浅谈ARD3电动机保护器设计原理

随着电子技术的发展，电动机保护器正向基于现场总线的智能型方向发展。我公司设计的ARD3电动机保护器立足于国内先进水平，是具有智能保护和可通信功能的电动机保护器。产品系列电流范围齐全，产品系列额定电流范围1.6～800A；可测量的电流范围宽，可以达到10倍电机额定电流；采用先进的软件算法和可靠的硬件设计，对电动机的过载、断相、三相不平衡、堵转、阻塞、过压、欠压等故障进行有效判断和可靠保护，过载保护采用计算分析当前电动机的热容量的方法，根据热容情况判断电动机的过载状态，此种方法可以最大发挥电动机的过载能力；配有可编程开关量输入、继电器输出，用于实现远程主站对电动机运行状态的遥信监视和直接起动、自耦降压、星-三角等起动方式；带有标准RS-485接口ModBus通讯协议实现计算机联网。
1　 硬件设计 
　　ARD3电动机保护器用H8/3687FP单片机实现电动机的保护功能。在硬件方面主要由三相电流信号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等几部分构成，下面分别对其中的关键部分作简要介绍。

1.1  信号采集单元
　　
ARD3电动机保护器采用交流采样算法计算被测信号。采样方式是按一定周期（称为采样周期）连续实时采样被测信号一个完整的波形（对于正弦波只需采样半个周期即可），然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算，从而得到被测信号的真有效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。
　　
信号采集单元的功能取样、整流、放大互感器二次测的输出信号，将这些信号转换为单片机可处理的信号。ARD3电动机保护器中处理三相电流信号、剩余电流信号、电压信号的信号采集放大电路原理都相同，现以一路电流信号采集放大电路为例说明电路工作原理。  

图1　信号采集放大电路　　

信号采集放大电路如图1所示。在图中二极管A1、A7是双向二极管，对后级电路起到过压保护作用。当输入的信号在正常范围内，A1、A7不起作用，当输入信号超出正常范围（或有脉冲干扰信号出现）时，A1、A7导通，防止超出后级电路端口范围的信号进入后级电路，破坏后级A/D电路。CR1为取样电阻，将从CT1输出的电流信号转变为电压信号。LM324和CR4，CR7，CR10，CR13组成同相放大电路将电压信号放大后输入A/D转换电路。
　　
图1中LM324采用双电源供电，这样可以保证LM324输出电压达到5V充分利用A/D转换提高显示精度。图1中通过运放将输入信号进行分档处理，小信号从P1.0输出大信号从P1.1输出。这样处理是因为：电动机保护器要处理的电流范围很宽（要从电动机1倍额定电流到10倍额定电流），分档处理可以提高测量精度。

1.2   I/O单元
　　
开关量输入处理电路如图2所示。电路开关量由IN1～IN7输入，通过光藕后产生IS1～IS7，并行信号IS1～IS7输入到74HC165，通过74HC165将并行信号转换为串行信号传送给CPU。电阻R11～R18起到限流作用保护光耦中的二极管不被损坏。RS1～RS8是上拉电阻与电容CS～CS8配合使用既可以稳定光耦输出电平又可以在上电时对光耦起到保护作用。

图2　开关量输入电路Fig.2 Switching input circuit　　

继电器控制电路如图3所示。JDQ1～JDQ4与CPU连接，三极管QJ11～QJ14的供电电压是+5V，三极管QJ1～QJ4的供电电压是+24V。现以QJ11，QJ1这路控制电路来说明电路工作原理，当CPU输出高电平时三极管QJ11不导通，OUT11不会输出电流光藕不会导通，JT1也输出高电平，QJ1不会导通继电器不会动作。当CPU输出低电平时三极管QJ11导通，OUT1输出高电平使光耦导通， JT1变为低电平，三极管QJ1导通OUT1输出低电平使继电器发生动作。图3中二极管DJ1～DJ4作为继电器续流二极管。

图3　继电器控制电路Fig.3 Relay control circuit　　

控制输出部分可采用机电式继电器或固体继电器。前者价格便宜，市场产品丰富，驱动线路也比较简单，但可靠性和使用寿命有限，且在触点动作时会产生“火花”，严重时可影响系统的正常工作。因此，在PCB板布局时应将继电器尽量远离单片机并靠近仪表的输出端口。另外，在继电器线圈两端应并联续流二极管，否则在继电器线圈断电瞬间会产生较高的感应电压，从而破坏电路。固态继电器具有寿命长、性能稳定，无火花等特点，本产品中考虑到产品的可靠性要求采用固态继电器。

1.3   通讯单元
　　
通讯电路如图4所示。通讯电路实现将CPU串口输出电平转换到RS485电平。本电路的巧妙之处在于数据收发直接由硬件来控制，不用CPU参与控制，这样可以节省CPU资源简化程序设计。

图4　通讯电路Fig.4 Communications circuit1.4  CPU单元
　　
CPU单元是电机保护器的核心单元。信号采集，各种报警处理，通信功能，显示功能……都是由它来完成的。本产品采用的CPU芯片是瑞萨公司的H8/3687芯片，该芯片功能如下：62条基本指令； RTC（片上实时时钟，可作为自由运算计数器使用），SCI（异步或者时钟同步串行通信接口）2路，1路IIC接口，8路10位A/D，８位定时器２个（Timer B1,TimerV），16位定时器１个（TimerZ），看门狗定时器，14位PWM，45个I/O引脚（H8/3687N有43个I/O引脚），包括8个可直接驱动LED的大电流引脚（IOL=20mA,@VOL=1.5V），片上复位电源POR电路，片上低电压检测电路（LVD）。该芯片有两种封装形式：LQFP-64（10mm×10mm）FP-64(14mm×14mm) 。CPU单元电路如图5所示。图5　CPU电路Fig.5 Cpu circuit　　因为A/D功能，IIC功能，RTC，定时器，看门狗等功能都已经集成到芯片内部，所以CPU单元的外围电路十分简洁，各引脚只需外接增加端口驱动能力的上拉电阻和稳定信号的滤波电容即可。2　 软件设计
　　
系统软件要完成三相电流、1路剩余电流、三路电压A/D，各种保护量计算，保护功能判断处理，显示电压、电流，故障记录，按键处理，通讯，变送等功能。只有合理安排程序流程来完成这些功能，保护器才能可靠工作。程序流程图如图6所示： 图6　程序流程Fig.6 Flow chart of software3　 抗干扰措施

电动机保护器作为保护电动机装置要具有很强的抗干扰性。在本产品软硬件设计过程中采取如下措施提高产品的抗干扰性：1硬件方面：电源部分加EMC滤波器，高频变压器次级与初级加高压电容，输出部分加滤波电路；信号采集部分增加滤波电路；在作信号处理的各芯片输入口处加端口保护电路；在各芯片电源输入处加去藕电容；继电器两端并联续流二极管，加光耦与CPU端口隔离；不使用的CPU端口定义为输出状态；PCB板布局时模拟部分与数字部分作分区处理，模拟信号在模拟区域内布线，数字信号数字区域内布线，二者不进入彼此区域内；布线时尽量加粗电源线与地线，信号线走线时走145o线，不走直角线；使用CPU内部看门狗监控程序运行。2软件方面：各路信号采集都使用软件滤波，增加采样值的准确性。通过采取一系列的措施，产品的抗干扰性能大幅提高，本产品一次性顺利通过3C安全认证型式试验。

4　 结论
　　

ARD3电动机保护器采用先进的设计方案，集测量、保护、控制、通讯于一身，产品性能安全可靠，可以对电动机实施可靠有效的保护。ARD3电动机保护器在实际使用中完全可以替热继电器、温度继电器等传统的电动机保护产品，替代各种指针式电量表、信号灯、电量变送器等常规元件，简化电动机控制电路，减少柜内电缆连接及现场施工量。