智能电机保护器电路设计--毕业论文.doc

智能电机保护器电路设计摘要随着中国社会的进步与发展，相应的电力系统方面也迅猛发展。其中，电力工业上中的电动机也得到了广泛的使用与发展，这样一来，确保电机在运行过程中的安全与故障的检测也变得尤为重要。 本文以芯片PIC18F系列为主控核心芯片，进行电机保护装置的设计。该芯片在指令系统，总线结构，功耗以性价比等方面大大超过了传统的单片机。与此同时，该芯片内部集成了大量的片内外设置，使其功能和可靠性大大提高。文中介绍了电机故障的分类以及电机保护的发展历程。文中还介绍了一些的关于电机故障分析时的公式与基本算法，着重对三相电流下的故障进行了电路设计。本文在学习protel99SE软件的基础上设计出电机保护电路。文章中介绍了继电器的保护原理以及RS-485芯片功能，然后采取过流保护，过压保护，欠压保护等的一些保护方案来应对电机运行过程中出现的故障。关键词：故障分类；电路设计；电机保护Design of intelligent motor protector circuitABSTRACTWith the development and progress of Chinese society, the corresponding aspects of power system is also the rapid development of power industry, which in the motor has been used widely with the development, to ensure the safety and fault detection of the motor during operation becomes particularly important. The motor protection device based on IC18F26K2 chip in the command system, bus structure, power to cost-effective, considerably more than the traditional signlechip.At the same time, the chip integrates a large number of on-chip peripherals, the function and the reliability greatly.This paper introduces the classification of motor fault and the development of the motor protection. This paper also introduces some of the motor fault analysis formula and basic algorithms, focuses on the faults of three-phase current of the circuit design. This paper designs a motor protection circuit in learning based on protel99SE software. This paper introduces the principle of relay protection and RS-485 chip function, and then take the overcurrent protection, overvoltage protection, fault protection under-voltage protection scheme to deal with the motor running in the process of.Keywords: Fault classification；Circuit design；Motor protection目录1前言11.1电动机的作用与意义11.2我国电动机保护装置的发展状况11.2.1热继电器为主的组合保护装置11.2.2模拟电子式保护装置21.2.3微机型智能数字式的保护21.3智能电动机的保护电路的设计思想21.4电机保护中的常用算法的简介21.5本章小结32电动机故障42.1对称分量法42.2电机的故障分类52.2.1短路故障52.2.2过载引起的故障52.2.3电动机的堵转52.3欠压保护62.4过压保护62.5起动时间过长保护73Protel 99SE的介绍93.1Protel 99SE基本功能模块93.2Protel99se的基本使用方法和操作步骤94电机智能保护的硬件设计124.1电机保护硬件的选择124.2PIC18F芯片的介绍124.3芯片MAX485的介绍134.4电流采样电路134.4.1单极性转换电路134.4.2相电流检测电路144.4.3交流电流采样144.4.4LMV324为运放器的采样电路154.5保护电路174.6电源电路184.7继电器的欠压，过流保护194.8基准电路设计204.9时间常数设置205总结22参考文献23致谢24附录251前言1.1电动机的作用与意义电动机基本上是生活中动力设备的主力军，应用普及广泛，它基本上涉及到了各行各业，它的地位无法用数字与语言来衡量，然而，就是这么重要的设备，在实际使用过程中，由于电网，电动机本身或线路等的一些列因素会导致电动机出现过压，欠压，电流不平衡以及过流等故障，这些故障轻者影响生产的正常进行，重者烧毁电机，造成整台设备瘫痪甚至系统崩溃，进而造成难以估量的经济损失1。另外，电动机在烧毁过程中消耗的电量也很大，因此，考虑到经济损失与节约资源，做好电动机的保护工作都有很大的意义，必须成为足够重视的课题。同时，由于现代电动机缩小了外形尺寸，但是却提高了自己的输出功率，采用一系列的绝缘材料和电磁材料减少损耗，效率大大提高，这样就使得电机内部的电流密度增加，而且，现在成产的流水线逐步增加，导致电动机的启动，制动，正反转等多种状态下相互切换运行，电动机出现的故障几率就大大增加与难以确定，因此，在保护电动机的同时提高工作效率与经济效益密切相关。1.2我国电动机保护装置的发展状况我国的电动机保护装置大约经历了仿照苏联，自行设计，更新换代，智能化发展等几个阶段2。随着科技的进步，近年来的微处理器技术发展，这样就使得电机保护向智能化，多功能化方向发展提供了硬件平台，这样电动机保护就进入飞速发展的阶段。我国的电机保护主要经历了3个阶段1.2.1热继电器为主的组合保护装置最早使用的保护装置是熔断器，这也是最简单的一种保护装置。因此，它主要是用于电路故障或者严重的过载时保护供电电路，但是，它实际上并不是直接针对电动机的保护，熔体熔断的同时，往往会造成电动机缺相运行而烧毁，造成烧毁事故，逐渐的熔断器被淘汰使用。热继电器是上世纪中期从苏联引进的，在电子也不发达的时代是电动机过载保护的首先选择的产品。它利用双金属片热效应原理。双金属片由不同膨胀洗漱的两片金属铆合而成，当电流通过时它产生热量，向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小正比于弯曲程度，当电流超过整定电流的一定倍数时就会启动脱扣装置切断主回路达到保护目的。热继电器具有反时限特性和结构简单，使用方便等优点。但是它也有很大的缺点，热继电器的参数受环境温度影响较大，并且热继电器安装在壳外，一旦通风不顺，堵转等故障时，热继电器就失去保护功能，而且，热继电器本身也耗能，当它保护电机几次后，由于自身的发热而导致电阻丝和绝缘材料损坏，不能继续使用，因此，也慢慢的被淘汰了。1.2.2模拟电子式保护装置在上世纪中后期，随着半导体模拟器件的兴起，涌现了一批功能多样化，性能比较可靠的电子式电动保护器。这种保护装置体积更小了，对信号的检测和判断更灵敏与准确了，保护性能提高了，它主要针对电机的缺相，过载，欠流，过压，过电流，短路等故障来进行保护。它的原理包括两方面：一方面通过检测电流值来反映过载，短路等故障；另一方面通过检测电动机的电流缺相与否来反映断相故障。由于不对称故障出现负序电流分量，导致电机过热等一些列问题。所以，单纯的以过流为目标构成保护器，难以实现全面保护。其中仿真电子式电机保护器都采用电位器进行额定电流整有以下缺点；（1）其整定精度不高。要使电位器的旋转角度正比于其电阻值比较苦难，大批量生产中更难以办到，而且，操作过程中的误差是难以避免的，特别是对于那些没有设定值显示的产品。（2）采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性没有一丝的应对能力，即使可以校正也要在线路非常发杂的情况下进行，甚至无法实际使用，另外，采样线路本身也存在非线性问题。这些技术上的困难，实现高精度采样必然比较困难3。（3）实现多功能一体的全保护比较困难。社会的不断进步，电机被要求实现的功能越来越高，希望电机的功能多样化，结构简单，性能可靠，而且体积小，这些要求纯粹的模拟线路根本无法实现。 以上的问题使得模拟线路保护器整逐渐淡出人们的视线。1.2.3微机型智能数字式的保护计算机技术的发展是电机保护发生了突飞猛进的变化，出现了智能保护装置，智能型保护装置速度快，智能化程度高等优点，它以单片机或者DSP作为控制器，实现智能保护。可以对电机断相，过载，短路，欠压，堵转等进行保护，还拥有显示电流电压，对故障的记忆的功能，同时，也可以对采样信号进行软件非线性校正，实现真实有效值的计算，实现高精度采样提取。此类保护器节能，灵敏，精确保护功能全，重复性好。所以，随着计算技术发展，智能模块电机保护器成为发展的目标。1.3智能电动机的保护电路的设计思想工业现场通常采用多台控制电机，实现对现场的各种控制，一旦一台出现故障，将会产生很大的损失。因此，对电机的保护显得非常重要。本论文在介绍电机保护原理的基础上，通过对模拟电路教材的掌握，电力电子技术的学习，以及电路原理的熟悉，以分析电机中出现的基本故障为参考依据，巧妙的运用上面所述的三种大学教材来设计保护电机的电路。1.4电机保护中的常用算法的简介考虑到电动机的保护原理和保护过程中的算法问题，电动机的故障分为对称故障和不对称故障，一般采用的对称分量方法为一种线性变换，把三相不对称故障中的的正弦量分为独立的正序分量，负序分量和零序分量。这种对称分量方法是现在故障中最常用的算法 电机中出现的非正常状态，电机保护主要是检测三相电流，三相电压，绝缘电阻，零序电流的基础上实现。1.5本章小结本章介绍了课题的研究目的以及意义，国内外电机保护的发展状况，并且引出了所研究的主要内容。242电动机故障电动机的综合保护基本包括：过流保护，漏电保护，过压和欠压保护等。以前基本是以检测三相电流得到电流幅值与限定值的比较而做出相应的处理。现在电动机保护装置多采用过流保护，以电流幅值的增加作为判断故障与否。这种方案的缺点在于不能对不对称故障进行及时分析和保护。因此，为了弥补这个缺点，特此引入了对称分量法作为不对称故障的判据，根据对称分量法，电机产生不对称故障时，电流可分解为正序，负序和零序电流分量。电机正常时，三相基本对称，负序和零序电流基本没有。当电动机发生不对称故障时，零序和负序电流就会体现出与正常运转时相当大的差距来。因此，判断负序和零序电流的变换可以作为不对称故障的一个很好的依据，提高系统的可靠性。2.1对称分量法对称分量法，实际上是线性变换。这就为多相不对称交流系统的研究提供了一个好办法。任何一组三相不对称的正弦量都可分为三组独立平衡的对称分量，正序，负序，零序分量。电力系统发生不对称故障时，三相电路的电流和电压的基频分量都会变成不对称的向量。以，表示三相电流，可以将分解为正序电流，负序电流，零序电流。同理，另外两相也能分解成正序，负序和零序电流三组。正序成分相序依此为，大小相等，相位差为120度。负序成分也一样，但是零序分量电流大小相等且相位无差别。定义算子为= (2-1)公式2.1以A相位代表，则，可以简化为，。则公式可以化为= (2-2)公式2.2中的三相电流相加，得+=(1+)(+)+3 （2-3）而且，1+ =0，所以=（+）综上所述= (2-4)三相电流不对称时，会出现零序电流分量以及负序电流分量。2.2电机的故障分类常见的引起电机过流的有短路，过载，堵转这三种故障。过流又称为过电流，即电气设备的实际工作电流大于额定电流值。短路，过载，堵转这三种故障属于对称故障。过电流保护主要是对对称故障实施保护。2.2.1短路故障（1）对称短路一般为三相短路，三相短路时，电机绕组的电流将快速增大，高出额定电流很多倍，电流急剧增大必然导致绕组的温度升高，电机点动力当然也会增加，这是应采取的保护措施应为切断电源。（2）电机发生不对称短路故障时，电流也不再对称，线电流间的相位差将偏离120度，不存在短路电流与起动电流间的固有关系。不对称故障中，主要有负序电流与零序电流的变化，因此，一般根据负序电流的大小即可判据不对称故障。2.2.2过载引起的故障电机工作时发热必然引起电机的磨损，电机长时过负载的运行，后果必然引起机器过热，使得绝缘老化，这也是电机故障的一个原因6。当然，在工作中，难免会要电机过载运行，因此，低倍过负荷要允许一定的时间限制，当电机发生过载故障时，基本上为超过了一定的时间限制4。所以，当前，电机生产厂家基本会在出厂时提供电机的热容限曲线或者一组过负荷能力的数字，在提供的说明中，必然会对过载引起的电机保护提供依据。过载时，流过电网的电流必然的大于系统要求的额定电流，因此，检测电机是否超负荷运行，可以通过检测电动机的工作电流的大小来实现。当电机过载时，我们采取的一种办法就是用反时间限制动作原理，那就是当电机工作中的实际电流与所要求的额定电流的比值越大时，那么过载动作时间越短。其中，所允许过载时间 t=1500 其中为过载倍数 t为容许过负荷时间 电流的大小为过负荷保护的一个重要依据，其中，上面的公式为保护提供了一个准确的电流倍数与动作时间的关系。如果，电流超过预先整定的值，保护系统将会相应。2.2.3电动机的堵转电动机的堵转是当电机转速为零时，电机仍然输出扭矩。堵转主要是由于电动机的机械，负载过大等的原因引起的。堵转时，电机的电流最高可达到额定电流的7倍，如此高倍数的电流下，如果，堵转时间过长，必然会把电机烧毁。堵转也是对称故障中的一种故障，但是，相比于其它对称故障，它造成的损坏不如其它对称故障，但是，当归结于过载故障时，它却是最严重的过载故障。堵转保护信号可以取自于电动机线电流，线电流超过堵转电流整定值时，并达到整定时限时，立即进行断电保护。保护启动过程中出现的堵转（因为是启动时间过长造成的堵转）这种可以由启动时间过长保护提供保护。电机启动过程中，电流也能达到额定电流的4到7倍，这样就给保护系统造成一定的难度，因为，电机运行过程中出现的故障时，电流也能达到额定电流的4到7倍，这就要求上文所说的保护算法能分辨是不是堵转故障。一般采用躲过电动机起动时间（8至16秒）的方法来实现。运行过程中出现堵转时，这样就要求保护电路立即采取措施，切断电路，以免短时间的电流突然增大造成的故障。速断保护，堵转以及过载保护的关系如下：图2-1 三种保护的关系图上图中堵转的保护时间范围：1s-6s,速断保护时间范围小于40ms。2.3欠压保护实际生产生活中，难免会由于电网系统等的不稳定出现的电机低压运行，由于低电压运行，而电机的负载功率不变，这样就会导致绕组电流增大，电机发热，一旦时间过长，在电流一直高出额定电流的情况下，电机会由于绕组电流过大引起故障，所以，必须采取措施对电机进行欠压保护。当被保护线路的电源电压低于一定数值时，保护器切断该线路；当电源电压恢复到正常范围时，保护器自动接通。2.4过压保护过压保护是的指当电网电压升到额定电压120%时，保护延迟动作，跟欠压保护一样，保护器切断该线路。当电源电压过高时，危及供电线路与电机的绝缘，并且电机在额定负载下电流过高导致电机温度升高，烧毁电机。电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高。过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。电力系统中电路状态和电磁状态的突然变化是产生过电压的根本原因。过电压分为外过电压和内过电压两大类。外过电压又称为雷电过电压，大气过电压。由大气中的雷云对地面放电而引起的。分直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。直击雷过电压是雷闪直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压。雷闪击中带电的导体 ，如架空输电线路导线，称为直接雷击。在过压保护设计了瞬态过电压保护功能。一般的由于影响外电压的因素很多，因此，不能准确计算出过压倍数，需要实测。内过电压电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。有暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。暂态过电压是由断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压 ，又称工频电压升高。内电压可以准确的测出结果，这样就可以设置1.5倍的内过电压倍数为基准，超过此倍数，瞬时跳闸。研究电力系统中各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。2.5起动时间过长保护如上文所涉及到的堵转故障中电机起动时间的问题，如果电机不能够正常起动，持续的起动电流会导致绕组的损坏以及起动转矩对轴承的损坏，所以设置电机起动时间过长保护。如果没有故障，在电机不工作的状态下，电流为零；一旦电机要起动，电流瞬间增大，这样电机会急速升温，没有故障时，在所允许的起动时间内起动过程结束，然后电流降低到额定电流附近的值。电机正常运行。 图2-2 电动机起动时电流变化曲线 上图中曲线图非常清楚的告诉了我们设定时间不同产生的不同的状态，设置T1时。相应的会判断为起动加时超速，动作跳闸。但是，如果时间稍微的延长一些，将会呈现出完全不同的动作，从图中可以观察到，当设置时间为T2时，明显的判断为起动正常。我们一般规定电机起动时间范围为1s6s。但是，规定的起动时间并不是唯一的，因为电动机的负载都不尽相同。曲线的斜率在某一段时间内变化很明显，这说明，电流会在起动过程中存在突变。这就为电动机起动过程中的一些特性提供了判据。当检测到： -这时电机发生了电流突变。其中i是当前电流采样值；n是一周采样点。是起动电流门槛。当然并不是每台电机起动时的电流都会达到额定电流的47倍。那么特殊的电机在这一过程中的电流势必达不到的值，那么我们可以提供对最大电流幅值大小定时检测，来判断电机是否正常运行。第一种方法中，当电流超Iqd过时，因为有检测公式，所以有比较理想的精度。第二种方法中，电机起动时电流达不到Iqd的值，对电机来说不会因大电流快速生热。由于没有公式的检测，势必得不到高精度。如果能合理的滤除上述两种方法的弊端，设计无论电流是否超过Iqd的值都能有比较高的检测精度，那必然会对电流分析提供很好的依据。下面的设计帮我们实现这种思路。图2-3 起动时间过长保护逻辑图Imax：电流最大值，：电流整定值，：起动时间整定值电动机无故障时，正常起动，那么起动时间过后，由于没有故障，电流肯定在额定电流附近，那么起动时间过长保护将不动作。但是，如果超过起动整定时间，流过电机的电流还超过整定值，那么起动时间过长保护将会动作，跳闸保护。3Protel 99SE的介绍3.1Protel 99SE基本功能模块Protel软件包是90年代初由澳大利亚protel Technology公司研制开发的，应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件设计，可以完成原理图，印制板设计，可编程逻辑器件设计和电路仿真功能等，可设计32个信号层，16个电源和16个机工加层Protel 99SE中的主要功能模块如下：（1） Advanced Schematic 99SE (原理图设计系统）（2） 该模块主要用于电路原理图设计，原理图元件设计和各种原理图报表生成等。（3） Advanced PCB 99SE (印刷电路板设计系统）该模块提供了一个功能强大和交互友好的PCB设计环境，主要用于PCB设计，元件封装设计，报表形成及PCB输出。（4） Advanced Route 99SE（自动布线系统） 该模块是一个集成的网络自动布线系统，布线效率高（5） Advanced Integrity 99SE（PCB信号完整性分析）该模块提供准确的板级物理信号分析，可以检查出串扰，过冲，下冲，延时和阻抗等问题，并能自动给出具体解决方案。3.2 Protel99se的基本使用方法和操作步骤通常所说的pcd板，就是指的是印制电路板5。印制电路板的制作，总体上要分为三个阶段：原理图的绘制，生成网络表，由网络表生成pcd图并进行布线。原理图的绘制，主要就是体现各个器件之间的逻辑关系，也就是怎么连线。原理图对于我们来说是比较直观，由原理图生成的网络表就是一种protel能够识别和认识的表。对pcd板进行布线就是把相关的焊盘按照软件提供的链接关系连接起来。具体的操作步骤：1）建立原理图文件，建立原理图库文件，建立pcb图，建立pcb库文件，原理图文件的目的就是绘制原理图，体现系统的逻辑关系。原理图库文件，是建立自己的在元件库。需要自己建立的元件，往往在系统文件中是找不到的，建立自己的原理图库文件有两种方法，一种是自己绘制，打开原理图库文件后，可以使用浮动的工具箱进行编辑。另一种方法，就是在系统已经给的元件的基础上进行修改。Pcb图是体现原理图中所用元件的大小，焊盘尺寸的图。Pcb库文件，和原理图库文件时一样的，都是用来建立系统之没有提供的封装。建立的方法和原理图库文件一样，也有同样的两种方法。2）找出需要的元件并连线。对于系统比较复杂的系统，可以使用网络标号。连线完毕以后，导入到pcb图中时，往往有些元件之间没有飞线（没有逻辑连接关系），这可能是在原理图绘制的时候，两个元件之间没有“连线”。检查的时候，两个元件之间，是连接的。问题就出在连线的时候，连在了引脚上。所以在连线的时候，一定要注意，在出现黑点以后，再进行连接。3）对元件进行标注。实际工程中，元件的大小是固定的，所以，往往省去元件原理图元件的part部分，也就是标注元件大小的部分。这样做有两个好处，一是可以是原理图看的比较清楚，二是可以在PCB图连线的时候，看起来比较清晰。4）元件的封装，是很重要的一个步骤。我们可以使用系统提供的固定封装，使用固定的封装，要先在资料上查清楚之后，再进行使用。在没有资料参考的情况下，建议自己动手画封装。画封装要注意几个问题，一，根据自己画的封装要能体现元器件的实际大小，画元器件的实际大小用矩形或者圆形，代表这个区域以后有元件要放，其余的部件不能占用。二，测量焊盘的大小，实际的元件，尤其是多引脚的焊盘，封装时一定注意焊盘之间的间距，往往焊盘的间距决定了制版的成功与否。三，对于比较大的焊盘，超过10mm的焊盘，往往在焊盘的周围布一圈很小的过孔，这样不仅可以增强焊盘的导电性，而且可以加强焊盘的牢固性，防止在板子过热时引起俏皮，脱落，以影响板子的寿命。四，封装中各个引脚的编号，名称和序号要和原理图中的各个引脚的编号要一致。五元件的不同，在封装中也有差别。比如，电阻在焊接之前，两个引脚有很长的导体，所以封装的时候可以标宽松，多几毫米没有关系。对于电容，两个引脚之间的距离已经固定，要比较精确才能在焊接元器件的时候比较顺利。5）在tool中进行ERC电器规则检测。出现错误时，原理图中会出现绿色的提示，进行修改，再次检测，直到无误。6）导出网络表。在design菜单下实现。7）创建相关报表。在report菜单下实现8）进入PCB图，导入网络表。在导入网络表中，可能出现问题，在导入网络表中出现的问题，全部是由于封装的问题。可能的问题有：一，没有加载自己创建的原理图库文件和PCB库文件2原理图中元件库的引脚编号和PCB文件库中的封装编号布相同。9）对加载的元器件进行布局。往往按照先大后小的原则。比如在单片机控制的系统在，单片机是核心部件，体积也比较大，应当放在中心位置，其他比较小的元件按照接线最短的原则，依次分布在它的周围。在连线的时候，地线之间可以不必连接，在最后正反面铺铜的时候会自动连接。在连线的时候的小技巧：a按照就近原则，所使用的线，在不用打孔，交叉的情况下，所用线的颜色要和最近的线的颜色相同，以防止以后有交叉的时候，反复变换布线层。b不同线不平行原则，这个在布线刚开始的时候，一定要特别注意。在系统布线的后期，这样的情况通常也不可避免。目的就是防止在必须过线的时候没有办法打过孔布线。c先短后长原则，往往先布置两个焊盘比较近的线，在短线布线完毕以后，再考虑长线。主要考虑，长线先布好的情况下，短线每次布线很容易和长线进行交叉，与其每个短线交叉，不如最后交叉，整体显现的清楚。4为了避免在布线的后期，出现左右碰壁，没有办法走线的情况，可以在布线的初期，就有意识的进行垂直布线。比如红线（顶层线）有意识的在中间区域多走水平，那么就让蓝线（底层线），在中间区域尽量多走水平线。10）对板子进行连线，元器件的DRC设计规则检测。在PCB界面下，选择tool下菜单可实现。这里必须说明的是，设计规则检测是对标准和实际值之间的一种检测。这种标准是可以设定的，在design下的rule中可以设定。对规则的改变就可以实现检查结果，而实际的状况并没有改变。就是说，实际制作的板子，功能,原理上没有错误，但是检查的结果可能是有错误的，这并不影响制板的进行。对于已经有明确设计规则要求的PCB板子的制作，要先设定板子的制作规则，然后对板子进行检测，检测出结果，对PCB图中的间距，大小等进行修改。4电机智能保护的硬件设计4.1电机保护硬件的选择硬件部分作为电机保护装置的基础，它的性能的好与对电机的保护，控制以及测量和检测等的功能的实现有很大的关系。所以，再设计硬件时，一般把以下几个因素作为参考对象：一般采用集成度非常高的元件完成功能，尽量少涉及到分立元件；通用元件多多益善，特殊元件基本上不要使用，功耗也是要考虑的问题，所以，使用小功耗的元件也是一个参考对象。另外，如果故障发生后，模块化设计能帮助检测出故障，并且完成修复。考虑到以上的一些因素，智能电机保护电路系统中采用高性能数字处理器PIC18F为核心完成电路中的相关数据的采集，运算的处理，保护逻辑判断等功能。 4.2PIC18F芯片的介绍硬件系统的工作的效率的好坏主要取决于CPU。早期的电机微机智能保护的CPU主要是51系列的单品机，科技的不断发展就要求单片机的性能也要相应的跟着发展与完善，由此一来，单片微机的弊端就被无形之中显现出来，成为智能保护发展的障碍。鉴于此，本文采用了MICROCHIP生产的PIC18F芯片，PIC18F芯片的高速处理能力和外设结构决定了它运用到电机保护系统控制中。 图4-1 PIC18F的引脚图（1）采用高性能的静态CMOS技术，主频为64MHz，采用16位操作，有88位的乘法 累加器，使得其数据处理和控制能力增强。（2）采用哈佛结构。哈佛结构将程序和数据存储在不同的存储空间中，由于是哈佛架构的器件，数据和程序存储器使用不同的总线，因而可同时访问这两种存储空间。实际使用时，可将数据EEPROM 当作外设，因为它可以通过一组控制寄存器进行寻址和访问。（3）内含看门狗电路（4）PIC18 单片机具有一个21 位程序计数器，可以对2 MB的程序存储空间进行寻址。访问物理实现存储器的上边界和这个2 MB 地址之间的存储单元会返回全0。数据存储器是用静态RAM实现的。在数据存储器中，每个寄存器都有12位地址，允许数据存储实现为最大4096个字节。存储空间最多被分为16个存储区，每个存储区包含256个字节。（5）可用C,C+和汇编编译和连接。4.3芯片MAX485的介绍图4-2 芯片MAX485的介绍MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为300UA,采用半双工通讯公式，它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。引脚图如上图所示。MAX485芯片结构和引脚都很简单，内部含有一个驱动器和接受器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单品机连接时接口只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；RE和DE端分别为接收和发送的是能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需要用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据位0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻即可。4.4电流采样电路4.4.1单极性转换电路设计采用的 DSP自带A/D,其采样要求输入信号为0到3.3V, 因此接入其引脚的信号电压也不能超过3.3V。所以必须对放大电路给出的双极性信号做进一步处理。电路图如下： 图4-3 单极性转换电路4.4.2相电流检测电路相电流检测电路采用了运算放大器加电压跟随器的方式，电压跟随器起到了隔离作用，以便在A/D入口前进行阻抗匹配。在A/D入口端采用二极管钳位，防止A/D输入电压越界。来自检测通道的电流互感器的电流号经过运算放大器转化为电压信号经电压平移后将交流量信号转化为0到3.3V的单极性电压信号接入DSP的A/D通道引脚。图4-4 相电流检测电路4.4.3交流电流采样霍尔电流传感器以100+100mA的交流电流作为输出信号，TMS320F2812的A/D输入信号范围是03V。因此必须添加合适的调理电路以满足A/D输入的要求。交流电流调理电路见下图，与交流电压调理电路不同的是。第一部分是经电容C4滤波后流经精密采样电阻尺，将电流信号变换成电压信号。第二部分是由运放构成的反相器。第3部分为钳位限幅电路，以保证输出电压信号在03V,满足TMS320F2407的A/D输入信号范围。 图4-5 交流电流信号采样电路上面介绍了3种常见的电流采样电路图。它们运放得到的电压达不到PIC18F系列的芯片的电压5V, 并且电路都不太简单，所以，选择下面的电路作为采样电路。4.4.4LMV324为运放器的采样电路 图4-6 LMV324为运放器的采样电路上图中，三相电流在电阻上产生压降。以A相电流为例，电阻产生的压降UIA1经过运放器的放大作用变为UIA0，通过放大以后，关系变为：= （4-1） 图4-7 采集信号的处理上图中，电流经过处理后送入芯片PIC18F的引脚2 I/O接口中，其中的电路可以分块来说明： 图4-8 地址选择器 电源为+5V,其中S1为开关，通过2点与4点与大地相连。当右路开关闭合时，那么右路中RLYSET1的电压将于2点的压降一样，即为大地电压，这是芯片中引脚5 I/O口输入为低电压，可以置位为0，相应的左路开关未闭合，所以，左路中 RLYSET2的电压将于3点的压降一样 ，为+5V,所以，芯片中引脚6的输入电压为高电压。根据上述所言，可以根据开关的闭合与断开，判断输入电压的高低，并可以根据电压高低相应的设置芯片引脚5与引脚6：即地址为00 01 11,10。 引脚11，12，13的I/O口中引出3个电阻以及3个发光二极管，分别为蓝灯，黄灯和红灯，这三个灯代表电机工作在不同的状态，可以这么设置：当LED1接+5V电源，绿灯亮，说明电机接入电源，绿灯处于一直亮的状态；当黄灯亮时，说明电机处于警报状态；当红灯亮时，说明电机处于故障状态。设计时，4个LED灯都采用低能耗，因此，在正常发光时，LED等所承受的最大电流不能超过0.002A，所以采取串联阻值为2.2k的电阻限流。 图4-9 过压，欠压保护4.5保护电路上图中，+5V电源通过两个上拉电阻与芯片的引脚1，2，3相连接。上拉电阻一部分功能可以限流，此电路图中的上拉电阻防止干扰，增加了电路的稳定性，另外上拉电阻在电源与节点之间，往往这个节点要求应用单片机或者其他控制器件来控制它为高或低电平（即这个节点与I/O口连接）选择10k作为上拉电阻，降低了单片机所承受的电流又保证电流不太小。R34为100K，与三极管的基级相连，这样就避免了三极管基级悬空受到干扰的影响。图中，与8点相连的+5V电压与电容相连，也是为了滤波，滤除电路毛刺的干扰。当输入到三极管的电压为低电压时，此时三极管不导通，引脚2与引脚3就相当于与大地直接相连，此时RE和DE都为逻辑0，器件处于接收状态；当输入到三极管的电压为高电平时，此时R37起到了一个限流作用，保证电流不会太大。BAT54S是钳位二极管，上图中的钳位二极管实际上起到限压的作用，原理如下：J1，J2两个接口把引脚6和引脚7连接起来。当经引脚7流出的电压没有达到击穿二极管的电压值时，此时二极管就是起到钳位作用。当达到二极管的击穿电压时，钳位二极管被正向击穿，此时电压过大，流经电路的电流也会增大，这时自动恢复保险丝RT1和RT2就会由于电流过大而起作用；当流经引脚7的电压过小时，电路将会通过另一个钳位二极管给予一定的补偿电压，这样就保证电压流经钳位二极管的电压不至于过低，实际上该电路基本上实现了过压，欠压与过流的保护。过压时，二极管被正向击穿，引起自动恢复保险丝RT1与RT2由于电流过大而迅速动作，保证了流经电机的电压不至于过大，电流也不会太高，避免了电机因电压过大或者电流过大而发热；当流经引脚7的电压过小时，即欠压时，钳位二极管不导通，电路会自动的为二极管补偿电压。TL9014 三极管的介绍 图4-10 9014管脚图1. Emitter 发射极 2. Base 基级3. Collector 集电极4.6电源电路在电子电路中，电机智能保护电路中也不例外，一般需要稳定的直流电源供电，最简便的方法就是将交流变为直流。直流稳压电源是实现这种转换的电子设备。图4-11 电源电路图中的交流电要变成直流需经过单相半波整流电路，将流经火线与零线的交流电变成直流电。图中的电阻R36是为了消除影响交流电稳定的干扰，从而得到更稳定的交流电源，这样经过单相半波整流电路得到的直流电也会更稳定。图中还有一个三端固定式集成稳压电路7805，这个固定集成稳压器7805输入端接+12V电压，输出电压接+5V电源，中间接地，即电压为0。稳压器7805的介绍图4-12 7805 管脚图1 Input 接高电位2 GND 接地3 Output 输出