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基于MCF51EM256的智能电动机保护器的设计及应用 广州安科瑞

已有 310 次阅读2014-7-1 11:30 |个人分类:行业论文

基于MCF51EM256的智能电动机保护器的设计及应用

郭浩1   李红军2   陆伟青3
   (1. 郭浩,安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定 201801)
(2. 李红军,北方特种能源集团西安庆华     西安 710025)
   (3. 陆伟青,安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定 201801)

摘要:采用Freescale公司Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256芯片,设计了一款高性能的ARD2L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、MCF51EM256、ARD2L、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90%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、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ARD2L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
  ARD2L的硬件电路包括主控芯片MCU,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,RS-485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硬件电路框图

1.1 主控芯片
  MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256,时钟频率最高可达50.33MHz,内置256K的Flash、16K的RAM、4个独立16位A/D通道、3路定时器、3路SCI通讯接口以及内置RTC时钟、I2C、SPI、KBI接口等多种资源,具有极高的性价比。
1.2 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AC85V~265V,输入频率45Hz~60Hz,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 <1%;电源输入部分设计加入压热敏电阻、TVS管、防反接二极管等器件,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[4]。
1.3 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CPU进行软件差分运算,电流采样电路如图2所示。以A相6.3A规格为例,采用的电流互感器变比为100A:20mA,5P10保护型。该方案电流测量在1.2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8倍计算,即给互感器加上50.4A电流,通过取样电阻R1的电流为10.08mA,两端电压为0.886V。同时,给采样信号抬高电压UREF=1.2V,使交流信号的幅值大于零,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/D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3所示。该电路采用MCP6002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74HC595和三极管构成;液晶显示采用拓普威公司LM12832BCW的128点阵中文液晶,其数据传输采用SPI串口,可极大地节省CPU资源。同时,LED和LCD显示采用同一个SPI接口控制,使得两种显示方式可以通用。
1.5 控制模块
  控制模块主要由开关量输入、输出组成,如图4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4 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Modbus RTU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DC 4~20mA模拟量输出,方便与PLC、PC等控制机组成网络系统,实现电动机运行的远程监控。
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/D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(void)                       
  {
    DisableInterrupts;                        
    MCU_initi();     //CPU初始化                                
      if(_RES==0)      //判断是数码管或液晶显示
      led_or_lcd=0;                    
    else
    {
      led_or_lcd=1;                    
      PTBDD_PTBDD2=1;            
      PTDDD_PTDDD4=1;             
      lcd_init2(); 
    }
    recover_FIRSTFLAG();     //恢复内存校表数据    
    if(FIRSTFLAG!=0x1234){init_flash();} 
    else recover_byte();
  
    initi_uart2();                                   
    relay_all_initi();                 //继电器至位初始状态   
    EnableInterrupts     //启动中断
  
    Vref_init();                       
    sampling_init();                 //AD采样初始化  
    for(;;) 
    {
      __RESET_WATCHDOG();                 
      if(over_flag==1)          //计算及保护
      {
        over_flag=0;   
        measure_ABC();           
        protect(); 
        sent();          // 变送输出
      }
      
      measure_frequency_a();       // 测频
      rtc_time_deal();           
      warning_deal();
      trouble_deal();
      program1();         // 继电器可编程处理
                             
      event_deal();                                
      getkey(); 
      DI_read();
      reset();          // 复位
      lamp_deal();                               
      stat();            // 统计总运行时间、停车时间
        display();          // 测量数据和保护事件显示          
    }
  }
  
  ARD2L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 5 主程序流程图(部分)

3 测试结果与精度验证
3.1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40%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,ARD2L智能电动机保护器在10%~120%Ie测量范围内的精度满足0.5级,Ie为电机额定功率[5]。

表1 ARD2L智能电机保护器三相电流测试结果

 3.2保护时间测试结果
  ARD2L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JB/T 10736-2007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2可知,该保护器满足脱扣延时保护时间误差为±10%或100mS的精度要求[6]。
4 典型应用
  采用直接起动模式的ARD2L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KM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EM256设计了一款高性能、多功能的ARD2L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。

 

文章来源:《电工技术》2014年 第3期


参考文献:
[1]  马新军,电机保护器设计,硕士学位论文,东北大学,2005. 
[2]  丁金磊,基于ARM的电动机综合保护器装置设计,硕士学位论文,2008.
[3]  安科瑞电气股份有限公司,ARD2智能电动机保护器选型手册,2013. 
[4]  任志程,周中,电力电测数字仪表原理与应用指南,中国电力出版社,2007.
[5]  ARD3系列智能电动机保护器,上海市企业标准,Q/TDEI 27-2011
[6]  JB/T 10736-2007 低压电动机保护器. 


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