基于H83687FP单片机的电动机保护器设计

基于H8/3687FP单片机的电动机保护器设计

赵波 吴建明 汤建军 （上海安科瑞电气有限公司，上海 嘉定，201801）

朱文灏 （ 上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 ，200063）

摘 要：传统的电机过载保护采用热继电器，随着电子技术的发展，用微处理器来计算负荷不仅能够迅速反应电动机各种故障，而且很容易加入其它控制条件。本文介绍了一种以瑞萨公司H8/3687FP单片机为核心，研制的一款高性价比的ARD3型智能低压电动机保护器。

关键词：电动机保护器；ARD3型；H8/3687FP；保护功能；ModBus

0 引言

传统的电机过载保护采用热继电器，虽然结构简单，但由于热元件本身特性的差异，精度较差，反应慢。随着电子技术的发展，用微处理器来计算负荷不仅能够迅速反应电动机各种故障，而且很容易加入其它控制条件，例如，电机热容量，散热条件等因素，使它能更准确及时反映电机状况实施有效保护。近年来随着电子式、智能化、通讯等方面的迅猛发展，使得微机化、数字化、网络化成为电动机保护器研究发展的方向。本文以瑞萨公司的H8/3687FP单片机为核心，研制了一款高性价比的ARD3低压电动机保护器。

1 产品功能特点

根据现有市场上电动机保护器的功能特点及实际需求，确定ARD3电动机保护器包括如下功能：

1）基本保护功能：断相、过载、欠载、三相不平衡等保护功能，符合IEC94704-1、IEC947-4-2及GB14048.4、GB14048.6等标准；

2）派生保护功能：根据需要可配有剩余电流保护、温度保护、过压保护、欠压保护、欠功率保护、相序保护、失电重起等保护功能；

3）可测量数据和通讯功能：可测量三相电流、剩余电流、三相电压，RS485通讯接口，采用Modbus通讯协议；

4）人机交互功能、故障记录功能、自带I/O端口实现直接起动、星—三角起动、变频起动等电动机起动方式；

5）安装方式采用导轨安装，额定电流（A）规格分为：1.6～6.3、6.3～25、25～100、63～250、250～800五种规格。

6）电磁兼容：符合以下标准：GB/T17626.2-1998，GB/T17626.3-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T17626.5-1998，GB/T17626.6-1998。

2 设计方案

根据产品功能，ARD3电动机保护器要完成：测量电动机三相电流、三相电压、剩余

电流，判断电动机各种故障，根据不同故障保护电动机，

显示所有测量参数、故障代码、功能菜单，与上位机通讯

等功能，经过方案论证，采用瑞萨公司的H8/3687单片机，

见图1。

H8/3687单片机基本功能如下：16位高速H8/300H CPU

在目标码级与H8/300 CPU向上兼容；H8/3687具有60K

FLASH，4K RAM；通用寄存器：16×16；基本指令62种；

外围功能：RTC（片上实时时钟，可作为自由运算计数器

使用）、SCI（异步或者时钟同步串行通信接口）2路、IIC

接口、8路10位A/D、多功能定时器：８位定时器２个

（Timer B1,TimerV）、16位定时器１个（TimerZ）、看门 图1 H8/3687芯片

狗定时器；14位PWM；I/O端口：45个I/O引脚，包括8

个可直接驱动LED的大电流引脚（IOL=20mA,@VOL=1.5V）；只作为输入的引脚：8个输入引脚（也可以用作模拟量输入）；片上复位电源POR电路，片上低电压检测电路（LVD）。

单片机选定后，确定测量电动机三相电流、三相电压、剩余电流的测量电路，按键、显示部分的电路，I/O控制电路，通讯电路的方案。系统功能，见图2所示。

图2 系统功能图

考虑到电动机保护器的实际应用，软件中采用交流采样算法计算电动机三相电流、三相电压、剩余电流，这样不但可以简化硬件电路，节省成本减小系统空间，而且测量的精度要比直流采样高。交流采样硬件电路如图3所示。

设计采用交流采样时考虑的技术有几个方面：

1）采样频率应远大于被测信号频率，这对于工频电流信号是不成问题的，因为目前单片机的处理速度已经足够。

2）要从硬件上避免采样信号畸变，这就需要从几个方面来努力: ①保证电流互感器在测量范围内输出的电压信号波形失真小。②信号变换电路失真要小，因为电流互感器

的采样信号到单片机输入接口往往需要比例放大。③防止噪声干扰，一般的做法是在单片机输入口加一个高频旁路电容。

图3 交流采样硬件电路

按键处理电路和显示电路均采用串口方式，这样可以节省单片机I/O口。按键处理电路采用并入串出芯片74HC165；显示电路采用两片74HC595芯片，使用4位一体数码管显示，两片74HC595芯片级联电路如图4所示。

图4 74HC595电路图

I/O控制电路涉及到开关量输入和继电器输出。开关量输入部分属于控制部分，按照安全要求采用+24V电源（由保护器内部提供）供电，为了增强抗干扰和满足产品工频耐压要求采用光耦进行隔离。为了防止在继电器线圈断电瞬间产生较高的感应电压，而破坏电路，在继电器线圈两端并联续流二极管，采用光耦与单片机引脚隔离。

ARD3具有通讯功能，硬件采用RS485通讯接口。 RS485通讯电路中采用硬件自动控制收发电路，不用单片机进行控制,可以减轻单片机的负担，为满足工频耐压要求制作PCB 时要做好隔离措施。通讯电路如图5所示。

图5 RS485通讯电路

3 软件设计

A/D转换、基本保护、计算显示、按键处理、通讯等子

程序，由于程序内容较多，现只给出主程序流程和保

护子程序流程图。下面阐述各子程序功能：

主程序初始化后，进入A/D采样程序。在A/D采

样子程序中完成对电动机三相电流、三相电压、剩余

电流的采样工作，完成采样后采用平均值滤波，提高

系统抗干扰性能。A/D采样后判断采样时间是否超过正

常采样时间，超过此时间不将此次采样值计入计算基

本参数子程序中。A/D采用完成后，根据采样得到的电

动机三相电流值、电压值、剩余电流值计算目前电动

机的电流、电压值，然后判断此时电动机是否处于运

行状态。如果此时电动机已经开始运行，就进入保护

子程序。

在保护子程序中，根据采样计算值判断电动机是

否有故障，没有则返回主程序；有就向下执行，判断

是何种故障，进入故障处理，将故障原因在ARD3电动

机保护器面板和通讯中进行显示，并且将故障记录起

来，保护子程序如图7所示。