoudaoyihou，panduanmeiyoucuowukaishihebentaibaohuqijinxingtongxun。tongxunchulizichengxuwanquananzhaobiaozhunModBus協議編寫。
4 抗幹擾措施
ARD3電動機保護器設計時，在電磁兼容方麵，要求符合以下標準：GB/T17626.2-1998 、GB/T17626.3-1998 、GB/T17626.4-1998、GB/T17626.5-1998 GB/T17626.6-1998。為實現此目標，就要在產品設計時做好抗幹擾措施，本產品的采取的抗幹擾措施如下：
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；繼電器兩端並聯續流二極管，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45º線，不走直角線。
4.2 軟件措施
各路信號采集均采用軟件濾波，增加采樣值的準確性，使用看門狗防止程序運行溢出。
通過采取一係列的措施，產品的抗幹擾性能大幅提高，本產品一次性通過3C安全認證型式試驗。
5 結論
本文介紹的以H8/3687單片機為核心的ARD3型電動機保護器，是新一代智能化、網絡化、數字化的電動機保護器。ARD3保護器對電動機的過載、斷相、不平衡、堵轉、阻塞、欠載、溫度、欠電壓、過電壓、欠功率、剩餘電流等故障導致的危害加以保護，最大限度地保證設備運行的可靠性與安全性。ARD3電動機保護器產品體積小，結構緊湊，安裝方便，在低壓控製終端櫃和1/4模mo數shu計ji以yi上shang各ge種zhong抽chou屜ti櫃gui中zhong可ke以yi直zhi接jie安an裝zhuang使shi用yong，而er且qie具ju備bei完wan善shan的de網wang絡luo通tong訊xun功gong能neng，可ke與yu接jie觸chu器qi，電dian動dong機ji起qi動dong器qi等deng電dian器qi元yuan件jian構gou成cheng電dian動dong機ji控kong製zhi保bao護hu單dan元yuan，提ti高gao了le控kong製zhi回hui路lu的de可ke靠kao性xing和he自zi動dong化hua水shui平ping，適shi用yong於yu石shi油you、電力、煤礦、造紙以及民用建築等領域。
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