基于单片机的智能电机保护器设计

2021-10-27柳丽雅

通信电源技术 2021年10期

柳丽雅

（江苏省江阴中等专业学校，江苏无锡 214433）

0 引言

随着工业技术的不断发展，三相异步电动机已经逐渐应用于工业领域，并且电动机可以携带多种负载，一旦出现故障，将会导致整体电力系统中断，甚至可能会导致企业的停产[1]。因此，探究电机的保护具有重要的经济价值和实用价值。电机保护器是实现对电机保护的重要装置，目前市场上存在较多型号的电机保护器，但是在具体的应用中，价格相对较低的保护器无法达到对应的保护功能，而价格过高的保护器则需要企业付出更高的成本，均不利于实现对电机的保护[2]。基于此，探究基于单片机的智能电机保护器设计成为重要的课题。

1 电机保护理论及故障类型

1.1 电机保护理论

对于电动机的保护，主要包括对称故障和非对称故障两种保护类型。对称故障发生时，电机电流通常不会增加，并且会产生负序电流，造成动力矩降低，另外还会产生故障电流，影响电机的正常使用[3]。对于电机的保护通常是采用短路保护、断相保护以及接地保护等方式。而在非对称故障电机保护中，按照星型接法时会产生零序电流，因此需要判断是否产生零序电流，以此来制定电动机保护器[4]。

1.2 故障类型

电机的故障类型相对较多，包括以下几个方面。（1）起动超时。电机启动环节，如果长时间处于启动状态，则会产生过大的电流，造成电机过热。（2）过压。电机运行中，在发生故障时容易导致电流增加，进而使得电机内部电流逐渐增大，损坏电机[5]。（3）堵转。在电机运行中，负载过大，使得电机容易出现故障，损坏电机轴，进而损毁电机。（4）过载。电机运行时超过额定电流运行将导致电机热量过高，损毁电机。（5）短路。电机运行出现短路，导致电流和热量过高[6]。（6）断相。在三相异步电动机运行中，转速降低，一相断线使得其余未断相部位电流升高。（7）不平衡故障。电机运行时，三相产生负序电流，对电机的运行产生影响[7]。（8）接地故障。在中性点不接地的情况下，如果系统出现故障，则将会导致电容增大，热量增加，严重影响电机的正常运行。

2 基于单片机的智能电机保护器系统设计

2.1 总体设计

2.1.1 硬件设计

基于单片机实现对系统电路保护器的设计，其单片机芯片选择AT89S52。电路模块的设计中，主要包括模拟量模块、开关量模块、时钟模块、电源模块以及存储模块[8]。系统的原理如图1所示。

图1 系统框架结构设计图

在系统整体结构的设计中，采用三相电压以及三相电流的采样模式，采集电流信号，将相关电路信息放大，经过A/D转化器的处理将相关电路信息传递到AT89S52，之后与系统设定的阈值进行对比，确定电机是否存在故障。如果电机出现故障问题，则会提供故障类型判断，并且单片机通过控制继电器可以实现报警保护。同时，在系统的控制中，通过键盘输入的方式可以设计额定电流、启动时间以及额定电压等参数，最终确保电机的稳定运行。

2.1.2 软件方案设计

在本次软件方案设计中，结合电机保护器的设计，选择使用C语言，工具选择Keil C51，经过软件的编译后将相关信息传输到单片机的芯片，进而实现对电机的整体保护[9]。在系统的流程中，先会对系统进行初始化，设计参数的子程序，并且读取参数。在设计电机起动和停止程序后实现对信号的采集，之后电机判断子程序故障。如果存在故障，则会显示故障的类型，并且制定输出保护动作，而如果不存在故障，则系统正常运转。

在主程序设计完成后，需要对模型参数进行初始化处理，判断系统参数是否完成设计，如果参数完成设计，则进入子程序，如果未完成则会进入输入读取界面，读取EEPROM的数据，然后进入启动环节。通过控制三相电流和三相电压可以实现对电信号的采样和数据的转换，并且做出对应的保护动作，进而实现对电机的有效保护。在参数的设计中，键盘的型号选择ZLG7290，在参数修改完成后，按确认即可完成修改。

在参数设定完成后系统进入启停程序，此时会判断电机是否处于启停的状态，如果处于启动状态，则显示启动的标志和停止的标志。如果并未进入启停的设置状态，则会显示故障标志，之后返回系统主界面。

在电机故障子界面的程序判定中，首先会判断系统是否存在过压和欠压等故障，如果存在故障，则会进入到故障标志位，之后返回系统主界面。如果不存在则会进一步判定系统是否存在其他故障。一旦系统出现故障，则进入故障标志位，否则返回系统主界面开始运行。

2.2 振荡和复位电路方案

本次设计中主控制器为AT89S52单片机芯片，其只读存储器既可编程也可反复擦除，月1 000次以上，便于实现对系统的整体修改。AT89S52单片机芯片的最高频率可达到24 kHz，但芯片12 MHz频率即可满足本设计的运行需求。本次设计选取该芯片的主要原因在于内部程序存储器ROM有4 kB存储容量，内部数据存储器RAM有256 kB存储容量，另外包括4个并行端口，5个中断源，并且可外接64 kB的RAM和ROM，便于后期实现对程序的有效调整。

震荡电路设计时，将12 MHz的警惕振荡器接入引脚，形成并联的震荡电路模式。整体震荡电路中，对于接地电容并无明确的研究，但是为了保证系统的可靠性以及耐高温性质，本次研究选择陶瓷的电容，容量为30 pF，系统震荡周期设置为83 ns。

在复位电路设计中，确保RST引脚具有两个周期以上的高电平输入，通过单片机的复位，可以确保运行的初始化。复位电路是通过单片机RST的引脚连接到施密特触发器。单片机设计采用手动复位，复位动作则是将VCC上的高电平输入至单片机RST引脚完成。

2.3 开关输入和输出模块方案

开关选择4路信号输入，输入电路可实现24 V电压信号的变化，促使主控制可以接收5 V的信号。4个信号分别为电机起动、电机停止、开关量输入以及参数设置，通过系统可以实现对开关的控制、信号的转化以及参数的设置。

开关量输出模块的4路信号分别为起动电机（1、2）、报警、脱扣4个变量。设计时应用ULN2803芯片，具有8路NPN达林顿晶体管。通过ULN2803芯片实现逻辑电平数字电路与较高电流和电压的连接，进而实现对系统的操控。

2.4 模拟量方案设计

模拟量包括模拟输入量和模拟输出量，在模拟输入量的设计中，应用三相电机将电流信号转化成为标准的接收信号，完成对电机故障的诊断与分析。模拟量输入电路主要由信号检测、A/D转换以及放大调幅3个部分组成。通过电机的三相电压信号转换，可以区分电流信号和标准信号[10]。系统检测电路信号后，经过放大，转入A/D转换器。本次设计所选用的A/D转换芯片是TLC549，数据通过转换可以输出到单片机中，且实现循环输入。

输出模块设计中，主控制器外接D/A转换芯片为TLC5620，通过放大电路实现模拟量输出的获取。芯片工作电压为5 V，采用串行总线的布线模式，内部采用双缓冲结构，便于对系统的整体操控。

2.5 电源和通信模块设计

电源模块是系统运行的重要保障。在系统的设计中，为了保障电机保护器的运行，应该设计稳压电源。通信模块的设计中，单片机接口为TTL电平，需要将其转换成为RS232电平，通过MAX232芯片来实现通信信息的转换，且电源为5 V。

2.6 时钟和参数记忆模块设计

时钟的设计中，选择芯片为PCF8563T。时钟模块的供电主要包括电源和电池两种模式，在系统出现故障后，电池供电模式仍然可以继续使用，且无需重新设置，而在电机出现故障时，系统将时钟模块故障的详细信息记录于EEPROM中。PCF8563T芯片具有实时的记录功能，工作电压范围为1～5 V，而且在读写操作时可产生增量，并采用单独电池供电模式，在系统出现掉电情况时也会继续工作。

参数记忆模块的设计中，选择AT24C64芯片来实现对数据的记忆，并且按照顺序记录的方式来执行程序。系统擦除次数达到1×105次以上，并且供电电压采用单+5 V，电流为1 mA左右，整体存储量较大，且耗能相对较低。系统控制器在发送指令后，EEPROM内部有一个可以自动加1的指针，之后在完成操作时会自动进入下一单元。