淺談ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)保護(hù)器的具體設(shè)計(jì)方法，給出硬件原理圖和軟件流程圖。文章按照產(chǎn)品的各硬件功能模塊進(jìn)行展開說明，介紹硬件功能模塊時(shí)，對硬件功能模塊原理圖進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合各種實(shí)際應(yīng)用的情況說明此處硬件是怎樣設(shè)計(jì)的，為什么這樣設(shè)計(jì)以及這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。通常電動(dòng)機(jī)保護(hù)器工作的條件比較惡劣，為使產(chǎn)品性能方面更加穩(wěn)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(shí)際使用中被證明是成功的。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器；ARD3；保護(hù)功能；ModBus

Design of the ARD3 motor protector

ZHAO Bo¹, ZHOU Zhong ¹, HUANG Shao-jie ²
(1.Jiangyin Acrel Co.,Ltd, Jiangyin 214405;  2.Guangzhou Paper Co.,Ltd, Guangzhou 510281 )

Abstract: This paper highlights idiographic design methods of the ARD3 motor protector, gives hardware and software flow char diagram. According to hardware modules, the article starts description of the hardware modules schematic for detailed analysis, the combination of practical application note here is how to design the hardware, why this design and the advantages and disadvantages of this design. The conditions that motor protector usually works are poor, for the product more stable and reliable performance, needing to use some anti-jamming measures, described in the text of these anti-jamming measures in practical use has proved to be successful.
Key words: motor protector；ARD3；protect function；ModBus

0　 引言
　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器正向基于現(xiàn)場總線的智能型方向發(fā)展。我公司設(shè)計(jì)的ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器立足于國內(nèi)先進(jìn)水平，是具有智能保護(hù)和可通信功能的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。產(chǎn)品系列電流范圍齊全，產(chǎn)品系列額定電流范圍1.6～800A；可測量的電流范圍寬，可以達(dá)到10倍電機(jī)額定電流；采用先進(jìn)的軟件算法和可靠的硬件設(shè)計(jì)，對電動(dòng)機(jī)的過載、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、過壓、欠壓等故障進(jìn)行有效判斷和可靠保護(hù)，過載保護(hù)采用計(jì)算分析當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的熱容量的方法，根據(jù)熱容情況判斷電動(dòng)機(jī)的過載狀態(tài)，此種方法可以最大發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力；配有可編程開關(guān)量輸入、繼電器輸出，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主站對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遙信監(jiān)視和直接起動(dòng)、自耦降壓、星-三角等起動(dòng)方式；帶有標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口ModBus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

1　 硬件設(shè)計(jì)
　　ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器用H8/3687FP單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能。在硬件方面主要由三相電流信號(hào)采樣、漏電流采樣、電壓信號(hào)采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報(bào)警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成，下面分別對其中的關(guān)鍵部分作簡要介紹。
1.1  信號(hào)采集單元
　　ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用交流采樣算法計(jì)算被測信號(hào)。采樣方式是按一定周期（稱為采樣周期）連續(xù)實(shí)時(shí)采樣被測信號(hào)一個(gè)完整的波形（對于正弦波只需采樣半個(gè)周期即可），然后將采樣得到的離散信號(hào)進(jìn)行真有效值運(yùn)算，從而得到被測信號(hào)的真有效值，這樣就避免了被測信號(hào)波形畸變對采樣值的影響。
　　信號(hào)采集單元的功能取樣、整流、放大互感器二次測的輸出信號(hào)，將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可處理的信號(hào)。ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器中處理三相電流信號(hào)、剩余電流信號(hào)、電壓信號(hào)的信號(hào)采集放大電路原理都相同，現(xiàn)以一路電流信號(hào)采集放大電路為例說明電路工作原理。  

圖1　信號(hào)采集放大電路

　　信號(hào)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(jí)電路起到過壓保護(hù)作用。當(dāng)輸入的信號(hào)在正常范圍內(nèi)，A1、A7不起作用，當(dāng)輸入信號(hào)超出正常范圍（或有脈沖干擾信號(hào)出現(xiàn)）時(shí)，A1、A7導(dǎo)通，防止超出后級(jí)電路端口范圍的信號(hào)進(jìn)入后級(jí)電路，破壞后級(jí)A/D電路。CR1為取樣電阻，將從CT1輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。LM324和CR4，CR7，CR10，CR13組成同相放大電路將電壓信號(hào)放大后輸入A/D轉(zhuǎn)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(dá)到5V充分利用A/D轉(zhuǎn)換提高顯示精度。圖1中通過運(yùn)放將輸入信號(hào)進(jìn)行分檔處理，小信號(hào)從P1.0輸出大信號(hào)從P1.1輸出。這樣處理是因?yàn)椋弘妱?dòng)機(jī)保護(hù)器要處理的電流范圍很寬（要從電動(dòng)機(jī)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(guān)量輸入處理電路如圖2所示。電路開關(guān)量由IN1～I(xiàn)N7輸入，通過光藕后產(chǎn)生IS1～I(xiàn)S7，并行信號(hào)IS1～I(xiàn)S7輸入到74HC165，通過74HC165將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)傳送給CPU。電阻R11～R18起到限流作用保護(hù)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(wěn)定光耦輸出電平又可以在上電時(shí)對光耦起到保護(hù)作用。

圖2　開關(guān)量輸入電路

Fig.2 Switching input circuit

　　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(xiàn)以QJ11，QJ1這路控制電路來說明電路工作原理，當(dāng)CPU輸出高電平時(shí)三極管QJ11不導(dǎo)通，OUT11不會(huì)輸出電流光藕不會(huì)導(dǎo)通，JT1也輸出高電平，QJ1不會(huì)導(dǎo)通繼電器不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)CPU輸出低電平時(shí)三極管QJ11導(dǎo)通，OUT1輸出高電平使光耦導(dǎo)通， JT1變?yōu)榈碗娖剑龢O管QJ1導(dǎo)通OUT1輸出低電平使繼電器發(fā)生動(dòng)作。圖3中二極管DJ1～DJ4作為繼電器續(xù)流二極管。

圖3　繼電器控制電路

Fig.3 Relay control circuit

　　控制輸出部分可采用機(jī)電式繼電器或固體繼電器。前者價(jià)格便宜，市場產(chǎn)品豐富，驅(qū)動(dòng)線路也比較簡單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生“火花”，嚴(yán)重時(shí)可影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在PCB板布局時(shí)應(yīng)將繼電器盡量遠(yuǎn)離單片機(jī)并靠近儀表的輸出端口。另外，在繼電器線圈兩端應(yīng)并聯(lián)續(xù)流二極管，否則在繼電器線圈斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，從而破壞電路。固態(tài)繼電器具有壽命長、性能穩(wěn)定，無火花等特點(diǎn)，本產(chǎn)品中考慮到產(chǎn)品的可靠性要求采用固態(tài)繼電器。
1.3   通訊單元
 　　通訊電路如圖4所示。通訊電路實(shí)現(xiàn)將CPU串口輸出電平轉(zhuǎn)換到RS485電平。本電路的巧妙之處在于數(shù)據(jù)收發(fā)直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節(jié)省CPU資源簡化程序設(shè)計(jì)。

圖4　通訊電路

Fig.4 Communications circuit

1.4  CPU單元
　　CPU單元是電機(jī)保護(hù)器的核心單元。信號(hào)采集，各種報(bào)警處理，通信功能，顯示功能……都是由它來完成的。本產(chǎn)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(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，1路IIC接口，8路10位A/D，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，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），片上復(fù)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

Fig.5 Cpu circuit

　　因?yàn)锳/D功能，IIC功能，RTC，定時(shí)器，看門狗等功能都已經(jīng)集成到芯片內(nèi)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(qū)動(dòng)能力的上拉電阻和穩(wěn)定信號(hào)的濾波電容即可。

2　 軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)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(hù)量計(jì)算，保護(hù)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(hù)器才能可靠工作。程序流程圖如圖6所示：

 圖6　程序流程

Fig.6 Flow chart of software

3　 抗干擾措施
　　電動(dòng)機(jī)保護(hù)器作為保護(hù)電動(dòng)機(jī)裝置要具有很強(qiáng)的抗干擾性。在本產(chǎn)品軟硬件設(shè)計(jì)過程中采取如下措施提高產(chǎn)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(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145º線，不走直角線；使用CPU內(nèi)部看門狗監(jiān)控程序運(yùn)行。2軟件方面：各路信號(hào)采集都使用軟件濾波，增加采樣值的準(zhǔn)確性。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)品一次性順利通過3C安全認(rèn)證型式試驗(yàn)。

4　 結(jié)論
　　ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，集測量、保護(hù)、控制、通訊于一身，產(chǎn)品性能安全可靠，可以對電動(dòng)機(jī)實(shí)施可靠有效的保護(hù)。ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在實(shí)際使用中完全可以替熱繼電器、溫度繼電器等傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品，替代各種指針式電量表、信號(hào)燈、電量變送器等常規(guī)元件，簡化電動(dòng)機(jī)控制電路，減少柜內(nèi)電纜連接及現(xiàn)場施工量。

　　文章來源于：《繼電器》2008年第5期。

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