基于MCF51EM256的智能電動機保護器的設計及應用

孫麗莉
摘要：采用Freescale公司Coldfire-V0架構內核的32位處理器MCF51EM256芯片，設計了一款高性能的ARD2L智能電動機保護器，并對該保護器的硬件和軟件設計方案進行詳細介紹。該保護器集眾多保護功能于一體，提高了電動機運行的可靠性，減少了因電動機運行故障帶來的經濟損失。
關鍵字：智能電動機保護器、MCF51EM256、ARD2L、保護時間
0 引言
　　現代工礦企業中，以電動機作為動力的比例占全部動力的90%以上，它們已是當今生產活動和日常生活中最主要的原動力和驅動裝置[1,2]，為此檢測與保護電動機的正常運行有著非常重要的意義。保護器經歷了熱繼電器、熔斷器、電磁式電流繼電器、模擬電子式電機保護器，最后發展到數字電子式電機保護器即當今的智能電機保護器。本文設計了一款針對電動機在運行過程中出現的起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等情況進行保護的ARD2L智能電動機保護器（以下簡稱ARD2L），可有效提高電動機運行的安全性，降低生產損失，是傳統熱繼電器的理想替代品[3]。
1 硬件設計
　　ARD2L的硬件電路包括主控芯片MCU，頻率信號、電流信號、零序電流信號采集電路，開關量輸入模塊，繼電器輸出模塊，變送輸出模塊，RS-485通訊接口，人機交互單元（狀態指示燈、數碼管/液晶顯示），硬件電路框圖如圖1所示。

圖 1 ARD2L硬件電路框圖

1.1 主控芯片
　　MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架構內核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達50.33MHz，內置256K的Flash、16K的RAM、4個獨立16位A/D通道、3路定時器、3路SCI通訊接口以及內置RTC時鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，具有極高的性價比。
1.2 電源   
　　電源是設備能否正常、穩定、可靠工作的關鍵部分，ARD2L采用安科瑞的通用開關電源模塊。該模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對不同供電電壓的要求。其輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％；電源輸入部分設計加入壓熱敏電阻、TVS管、防反接二極管等器件，對過壓、過流等有一定的保護作用，同時能使產品通過嚴酷的EMC測試。該模塊經現場實際使用，具有很高的穩定性、可靠性和抗干擾能力[4]。
1.3 信號采集電路
　　信號采集電路負責采集電流信號、頻率信號和零序電流信號。其中，電流信號采用互感器隔離輸入，將交流信號抬高后送入CPU進行軟件差分運算，電流采樣電路如圖2所示。以A相6.3A規格為例，采用的電流互感器變比為100A：20mA，5P10保護型。該方案電流測量在1.2倍范圍內達到0.5S精度，在8倍范圍內滿足5S精度，而其過載能力按8倍計算，即給互感器加上50.4A電流，通過取樣電阻R1的電流為10.08mA，兩端電壓為0.886V。同時，給采樣信號抬高電壓UREF=1.2V，使交流信號的幅值大于零，便于A/D采樣；在電路的輸出端加入限壓二極管，使輸入電壓限制在3.3V以下，能對A/D采樣通道起到很好的保護作用。

　　圖2 電流采樣電路圖

　　頻率采樣電路如圖3所示。該電路采用MCP6002雙運放進行兩級放大，初級放大倍數較小，且在初級與次級之間進行濾波處理，次級運放將交流信號整形為方波信號，通過邊沿觸發方式捕捉，然后在CPU內部計算測量頻率。

圖3 頻率采樣電路圖

1.4人機交互界面
　　人機交互界面的顯示采用數碼管或液晶兩，用戶可以根據實際需要選擇顯示方式，輸入采用按鍵方式。其中，數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路采用74HC595和三極管構成；液晶顯示采用拓普威公司LM12832BCW的128點陣中文液晶，其數據傳輸采用SPI串口，可極大地節省CPU資源。同時，LED和LCD顯示采用同一個SPI接口控制，使得兩種顯示方式可以通用。
1.5 控制模塊
　　控制模塊主要由開關量輸入、輸出組成，如圖4所示。其中，開關量輸入用于監測斷路器、接觸器的開關狀態和采集現場的工業聯鎖狀態，也可根據客戶要求用于電動機的起停控制；開關量輸出主要用于輸出脫扣信號、報警信號和遠程起/停信號。

圖4 開關量輸入輸出電路

1.6 通訊/變送模塊
　　通訊模塊采用RS-485模塊Modbus RTU通訊規約，能實現遙測、遙控、遙信等功能。而變送是將我們需要的電流信號轉換為DC 4~20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統，實現電動機運行的遠程監控。
2 軟件設計
　　ARD2L的軟件設計主要采用嵌入式C語言，其中保護器軟件設計包括每次上電系統配置的初始化，按鍵寄存器復位，判斷顯示單元是數碼還是液晶，繼電器置位初始狀態，A/D采樣初始化以及電參量的計算與保護等。軟件的主函數如下：
　　
　　void main(void)                      
　　{
　　  DisableInterrupts;                       
　　  MCU_inITi();     //CPU初始化                               
      if(_RES==0)      //判斷是數碼管或液晶顯示
　　    led_or_lcd=0;                   
　　  else
　　  {
　　    led_or_lcd=1;                   
　　    PTBDD_PTBDD2=1;           
　　    PTDDD_PTDDD4=1;            
　　    lcd_init2();
　　  }
　　  recover_FIRSTFLAG();     //恢復內存校表數據    
　　  if(FIRSTFLAG!=0x1234){init_flash();}
　　  else recover_byte();
　　
　　  initi_uart2();                                  
　　  relay_all_initi();                 //繼電器至位初始狀態  
　　  EnableInterrupts     //啟動中斷
　　
　　  Vref_init();                      
　　  sampling_init();                 //AD采樣初始化 
　　  for(;;)
　　  {
　　    __RESET_WATCHDOG();                
　　    if(over_flag==1)          //計算及保護
　　    {
　　      over_flag=0;  
　　      measure_ABC();          
　　      protect();
　　      sent();          // 變送輸出
　　    }
　　   
　　    measure_frequency_a();       // 測頻
　　    rtc_time_deal();          
　　    warning_deal();
　　    trouble_deal();
　　    program1();         // 繼電器可編程處理
                            
　　    event_deal();                               
　　    getkey();
　　    DI_read();
　　    reset();          // 復位
　　    lamp_deal();                              
　　    stat();            // 統計總運行時間、停車時間
        display();          // 測量數據和保護事件顯示         
　　  }
　　}
　　
　　ARD2L的軟件流程主要包括A/D信號采集程序、TPM測頻程序、電參量計算程序、保護處理程序、各種通訊協議處理程序等，部分程序流程如圖5。

圖 5 主程序流程圖（部分）

3 測試結果與精度驗證
3.1電流準確度測試結果
　　電流準確度測試源采用南京丹迪克的DK-34B1交流采樣變送器，其中對基波的測試是通過加40%畸變率的3次諧波進行的。表1測試了6.3A規格的ARD2L智能電動機保護器三相電流的有效值與基波值，由表中數據可看出，ARD2L智能電動機保護器在10%~120%Ie測量范圍內的精度滿足0.5級，Ie為電機額定功率[5]。

表1 ARD2L智能電機保護器三相電流測試結果

 3.2保護時間測試結果
　　ARD2L智能電機保護器具備起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等保護功能，根據JB/T 10736-2007標準進行了保護時間測試，見表2。

表2 ARD2L保護時間測試結果

　　由表2可知，該保護器滿足脫扣延時保護時間誤差為±10%或100mS的精度要求[6]。
4 典型應用
　　采用直接起動模式的ARD2L智能電動機保護器接線如圖6所示。其中，電機的起停是通過現場按鈕來控制的(保護器本身不控制電機起停），接觸器KM的吸引線圈串進脫扣繼電器的常閉觸點。通電后，按下起動按鈕SF 時，KM吸引線圈得電，使KM主觸頭閉合，電動機開始工作；按下停車按鈕SS時，KM吸引線圈失電，使KM主觸點釋放，電機停止工作。遠程起動必須要由上位機來控制，保護器本身不控制。

圖6  ARD2L電機保護器直接起動模式接線圖

5 結束語
　　本文采用EM256設計了一款高性能、多功能的ARD2L智能電機保護器，并對其電源、信號采集、輸入輸出控制等硬件電路進行了詳細介紹，通過軟件主函數和流程圖分析了保護器運行過程。電流準確度與保護時間的測試結果表明，該保護器具有優異的測量與保護功能。