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。

　　H8/3687单片机扩充了内置闪存、引脚数少和封装小的H8/300H Tiny单片微控制器阵容，具有一个增强的计时器和若干通信功能，片内有大容量高速闪存存储器，EMI噪音低，功耗低以及可提供各种低成本的开发工具。可广泛应用无线通信和网络通信、汽车电子、工业控制以及消费类电子产品

　　产品基本功能如下：16位高速H8/300H CPU在目标码级与H8/300 CPU向上兼容；H8/3687具有64K FLASH，2K 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）、看门狗定时器；14位PWM；I/O端口：I/O脚：45个I/O引脚（H8/3687N有43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，

　　设计采用交流采样时考虑的技术有几个方面：

　　1）采样周期应远小于被测信号周期，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，这就要求信号变换电路失真要小。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。交流采样线路中除去了阻容滤波电容，因而在响应速度方面比直流采样有极大改善，特别对于那些对响应特性要求较高的随动系统非常有益。具体采用哪种采样处理在实际使用中应权衡利弊，综合考虑才能作出选择。

　　考虑到电动机保护器的实际应用，软件中对电动机三相电流、三相电压、剩余电流采用交流采样算法处理，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。硬件电路中采用全波处理，加放大电路，放大后的信号直接进入单片机A/D单元。通过单片机计算出的电压、电流信号有效值，作为来判断保护器各种故障的依据。

　　按键处理电路采用并入串出芯片74HC165这样可以节省单片机的I/O口数，通过按键可以设置电动机额定电流、额定电压、额定功率、过载等级、起动时间等参数。同理为了节省单片机I/O口显示部分采用74HC595芯片，显示采用4位一体数码管显示。系统正常运行时，数码管显示当前电动机三相电流、三相线电压，通过按键来查看各分相的电压电流；有故障时，显示故障代码，将故障原因、发生故障时的电流值、电压值、电动机运行时间存入EEPROM中实现故障记录功能，并在保护器面板上配有过载，断相、不平衡等故障报警指示灯方便用户使用。

　　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。因为固态继电器具有寿命长、性能稳定，无火花等特点，所以输出部分继电器采用固体继电器。为了防止在继电器线圈断电瞬间产生较高的感应电压，从而破坏电路，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，可以和PC组成网络监控系统，可以将保护器各种信息、运行状态、故障原因、故障时间、运行时间的参数等参数传送给PC机，也可以通过PC机设置保护器各种参数。通讯电路中采用RS485接口，通讯部分利用RS485接口的特点采用硬件自动控制收发电路，不用单片机进行控制以减轻单片机的负担，为满足工频耐压得要求制作PCB时做好隔离措施。

　　3 软件设计

　　本产品的主软件流程图如图3所示，主程序包括A/D子程序、基本保护子程序、计算显示子程序、按键处理子程序、通讯自程序等自程序，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。

　　开始

　　初始化

　　A/D超时？

　　调A/D子程序

　　不计此次采样值

　　计算基本参数

　　电动机运行？

　　保护子程序

　　计算显示值子程序

　　处理按键子程序

　　显示子程序

　　I/O控制子程序

　　通讯子程序

　　Y

　　N

　　Y

　　N

　　程序采用模块化设计，可读性、可移植性强。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4所示。

　　开始

　　是否有故障？

　　故障显示

　　事件记录

　　返回

　　执行故障处理功能

　　图4 保护子程序

　　 保护子程序执行后，进入显示处理子程序，在显示处理子程序中为下面的显示子程序提供要显示的数据值。执行完显示处理子程序后进入按键处理子程序，在按键处理子程序中实现人机交互，可以设定、修改、查看电动机保护器各项参数以及显示当前电动机电流、电压值。

　　按键处理子程序执行后，进入显示子程序，显示子程序在电动机正常运行且没有按键处理的情况下，显示电动机当前的电流、电压值，可以通过按键来查看不同相的电压、电流值；电动机正常时有按键动作的情况下，显示与按键功能相应得数值；当电动机有故障时，显示故障代码并带有指示灯报警显示。显示处理子程序结束后，进入通讯处理子程序，在通讯处理子程序中先判断保护器是否接收到上位机发送的数据，如果有数据被接收到，就按照标准ModBus协议对数据进行判断，先判断是否是属于本台保护器，属于就向上位机发送相应得数据。上位机接收到以后，判断没有错误开始和本台保护器进行通讯。通讯处理子程序完全按照标准ModBus协议编写。

　　4  抗干扰措施

　　ARD3电动机保护器设计时，在电磁兼容方面，要求符合以下标准：GB/T17626.2-1998 、GB/T17626.3-1998 、GB/T17626.4-1998、GB/T17626.5-1998  GB/T17626.6-1998。为实现此目标，就要在产品设计时做好抗干扰措施，本产品的采取的抗干扰措施如下：

　　4.1 硬件措施

　　 电源部分加EMC滤波器，高频变压器次级与初级加高压电容，输出部分加滤波电路；信号采集部分增加滤波电路；在作信号处理的各芯片输入口处加端口保护电路；在各芯片电源输入处加去藕电容；继电器两端并联续流二极管，加光耦与CPU端口隔离；不使用的CPU端口定义为输出状态；PCB板布局时模拟部分与数字部分作分区处理，模拟信号在模拟区域内布线，数字信号数字区域内布线，二者不进入彼此区域内；布线时尽量加粗电源线与地线，信号线走线时走45º线，不走直角线。

　　4.2 软件措施

　　各路信号采集均采用软件滤波，增加采样值的准确性，使用看门狗防止程序运行溢出。

　　通过采取一系列的措施，产品的抗干扰性能大幅提高，本产品一次性通过3C安全认证型式试验。

　　5 结论

　　本文介绍的以H8/3687单片机为核心的ARD3型电动机保护器，是新一代智能化、网络化、数字化的电动机保护器。ARD3保护器对电动机的过载、断相、不平衡、堵转、阻塞、欠载、温度、欠电压、过电压、欠功率、剩余电流等故障导致的危害加以保护，最大限度地保证设备运行的可靠性与安全性。ARD3电动机保护器产品体积小，结构紧凑，安装方便，在低压控制终端柜和1/4模数计以上各种抽屉柜中可以直接安装使用，而且具备完善的网络通讯功能，可与接触器，电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，提高了控制回路的可靠性和自动化水平，适用于石油、电力、煤矿、造纸以及民用建筑等领域。

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