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MCF51EM256设计的智能电动机保护器的设计及应用

时间:2014-10-15 来源:未知 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
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。

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&#91;4&#93;。

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
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