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1、基于MCF51EM256的智能电动机保护器的设计及应用孙丽莉摘要:采用Frescale公司Colfi-0架构内核的位处理器MC51E256芯片,设计了一款高性能的R2L智能电动机保护器,并对该保护器的硬件和软件设计方案进行详细介绍。该保护器集众多保护功能于一体，提高了电动机运行的可靠性，减少了因电动机运行故障带来的经济损失。关键字：智能电动机保护器、MF51EM256、AR2L、保护时间0引言 现代工矿企业中,以电动机作为动力的比例占全部动力的0以上，它们已是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置1,2,为此检测与保护电动机的正常运行有着非常重要的意义。保护器经历了热继电器、熔断器、
2、电磁式电流继电器、模拟电子式电机保护器,最后发展到数字电子式电机保护器即当今的智能电机保护器。本文设计了一款针对电动机在运行过程中出现的起动超时、过载、欠载、短路、断相、不平衡、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等情况进行保护的ARDL智能电动机保护器(以下简称ARD2L)，可有效提高电动机运行的安全性，降低生产损失,是传统热继电器的理想替代品3。1 硬件设计 ARDL的硬件电路包括主控芯片MU，频率信号、电流信号、零序电流信号采集电路,开关量输入模块,继电器输出模块，变送输出模块，-48通讯接口,人机交互单元(状态指示灯、数码管/液晶显示），硬件电路框图如图1所示。图 1 ARD2L硬件电路框
3、图1.1 主控芯片 MCU芯片采用freesale公司的Coldfire-0架构内核的3位处理器M51EM56，时钟频率最高可达03MHz,内置256K的lah、6K的RAM、个独立16位A/D通道、3路定时器、路SCI通讯接口以及内置RTC时钟、I2C、PI、KBI接口等多种资源，具有极高的性价比。.2 电源 电源是设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分,ARD2L采用安科瑞的通用开关电源模块。该模块输入电压为A85V6,输入频率45z0Hz,具有多路隔离电压输出,满足多种功能对不同供电电压的要求。其输出电压稳定、故障率小,输出纹波 %;电源输入部分设计加入压热敏电阻、TV管、防反接二极管等
4、器件，对过压、过流等有一定的保护作用,同时能使产品通过严酷的EMC测试。该模块经现场实际使用,具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。13信号采集电路 信号采集电路负责采集电流信号、频率信号和零序电流信号。其中,电流信号采用互感器隔离输入,将交流信号抬高后送入PU进行软件差分运算,电流采样电路如图2所示。以相6.3A规格为例,采用的电流互感器变比为100A：0A,P10保护型。该方案电流测量在12倍范围内达到0.5S精度，在8倍范围内满足5S精度,而其过载能力按倍计算,即给互感器加上5.4电流,通过取样电阻1的电流为1.08mA，两端电压为.886。同时，给采样信号抬高电压EF=1.2,使交流信
5、号的幅值大于零，便于A/D采样;在电路的输出端加入限压二极管,使输入电压限制在3.3V以下，能对A/采样通道起到很好的保护作用。 图2 电流采样电路图 频率采样电路如图所示。该电路采用CP6002双运放进行两级放大，初级放大倍数较小,且在初级与次级之间进行滤波处理,次级运放将交流信号整形为方波信号,通过边沿触发方式捕捉，然后在CPU内部计算测量频率。图3 频率采样电路图1.4人机交互界面人机交互界面的显示采用数码管或液晶两,用户可以根据实际需要选择显示方式，输入采用按键方式。其中，数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路采用74H595和三极管构成；液晶显示采用拓普威公司L12832CW的128
6、点阵中文液晶，其数据传输采用SPI串口，可极大地节省CU资源。同时,LED和LCD显示采用同一个P接口控制,使得两种显示方式可以通用。.控制模块控制模块主要由开关量输入、输出组成，如图所示。其中,开关量输入用于监测断路器、接触器的开关状态和采集现场的工业联锁状态，也可根据客户要求用于电动机的起停控制；开关量输出主要用于输出脱扣信号、报警信号和远程起/停信号。图 开关量输入输出电路1.6通讯/变送模块通讯模块采用RS-485模块ModbusR通讯规约,能实现遥测、遥控、遥信等功能。而变送是将我们需要的电流信号转换为C42mA模拟量输出,方便与PLC、P等控制机组成网络系统,实现电动机运行的远程监
7、控。2 软件设计ARD2L的软件设计主要采用嵌入式C语言,其中保护器软件设计包括每次上电系统配置的初始化，按键寄存器复位,判断显示单元是数码还是液晶,继电器置位初始状态，A/采样初始化以及电参量的计算与保护等。软件的主函数如下: void main（oid) DisabeIntrrup; MCU_iit（);/PU初始化 f（_ES=0）/判断是数码管或液晶显示 _rld=；els le_o_d=1; PTBDD_PTBDD2=; PTD_DDD41; lc_init2()； recv_FIRSFLAG（);/恢复内存校表数据 i(FISTFLG!x234)nt_fash(); se eoer
8、_yte（）; iiti_rt2（); rlyal_in(); /继电器至位初始状态 Eableterrup/启动中断 Vref_in(); sming_init（）； /AD采样初始化 for（;；) _EET_ADOG(); if(over_lag=) /计算及保护 ove_fl=0； meaure_AB()； potec(）； sent(); / 变送输出 mease_equeny_a（）；/测频rtcm_dal（)； aning_deal(); troube_deal(); progra()； /继电器可编程处理 evnt_eal()； getey(); Dea（); ree(）; /
9、复位 amp_da(）; tat(); / 统计总运行时间、停车时间 dila(); / 测量数据和保护事件显示 RDL的软件流程主要包括A/D信号采集程序、TPM测频程序、电参量计算程序、保护处理程序、各种通讯协议处理程序等,部分程序流程如图5。图 主程序流程图（部分)3 测试结果与精度验证3.电流准确度测试结果 电流准确度测试源采用南京丹迪克的DK-34B1交流采样变送器,其中对基波的测试是通过加4畸变率的3次谐波进行的。表1测试了6.3A规格的ARD2L智能电动机保护器三相电流的有效值与基波值，由表中数据可看出，AD2L智能电动机保护器在10%20%I测量范围内的精度满足.5级,e为电机
10、额定功率5。表AR2L智能电机保护器三相电流测试结果3.保护时间测试结果 AR2L智能电机保护器具备起动超时、过载、欠载、短路、断相、不平衡、接地漏电、堵转、阻塞、外部故障等保护功能,根据B/T10736200标准进行了保护时间测试，见表2。表2 ARD2L保护时间测试结果 由表可知，该保护器满足脱扣延时保护时间误差为10或10mS的精度要求6。 典型应用采用直接起动模式的ARD智能电动机保护器接线如图6所示。其中,电机的起停是通过现场按钮来控制的(保护器本身不控制电机起停），接触器M的吸引线圈串进脱扣继电器的常闭触点。通电后，按下起动按钮SF 时，KM吸引线圈得电，使KM主触头闭合，电动机开始工作；按下停车按钮SS时,KM吸引线圈失电，使KM主触点释放,电机停止工作。远程起动必须要由上位机来控制，保护器本身不控制。图6 ARD2L电机保护器直接起动模式接线图5 结束语 本文采用E56设计了一款高性能、多功能的ARL智能电机保护器，并对其电源、信号采集、输入输出控制等硬件电路进行了详细介绍,通过软件主函数和流程图分析了保护器运行过程。电流准确度与保护时间的测试结果表明，该保护器具有优异的测量与保护功能。
