基于單片機的電動機保護器設計探討

薛建設

（西安鐵路職業技術學院，710014）

0 引言

由于結構簡單、機械特性良好、價格低廉、運行維護極其方便等優點使得異步電動機在各行各業中得到了廣泛的應用。電動機大多數是運行在很嚴峻的環境下，如頻繁的制動、起動、正反轉還有不停地改變負荷的情況下，致使電動機運行的條件極度惡化。而一般地，傳統電動機保護器保護和檢測功能大多由保護精度低的電磁原件完成，由于電磁原件動作時間誤差大，整定困難，這種保護器已經很難滿足人們所期望的高要求，所以，開發出一種性能優越的電動機保護器已是燃眉之需。電動保護器可以實現相當龐大而且繁雜的功能，可是傳統的保護器卻很難完成這些具體的功能。

1 單片機的電動機保護器的設計理念

1.1 設計理念

一般的電動機保護器保護電動機的方式往往是依據具體設定的各類參數，具體地講，它主要是通過對三相電以及電壓、漏電流進行檢測以此來進行運算。它的具體保護方式如下：

速斷保護：如果整定電流超出額定電流八倍，它的動作延時時間便會調定到200m/s之內；

堵轉保護：如果整定電流超出額定電流八倍之內二倍之外，那么它的動作延遲時間便會變為Q3-20s；

斷相保護：如果整定零序電流大于額定電流Q3-1倍，它的動作延遲時間便會變為Q2-10s；

欠載保護：如果整定電流低于電動機額訂電流Q3-Q8倍，那么它的動作延遲時間便會變為Q5-20s；

過壓保護：當整定電壓大于線路額定電壓1.1-1.5倍時動作延遲時間便會變為10-200s；

欠壓保護：若整定電壓低于額定電壓Q5-Q9倍，它的動作延遲時間便會變為10-200s；

漏電保護：如果整定漏電電流高于電動機額定電流Q1-10A，那么它的動作延遲時間便會變為Q2-2s。

下表為熱過載反時限，從中我們不難看出，它們呈現的關系類似于雙曲線，當電流變大時，它的延時便會越短。

?

1.2 電動機保護器的基礎框架

從下圖（電動機保護器概略圖）我們不難看出，在整個系統中，每個器件都發揮出了它自身最大的作用，PIC單片機、電源模塊、電流電壓采集模塊、繼電器輸出控制模塊、通信模塊、按鍵采集模塊以及LCD(Liquid Crystal Display)顯示屏等構成了單片機的電動機保護器，星格電壓器與電流互感器的安裝使得它的電氣隔離與線性度特性顯著。它的具體操作:輸入信號，信號轉變進入RA0-4口，片內模數發揮作用將其轉變為數字信號，再將其傳送給單片機，單片機接到信號對其進行一系列的運算，將對應的信號輸出到顯示屏幕。

另外，“模式選擇”“數據”“移位”“確定”“復位”必須要保證這些按鈕的靈活，通過以上五個按鈕的調節以此來保證保護參數可以隨時調整。這五個按鈕還發揮著另外一個重要的功能，那就是處理故障的問題。若發生故障，可以通過復位按鈕進行復位，然后進行故障排查，并且它們還有保存故障的記錄功能。

2 單片機的電動機保護器的重要器件分析

2.1 PIC集成電路

作為開發與控制外圍設備的集成電路，PIC單片機，它的計算功能、記憶內存向來是人們最為重視的部分，它最大的亮點在于可以靈活地將計算部分、記憶內存、輸入與輸出顯示在一個芯片之上。但是不同的PIC單片機型號它的特點是不同的。

本機主要采用的是PIC16,它是MICROCHIP公司生產的中檔CPU，同PIC12、PIC18一樣都是八位單機片，它具有較強的內部與外部中斷處理能力，并且它的硬件堆棧可深達八級，如此一來，使得保護器的電路組成靈活性大大的提高，并且在軟件的設置問題上也有了很大的自由空間。它提供的A/D模塊、CCP模塊以及I2C模塊也給保護器的應用帶來了極大的方便，與SPI兼容的同步串行口SSP也為人們增加了選擇性。它不同于PIC24等高微處理器，但它同時也具備自身獨特的特征，適合工業作業的特征讓它在工業界備受關注，強大的抗干擾性確實給人們帶來了極大的方便。

2.2 電流、電壓互感器的分析

PIC的工作主要是通過對三相電流、電壓以及漏電流進行檢測運算來工作的，其中的檢測工作主要是由電壓互感器與電流互感器來承擔的，它們可以將感應的成比例的交流電壓整流濾波轉換為0-5V信號。具體的整流濾波示意圖如下：

在信號通過A/D模塊時，A/D模塊會對其進行轉換，通過與之前設定的具體參數進行比較，確定保護模式。

2.3 動作電路

如下圖所示：

繼電器掌握著保護電路情況，如果遇到意外情況，在主芯片發生高電平時，由于光耦作用，繼電器進而發生變化，以此來防止電動機發生意外。同時，也可以通過二極管的發光情況檢查電動機的線路情況。

3 E2PROM外存儲器

E2PROM的存儲容量一般能夠到達256Byte，E2PROM作為I2C串行通信接口的媒介，可以使得它自身與PIC16C73B單機片直接連接。I2C串行總線的數據傳送具體過程：通過SDA(串行數據線)與SCL（串行時鐘線）這兩種數據傳送方式，當PIC單片機產生起始位以后，它會緊接著向24L4C02B發出以七位為標志的器件位置，等到應答信號接收成功，再繼續有關數據讀入與輸出的操作。所謂的讀入數據指的是SDA輸出，然后，以1Byte為單位按照一定的次序有序地進行應答信號的檢查。而數據輸出指的是以SDA作為數據輸出的形式，當數據輸出滿1Byte時，SDA再變輸出為輸入，將24LC02B應答信號讀取完畢的過程叫做輸出數據。PIC單片機不但產生一個起始位而且同樣的也會產生一個結束信號，終止數據傳送。

4 通訊功能

通訊功能的加入可以有效地減少人力與物力的輸出，實現“足不出戶”監控電動機的動態，這樣以來，也可以加強對電動機的全面保護。當電動機保護器出現問題時可以及時發現以便解決問題。

5 軟件系統

在一些電動機保護器的設計中很多往往都會忽視了保護設施的軟件設計，使得保護設施空有虛殼，無法從根本上實現質的飛越。

1）注意程序的編寫

單片機的電動機保護器的程序編寫一般采用的是PIC匯編語言編程，以下圖為例：

從上面這個圖一目了然，開始進入，讀取E2PROM，通過電流、電壓互感器讀取數據，檢測電動機是否出現問題，如果沒有出現問題，那么就直接將信號輸送到顯示模塊，如若出現問題，則會根據數據信號情況判斷故障類型，以此采取對應的措施進行處理。

2）通訊問題

這里說的通訊指的是與PC機子連接產生的RS-485信息。這種類型的連接方式在很大程度上會減少電線的鋪設，減少人力、物力的損耗。這個智能系統可以在很多種系統環境下運行，比如說，Windows操作系統，這種主從式（PC機為主機，電動機保護器為從機）的通訊距離往往都很長。當PC機運行以后通過自己發出的指令碼來指導從機工作。如果從機驗證指令碼是正確的那么從機便會發送并工作。

6 在單片機的電動機保護器設計中容易被忽視的幾點

6.1 繼電器的選擇

繼電器在整個的運作中承擔著控制輸出的功能。目前在市場上出售的主要有兩種類型，一種是機電式繼電器，另外一種是固體繼電器。機電式繼電器在市場上很容易找到，它市面廣并且價格很容易被廣大群眾所接受，但是美中不足是使用時間不長，在工作時并且很容易打出火花，可靠性也不強。固態繼電器正好與其相反，它的使用壽命很長，并且可靠性好，不會產生火花，但是價格貴。因此繼電器的選擇需要視情況而定。

6.2 PIC單片機與LED數碼管接口方式

它的接口方式多種多樣，采用什么樣的接口方式要根據自身的需要來選擇，不可盲目。常見的方式有串、并、動態驅動等。比如，數碼管閃爍問題。一般會使用動態驅動的形式，而不是使用串或者并行，這樣在一個T周期內顯示的時間為（1/3-1/2）T，以此減輕了數碼管的電耗。

6.3 顯示器的選擇

在小型儀器上安裝使用的大部分是LED數碼管，但如果把它安裝到大型儀器或者需要詳細信息的儀器上顯然是不合適的，盡管它的電路簡單，但是它顯示的字符數很受限制。現在的市面上高檔儀表已經用圖形液晶顯示器替代了LED顯示器，但是，作為器件不需要安裝如此昂貴的顯示器。

6.4 電流采樣技術的選擇

電流采樣技術一般可以分為直流采樣技術與交流采樣技術。決定采用什么樣的采樣技術，要依據現實情況與設計需求。但就目前形勢而言，隨著經濟的發展，大功率電器的使用，非正弦含量不斷上漲，因此交流采樣技術越來越被人們接受與使用。

7 結束語

通過完善對單片機的電動機保護器的設計，發現并改進單片機電動機保護器的不足，為進一步促進電動機保護器的技術發展提供了更加有力的指導，此次的設計不但解決了長期困擾人們的電動機保護裝置在功能與體積上的問題，而且更為電動機保護器的發展提供了引領作用。

[1]李朝青.PC機及單片機數據通訊技術.北京航空航天大學出版社.2002.

[2]蘇偉斌.8051系列單片機應用手冊.科學技術出版社.2010.

[3]何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術.北京航空航天大學出版社.2012.

[4]何立民.單片機應用技術選編(3).北京.北京航空航天大學出版社.2011.