關(guān)鍵詞： AVR； ProfiBUS-DP； 電動機(jī)； 控制； 保護(hù)
電動機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最廣泛應(yīng)用的動力設(shè)備，國內(nèi)每年因電動機(jī)過載、短路、堵轉(zhuǎn)、缺相、漏電、三相不均衡、起動時間過長、欠壓、過壓等故障，造成數(shù)十萬臺電動機(jī)損壞，經(jīng)濟(jì)損失巨大，甚至引發(fā)重大安全事故, 因而做好電動機(jī)的保護(hù)十分重要。當(dāng)前電動機(jī)保護(hù)一般采用熱繼電器、低壓斷路器、熔斷器等作為保護(hù)裝置[1]，該類保護(hù)裝置功能單一、能耗大、性能差，并且不具備聯(lián)網(wǎng)能力。隨著自動化程度的提高,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，不僅對電動機(jī)的控制保護(hù)裝置功能有著很高的要求,而且要求具有很強(qiáng)的通信功能,因此智能化、網(wǎng)絡(luò)化、功能多樣化、小型化、模塊化的電動機(jī)控制和保護(hù)裝置具有極大的發(fā)展和應(yīng)用空間，能夠適應(yīng)保護(hù)的可靠性、監(jiān)控的實(shí)時性要求。
本文采用AVR Atmega64高性能單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計具有ProfiBUS-DP現(xiàn)場總線的電動機(jī)智能控制和保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的起動、停止、制動、Y-△起動、遠(yuǎn)地、近地等控制，并能實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的過載、短路、缺相、漏電、三相不均衡、相序、欠電壓、過電壓等保護(hù)，具有聲音報警、故障記憶、電流、電壓顯示等功能。該裝置適合工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境需要、性能可靠、性價比高，方便現(xiàn)場設(shè)備之間以及與監(jiān)控計算機(jī)的信息交換，滿足企業(yè)綜合自動化的需要。
1 工作原理
電動機(jī)智能控制和保護(hù)裝置工作原理簡圖如圖1所示。裝置由控制單片機(jī)，電動機(jī)參數(shù)采集、分析、計算電路，ProfiBUS-DP協(xié)議電路、其他外圍輸入輸出電路構(gòu)成。由于電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)多，處理復(fù)雜，為了減輕控制單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，采用單獨(dú)智能芯片實(shí)時分析、處理電動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。
三相電動機(jī)的電壓、電流信號經(jīng)過互感器變換為采集電路規(guī)定范圍數(shù)值，參數(shù)采集、分析、計算電路對采集參數(shù)進(jìn)行分析計算，得到電路的三相電流、電壓等參數(shù)值，并傳送給高速控制單片機(jī)，控制單片機(jī)按照預(yù)定參數(shù)值判斷電動機(jī)的工作狀態(tài)，同時將工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時存儲，當(dāng)發(fā)生過載、短路、缺相、漏電、不均衡、相序錯、欠電壓、過電壓等故障時，控制單片機(jī)按照故障判斷規(guī)則送出相應(yīng)的控制和指示信號到外圍電路，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的停止、制動，發(fā)出聲光報警信號，送出故障代碼，使電動機(jī)得到有效保護(hù)。通過按鍵輸入電路能夠設(shè)置電動機(jī)的工作參數(shù)、保護(hù)參數(shù)和通信設(shè)置參數(shù)，電動機(jī)控制輸入電路可以近地直接起動、停止、制動、 Y-△起動電動機(jī)，輸出電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)信號、控制信號放大和執(zhí)行。工作參數(shù)、保護(hù)參數(shù)、控制信號通過ProfiBUS-DP電路、現(xiàn)場總線與遠(yuǎn)端監(jiān)控計算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互，并能夠?qū)崿F(xiàn)電動機(jī)的遠(yuǎn)程控制。
2 硬件設(shè)計
為適應(yīng)高速數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信的需要，裝置以ATmega64為控制單片機(jī)。ATmega64單片機(jī)采用Harvard結(jié)構(gòu)，具有單周期的RISC指令系統(tǒng)，內(nèi)部具有硬件乘法電路，數(shù)據(jù)處理速度快;I/O端口可直接驅(qū)動較大電流負(fù)載;具有讀、寫及地址所存允許控制引腳，方便擴(kuò)展和使用外部接口、外部存儲空間；支持在線編程（ISP）及在線應(yīng)用編程（IAP），方便現(xiàn)場修改和調(diào)試程序；具有支持主從機(jī)模式的SPI串行通信接口，可以方便連接主機(jī)/從機(jī)模式的串行通信單元[2]。為滿足通信和數(shù)據(jù)高速處理的需要，單片機(jī)采用16 MHz晶振。
2.1 ProfiBUS-DP通信電路設(shè)計
ProfiBUS是由SIEMENS等公司組織開發(fā)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議由ProfiBUS-DP、ProfiBUS-PA、ProfiBUS-FMS 3個兼容部分組成。其中，ProfiBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)特別適用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸[3]，本裝置采用ProfiBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)，由ProfiBUS-DP協(xié)議芯片SPC3、地址設(shè)定電路構(gòu)成Atmega64型控制單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信接口，從而可實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)裝置與上位控制計算機(jī)的遠(yuǎn)程通信，簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其電路如圖2所示。
SPC3是SIEMENS公司的ProfiBUS-DP通信協(xié)議芯片，該芯片集成了全部ProfiBUS-DP協(xié)議，SPC3的控制核心是內(nèi)部微序列器，它控制整個SPC3的工作過程。SPC3能自動識別總線的9.6 Kb/s~12 Mb/s通信波特率，通過內(nèi)部1.5 KB的雙端口RAM實(shí)現(xiàn)與總線的通信，控制單片機(jī)通過11位地址總線、8位數(shù)據(jù)線直接訪問SPC3內(nèi)部雙口RAM[4]。SPC3通信前，需要控制單片機(jī)按照規(guī)則對SPC3內(nèi)部的寄存器、數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行初始化，之后SPC3自動與總線進(jìn)行通信。采用SPC3通信協(xié)議芯片減輕了控制單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理壓力，SPC3為ProfiBUS智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計提供了廉價、方便的配置方案。
ProfiBUS-DP通信物理層采用RS485標(biāo)準(zhǔn)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，SPC3內(nèi)部電路與通信總線采用高速光電耦合器進(jìn)行電氣隔離[5],再通過RS485驅(qū)動器、物理接口與ProfiBUS-DP總線連接。另外,電源也要采用隔離措施，可以采用隔離變壓器或DC-DC變換模塊實(shí)現(xiàn)。裝置的地址由撥碼開關(guān)設(shè)定，并通過總線收發(fā)器74HC245傳送給控制單片機(jī)。
2.2 電動機(jī)參數(shù)采集、分析及計算電路設(shè)計
該部分電路主要由專用電能計量芯片ATT7028A、電路互感器、電壓互感器組成，此芯片與控制單片機(jī)及其他電路接口簡單,使用方便,其電路如圖3所示。為了減輕控制單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，加快單片機(jī)處理其他問題的速度，電動機(jī)的三相電流、三相電壓參數(shù)經(jīng)過互感器傳送給ATT7028A，由ATT7028A對模擬量進(jìn)行A/D變換，對參數(shù)進(jìn)行采集、分析、計算，獲得電動機(jī)的三相電流、三相電壓、相序等參數(shù)，之后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳送給控制單片機(jī)，按預(yù)定規(guī)則判斷電動機(jī)運(yùn)行情況。
ATT7028A芯片由6通道16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、通信等部分構(gòu)成[6]。電流、電壓信號經(jīng)過互感器輸入,各通道存在增益、相位方面的誤差，ATT7028按照預(yù)定校正數(shù)據(jù)對誤差進(jìn)行校正，各路模數(shù)轉(zhuǎn)換信號經(jīng)過運(yùn)算電路處理后，得到24位的參數(shù)輸出，電流、電壓有效值精度優(yōu)于0.5 %，非線性測量誤差低于0.1 %。由ATT7028A測量的三相電壓、三相電流、相序信號經(jīng)過串行通信接口SPI傳送給控制單片機(jī)，誤差校正數(shù)據(jù)也通過串行通信接口由控制單片機(jī)傳送給ATT7028A。
2.3 單片機(jī)其他外圍輸入輸出電路設(shè)計
除總線接口電路、參數(shù)采集與處理電路外，控制單片機(jī)還有功能按鍵輸入、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)輸入、電動機(jī)控制輸出、蜂鳴器輸出、LCD輸出、信號燈輸出、編程接口等其他輸入、輸出電路，如圖4所示。
Atmega64型單片機(jī)接口內(nèi)部具有可編程上拉電阻，按鍵輸入電路可不用外部上拉電阻；功能選擇按鍵用于裝置的功能與參數(shù)設(shè)定，由功能選擇、參數(shù)加/減調(diào)整、確定、取消5個按鍵構(gòu)成。另外，利用功能選擇鍵可以設(shè)定電動機(jī)的遠(yuǎn)控/近控、起動等狀態(tài)。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)由起動、停止、制動3個輸入按鍵實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的手工近地控制，方便系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行。Atmega64型單片機(jī)I/O口驅(qū)動能力很強(qiáng)，采用端口直接驅(qū)動光電耦合器發(fā)光二極管負(fù)載。而且I/O端口也可接上拉電阻，以提高單片機(jī)端口驅(qū)動能力，電機(jī)控制輸出電路實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的起動、制動、Y-△起動等控制輸出。蜂鳴器、信號燈對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行聲光指示，顯示部分采用1602B字符型液晶顯示模塊，顯示設(shè)置參數(shù)、采集參數(shù)、功能代碼、故障代碼等，液晶模塊采用半字節(jié)分2次傳送8位顯示參數(shù)，以便節(jié)省單片機(jī)I/O口資源。
3 電機(jī)故障參數(shù)處理原則
過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路、起動時間過長等都屬于對稱故障，其特點(diǎn)是三相電流對稱、出現(xiàn)過電流。過電流大小反映了故障的嚴(yán)重程度，采用過電流程度來判斷此類故障。過載故障電流在(1.5～5)IN之間，采用反時限跳閘方式保護(hù)；堵轉(zhuǎn)故障電流在(5～7)IN之間，采用短時限跳閘保護(hù)；短路故障電流在(8～10)IN之間，采用速斷時跳閘保護(hù)；過載、堵轉(zhuǎn)、短路保護(hù)應(yīng)躲過電動機(jī)起動電流，防止電機(jī)起動時跳閘，但是當(dāng)電機(jī)起動時間超過規(guī)定時間后，應(yīng)當(dāng)跳閘保護(hù)[7]。
斷相、相間短路、匝間短路、三相不平衡運(yùn)行、漏電等故障屬于不對稱故障，可采用對稱分量法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該類故障的特點(diǎn)是三相電流不對稱，出現(xiàn)負(fù)序電流分量、零序電流分量。采用負(fù)序電流分量、零序電流分量作為判別標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)負(fù)序電流分量、零序電流分量大小采用短時限跳閘或速斷保護(hù)。
相序保護(hù)是防止因電機(jī)反轉(zhuǎn)而損壞設(shè)備的一種保護(hù)，利用微處理器通過判斷三相電流的相序是否正常來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)A相電流正向過零時, C相電流應(yīng)大于零，則相序正確，否則相序錯。本裝置中采用ATT7028A專用芯片直接判斷相序，而后送控制單片機(jī)處理。
電網(wǎng)電壓影響電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,電網(wǎng)電壓變化時,電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，影響定子電流的變化，導(dǎo)致電動機(jī)工作不正常。電網(wǎng)電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩下降，定子電流增加，容易燒壞繞組，或引起電機(jī)起動困難，應(yīng)采用欠壓保護(hù)；當(dāng)電網(wǎng)電壓在一定時限內(nèi)低于整定值時，則進(jìn)行斷電保護(hù)。電網(wǎng)電壓過高，易造成電機(jī)絕緣損壞，縮短電機(jī)壽命，應(yīng)采用過電壓保護(hù)；當(dāng)電網(wǎng)電壓在一定時限內(nèi)高于整定值，則應(yīng)斷電保護(hù)。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)軟件由初始化程序、鍵盤處理程序、參數(shù)設(shè)定程序、加載參數(shù)初始值程序、SPC3芯片參數(shù)修改程序、ATT7028A芯片參數(shù)修改程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、中斷服務(wù)程序、通信程序、報警程序等構(gòu)成。系統(tǒng)流程如圖5所示。
編制程序時設(shè)定參數(shù)默認(rèn)初始值，裝置初次工作或選擇恢復(fù)出廠設(shè)置功能時，自動加載參數(shù)初始值，可通過功能按鍵根據(jù)被控制對象及實(shí)際要求修改電動機(jī)保護(hù)參數(shù)設(shè)定值，由控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對ATT7028A芯片、SPC3芯片參數(shù)按要求修改；控制單片機(jī)從ATT7028A芯片獲得電動機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、并按照預(yù)定規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示選定參數(shù)，同時判斷電動機(jī)是否存在故障，有故障則發(fā)出聲光報警信號，產(chǎn)生相應(yīng)的電動機(jī)控制信號；無故障則電動機(jī)按預(yù)定指令正常運(yùn)行?？刂茊纹瑱C(jī)通過SPC3芯片實(shí)現(xiàn)與其他ProfiBUS總線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
本文介紹的電動機(jī)智能控制和保護(hù)裝置,采用Atmega64型高性能單片機(jī)為主控制芯片,以專用電能計量芯片ATT7028A實(shí)現(xiàn)電動機(jī)參數(shù)的采集，以ProfiBUS協(xié)議芯片SPC3實(shí)現(xiàn)裝置的聯(lián)網(wǎng)通信，同時結(jié)合其他輸入、輸出電路，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的智能控制和保護(hù)，裝置設(shè)計簡潔、性價比高、功能強(qiáng)，便于組網(wǎng)，適合企業(yè)綜合自動化的需要，有利于提高企業(yè)的自動化水平，具有良好的市場應(yīng)用價值。
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