（检测技术与自动化装置专业论文）具有电表功能的三相电机保护器的设计与研究.pdf

摘要 摘要 三相电机是机电行业中应用最为广泛的设备之一，其正常输出动力是其所驱动设备 正常工作的前提。因此，使用一种能及时、准确地监测电机故障的保护装置是十分必要 的。对大功率电机进行实时功率计量能够更好的掌握电机的能耗状况，但目前的电机保 护产品往往并不同时具备电表功能。在对三相电机保护原理及电机功率计量方法等方面 内容作了较深入的研究后，针对现有问题，设计并实施了以新华龙c 8 0 5 1f 3 4 0 芯片和 a t t 7 0 2 2 b 芯片为核心的三相电机保护器方案，使产品既具有电机保护器功能又具有功 率计量功能。 在分析和研究电机温升原理和支持向量机理论的基础上，本课题采用一种基于支持 向量机理论的电机温度软测量算法，通过建立模型，实现对电机温度的估计。作为一种 对电机温度间接测量方法的尝试，为软测量技术在电机控制方面拓宽了应用领域。 为了实现上述功能，本课题使用的系统硬件结构主要包括：信号处理电路，主控电 路，功率计量电路，开关稳压电源电路，键盘、显示器电路和通信电路等。本课题编写 的与之对应的系统软件，采用模块化结构，主要包括：初始化程序，监控保护程序模块， 功率计量程序模块，键盘、显示器程序模块和通信程序模块等。经实验测试及实际应用， 设计的电机保护器能够可靠地监控三相电机的各种故障，并且能够将电机的电压、电流、 功率等数据实时地显示出来。 本课题采用一体化设计，使制作的三相电机保护器同时具有电表功能提高了产品 性价比，避免了同时采用各单一功能产品所造的浪费，简化和缩小了控制柜上面板尺寸， 并且使得安装、维护简易，使用方便，如此诸多因素使电机的应用成本大为下降。具有 良好的实用价值和广阔的发展前景。 关键词：电机保护器；功率计量；支持向量机；温度预测 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r e e p h a s em o t o ri so n eo fb r o a d s p e c t r u me q u i p m e n t si ne l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a l i n d u s t r y i t sd r i v i n gf o r c ei st h ep r e c o n d i t i o nt h a td r i v e ne q u i p m e n tc a nw o r kn o r m a l l y a sa r e s u l t i ti sv e r yn e e d f u lt ou s eap r o t e c t o rw h i c hc a nm o n i t o rm a l f u n c t i o no ft h r e e p h a s e m o t o rc o r r e c t l ya n df l e e t l y i tc a r lg e tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ns i t u a t i o no ft h r e e - p h a s em o t o r b ym e a s u r i n gi t sr a t eo fw o r ko n - l i n e b u t ，n o w a d a y sm a n yp r o t e c t o r so ft h r e e p h a s em o t o r h a v en o tt h ef u n c t i o no fm e a s u r eo fp o w e r a f t e rs t u d y i n gt h et h e o r ya n dt e c h n i q u ef o r t h r e e p h a s em o t o rp r o t e c t i o na n dp o w e rm e a s u r e ，as c h e m ef o rp r o t e c t o ra n dd y n a m o m e t e ro f t h r e e p h a s em o t o rb a s e do nx i nh u a l o n gc 8 0 51f 3 4 0a n da t t 7 0 2 2 b b a s e do nt h ea n a l y z i n ga n ds t u d y i n go ft h et h e o r e mo ft h r e e p h a s em o t o ra n ds u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ( s v m ) as o f ts e n s o rm o d e l i sb u i l tt oe s t i m a t et h et e m p e r a t u r eo ft h r e e p h a s e m o t o rb ym o d e l i n gw i t hs v m a sat r yo ft e m p e r a t u r ei n d i r e c t l ym e a s u r eo ft h r e e p h a s e m o t o r , i ti sa ne x t e n s i o nf o rs o f ts e n s o r s i no r d e rt oa c h i e v et h et a r g e t ，t h eh a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e d i ti n c l u d e ss i g n a lp r o c e s s c i r c u i t ，m a i nc o n t r o lc i r c u i t ，p o w e rm e a s u r ec i r c u i t ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，k e y b o a r d a n dd i s p l a yc i r c u i ta sw e l la sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t c o r r e s p o n d i n g l y , t h es o f t w a r es y s t e mi s a l s od e s i g n e d i ti n c l u d e si n i t i a l i z a t i o np r o g r a m ，s u p e r v i s i o na n dp r o t e c tp r o g r a mm o d u l e ， d y n a m o m e t e rp r o g r a mm o d u l e ，k e y b o a r d a n d d i s p l a yp r o g r a mm o d u l e a sw e l la s c o m m u n i c a t i o np r o g r a mm o d u l e t h ee x p e r i m e n ta n da p p l i c a t i o np r o v e st h a tt h es c h e m en o t o n l yc a nm o n i t o rm a n yk i n d so fm a l f u n c t i o no ft h r e e p h a s em o t o rs t a b l yb u ta l s oc a nd i s p l a y m u c hi n f o r m a t i o no n l i n e ，s u c ha sv o l t a g e ，a m p e r ea n dw a t t t h ep r o d u c ti sd e s i g n e db yu n i f i e df o r m a l i s m i ti sn o to n l yap r o t e c t o r , b u ta l s oa d y n a m o m e t e rf o rt h r e e - p h a s em o t o r r e d u c e st h ec o s to ft h ep r o d u c t ，a n da v o i d st h ew a s t eo f u s i n ge q u i p m e n t sw i t hs i n g l ef u n c t i o na n dm a k ei tp o s s i b l et os i m p l i f ya n dm i n i a t u r i z a t i o n c o n t r o lc a b i n e t a n d ，a l s oi tm a k e si t e a s yt of i xa n dm a i n t e n a n c et h r e e p h a s em o t o r t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c th a se c o n o m i cb e n e f i ta n db r o a dp r o s p e c t si ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：m o t o rp r o t e c t o r ；p o w e rm e t e r ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ；t e m p e r a t u r ep r e d i c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：型 日期： 0 7 年7 月巧日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：字一导师签名： 日期： d 了年1 月乒了日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 蠡i 受 导师签名： e l 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 三相电机是机电行业中应用十分广泛的设备之一，电机正常输出动力是其所驱动设 备正常工作的前提。但多数电机的应用环境很恶劣，尤其是在火力发电厂、矿山、钢铁、 冶金和石化等企业，电机长期工作在高温、高湿、多尘埃的工况条件下，很容易使电机 出现断相、欠载、漏电、堵转及过载等故障。实际使用过程当中，除了恶劣的运行环境 还有超技术条件运行，也是导致各类电机故障产生的主要原因。三相电机由于电网、负 载及电机本身的种种原因，也会经常发生电机损坏现象。电机故障或损坏带来的直接和 间接损失是相当巨大的【l 】。因此，保持电机的稳定运行就成了人们长期以来一直关注的 问题。设计与使用能及时、准确地检测出故障的发生，并能通过对故障特征的分析来确 定故障原因并进行保护的装置，对维持电机的正常运转，确保生产安全显得至关重要。 在实际使用中，为了能够更好的掌握电机的工作状况，常常还需要对电机的功率进 行实时计量目前常见的方法是在电机保护器旁边再安装一个电表来计量电机的功率。 这样在安装、使用和成本等各方面都造成了一定程度的浪费和不方便。因此，采用一体 化设计思想，设计一种既有电机保护功能又具有电表功能的三相电机保护器，将能避免 使用单一功能的产品而令某些器件重复采用所造成的资源浪费也简化和缩小了控制柜 面板尺寸，并且使安装、维护简易，使用方便，如此诸多因素使电机的使用成本大为下 降。具有十分重要的经济意义和广阔的发展前景。 本课题就是应企业的需求，来设计一种具有电表功能的三相电机保护器。 1 2 三相电机保护器的发展及现状 电机保护装置的种类繁多，其发展经历了多个阶段。从双金属机械式热继电器到电 子式继电器，发展到今天，已经进入了智能化电机保护器阶段。 二十世纪五十年代以来，我国中小型电机的保护器常采用熔断器、接触器和热继电 器的组合方式，可以实现过载、短路、欠载、断相等功能。熔断器与接触器是使用最早、 最简单的保护方式，熔断器主要是用于短路或严重过载时保护电源设备和供电网络的， 实际上它对电机不直接起保护作用。当熔体熔断时，又往往会导致电机因缺相运行而烧 毁，许多人常错误的把熔断器的作用看作是保护电机，这是不全面的。一般的熔断器熔 体标准选择是按电机额定电流1 5 - - - , 2 5 倍来选择，这是不符合实际情况的，电机启动时 能受到5 - - - - 7 倍大电流冲击，但因时间短，理论上是可以在熔体不熔断的情况下通过熔 体，但由于熔体在制造工艺、时效和安装上会存在随机缺陷，在电机起动时很容易发生 部分相的首先熔断，而使电机处于缺相运行，最终造成电机烧毁1 2 j 。热继电器是最早从 前苏联引进的技术，开发出双金属机械式热继电器作为电机过载保护装置，用于防止电 机因过载而引起的过电流产生故障。因热继电器具有反时限的特性和结构简单、使用方 便、成本低，所以应用范围广，应用量较大。但热继电器本身是一个耗能元件，在动作 江南大学硕十学位论文 过程中要消耗较多的电能，而当热继电器真正起到保护作用而动作过几次后，其本身的 电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，无法继续使用，必须全套更换。热继电器最主 要的缺点是受环境温度影响较大，双金属片整定方法比较粗糙，使得整定值不准确，变 化大，热继电器的动作曲线与电机允许发热特性曲线很难保持一致，此外热继电器安装 在电机外部，把它串接在主电路中，与电机绕组温度无直接关系。一旦由于通风受阻、 堵转、频繁启动、长时间轻微过载等情况使电机绕组产生热积累，热继电器就无法j 下常 保护电机了【3 】o 有些场合采用温度继电器，其使用方法是在电机绕组中预先埋设测温元件( 一般为 p t c 热敏电阻) 配合控制设备，对电机进行有效的温度保护。p t c 热敏电阻也称正温度 系数热敏电阻，它的电阻值随着温度的升高而增大，属于非线性变化，当温度达到某一 数值时，发生突变电阻急剧增大【4 j 。温度继电器就是利用了热敏电阻的这一特性，当电 机出现故障时，都会导致绕组温度升高，达到规定值时，热敏电阻的阻值发生突变，阻 值变得很大，保护装置获得此信号后，通过控制设备使电机停止工作，实现保护。这种 直接监视温度来实现对电机的保护，是一种比较可靠、准确的方式。温度保护可以实现 过载启动、频繁启动、断相、过载、堵转、调速电机转速过低、通风不畅、环温过高、 污垢严重、反向电流制动、由于电压或频率的增加引起铁损增加、不对称电压引起的过 负荷、机械损耗增加故障等很多情况下的保护，还可消除各种环境的影响【5 j 。但是温度 继电器要求是在生产电机时一起安装并配套出厂，且其动作缓慢，恢复时间长，3 k w 以 上的三角形接法电机和小型电机上适合使用。 随着电子技术的迅速发展，二十世纪七十年代，电子式的电机保护装置得以发明并 使用。电子式继电器仍然遵循反时限保护的特性，其主要由两大部分组成：一是监测部 分，二是执行部分。监测部分通常采用电流互感器，利用其磁滞回线的直线部分来获取 信号。执行部分全部采用电子元件来工作，其可以分为分立元件式、集成元件式和分立 一集成混合式三种，一般由信号比较电路、过电流保护电路、延时电路、触发电路、执 行元件及电源等部分组成。工作原理是通过电流互感器直接监测电机运行电流来进行保 护【6 】。与热继电器相比，电子式继电器不存在发热问题，其动作稳定，也消除了对安装 环境温度的要求，且保护功能与灵敏度也都占有绝对优势。具有的技术先进、可靠准确、 整定值可实现连续调整等特点，使得保护的电机既可避免因过载、断相、短路、三相不 平衡、堵转、过压、欠压等原因而烧坏电机，也可以按照要求设定整定值。但是，通常 的电子式的电机保护装置均采用人工可调定时限保护特性，无法实现与电机热过载曲线 相匹配的反时限特性保护，只能实现单点式保护，并且该保护装置一般采用定时避开启 动电流措施，以防止正常启动时保护误动作，但如果启动过程中出现异常故障，则电机 就得不到保护。另外，由于电网电压波动、电磁干扰以及自身发热因素，使其故障率很 高，且针对电机的风扇损坏、通风口阻塞、轴承等故障引起的电机发热，也不能对电机 起到保护作用【7 1 。但电子式继电器相比热继电器，则具有动作灵敏、工作可靠、精确度 高、耐冲击振动、重复性好、功能强大、功耗小、节能等优势，所以仍然已经成为电机 保护装置的一个重要品种。 2 第一章绪论 进入二十一世纪后，随着微处理芯片和大规模集成电路技术的发展，新开发的电机 保护装置都是嵌入式的采用单片机，d s p ，a r m 等) 。保护器可以对电机运行过程中的 各种运行状况的详细信息进行采集跟踪，通过对故障报警、保护动作、以及动作延时时 间的设定来实现及时准确的保护，保证生产的安全。同时经过通信，可以使上位机获得 电机运行状况的详细信息从而进行实时的监测，并经计算机数据处理提供管理信息。在 设备可能产生重大故障前，越限报警可及时提醒管理人员进行处理，避免了不必要的停 机而对正常生产造成影响，最大限度地保证设备运行的有效性。当电机运行参数达到预 置的预警值时，保证装置仅进行预警，不发生脱扣；但当越线值达到预置的脱扣值时， 保护装置进入脱扣触发延时。在预置脱扣延时时间内若设备恢复正常运行，则取消脱扣 执行；而如果超过延时时限，则保护装置发出脱扣信号，驱动执行元件动作。在电机控 制装置实现各项保护功能的同时，各种保护信息也由装置生成并经通信接口上送到计算 机管理系统 8 , 9 , 1 0 】。现在的保护器已经成为一种集监测、保护、遥测、通讯、遥控为一体 的电机保护装置。 今后电机保护器技术将会沿着两个主要方向发展【1 1 , 1 2 , 1 3 】：一方面推进新理论的研究， 通过故障建模和仿真计算，并引入序分量、谐波分量、阻抗量、相位量等多种对电机故 障敏感的检测量作判据，将小波分析、神经网络、支持向量机等算法引入电机保护控制 领域，不但能大大提高保护控制装置性能，而且对电机故障和保护方面的理论研究也会 有很大的促进。另一方面要着手新技术的应用与开发，利用各种传感器( 包括红外线、 电磁波、振动、电、热、机械、光、声等) 对电机运行情况进行监测，然后根据传感器 输出的信息经微处理器进行判断、分类，确定故障类型和严重程度，分别采取报警、显 示、保护控制等动作，这样不但能实现以上各种电机保护功能，更重要的是能做到预测 电机的前兆故障，进而达到提前防止电机故障发生。 1 3 课题的研究重点 本课题结合企业的实际需求，开发一种具有电表功能的三相电机保护器，设计目标 如下： 依据数字式电动机综合保护装置通用技术条件( j b t 1 0 6 1 3 2 0 0 6 ) 1 4 j 中各种故障参 数规定来设计不同的保护功能，即热过载保护、堵转保护、断相保护、相不平衡保 护、欠载保护、漏电保护和启动超时保护等； 实现电表功能，即对三相电机的功率进行计量； 良好的人机交互功能。测量的多种数据实时分屏地显示在l c d 液晶屏上，配有状态 指示灯。键盘结合显示器，能方便的实现电机保护器各项参数的设置和功能的选择； 能够实时监测和显示多种电机信号，即电流、电压、功率。并输出表示电流大大小 的4 2 0 m a 的电流信号； 具有外部通讯接口，能与上位机进行4 8 5 通信。 结合上面设计目标所述的三相电机保护器的功能要求及相应的性能指标，将本课题 的研究重点放在以下几个方面： 江南大学硕十学位论文 如何根据三相电机保护器的功能要求和性能指标进行硬件电路的设计，包括电流、 电压信号处理电路，主控电路，功率计量电路，开关稳压电源电路，键盘、显示器 电路，通信电路等； 依靠k e i lu v i s i o n 2 集成开发平台，进行软件开发。通过任务划分、设计和任务关联 分析将保护器的整个功能用软件形式表达出来。同时进行代码编写，实现保护器功 能； 分析三相电机保护器的实时性要求，在设计中从硬件和软件两方面来满足； 根据保护器在实现监测保护功能的同时还要实现功率计量功能设计不是简单的二 个产品设计的叠加而是要从硬、软件两方面来综合考虑如何最好的协调其功能的实 现； 在实现了保护器的监控和计量功能等设计目标之后，再尝试根据软测量的思想，运 用支持向量机理论，采用合适的算法建立模型来估计电机的温度。运用先进的理论 来解决实际的问题，这个方向是很值得我们进一步研究的。 1 4 硬件方案设计 1 4 1 硬件电路设计要求 能够监测多项电机故障，并能及时关停电机； 功率计量精度达到o 5 级功率表水平； 直流电源分别提供5 v 、1 0 v 、1 0 v 、2 4 v 直流电压； 采用l c d 液晶屏显示，内容包括汉字、字母、数字及个别符号； 有7 个按键，可在线设置电机保护参数和液晶屏显示内容； 有4 个l e d 功能指示灯，显示电机工作状态； 具有通信功能； 具有较强的抗电磁抗干扰能力，达到国标电磁兼容性的要求。 1 4 2 硬件电路方案确定 中央控制芯片采用新华龙c 8 0 5 lf 3 4 0 微控制器，以其为核心构造合理的硬件电路， 保证输入、输出通道的精度，实现对多项电机故障的监控； 计量芯片采用多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b ，确保对电 机功率计量的精度； 开关稳压电源电路的设计采用了无工频变压器反激式开关电源设计，能够在输入电 压从交流6 5 2 6 5 v 变化时提供各种稳定的直流电压； 液晶屏采用图形点阵y e j h d1 2 8 6 4 gl c d 模组，能够满足保护器的显示要求。键盘 和l e d 功能指示灯由z l g 7 2 9 0i c 接口键盘及l e d 驱动芯片来控制； 保护器和上位机之间采用r s 4 8 5 通信； 通过电路板设计，光电隔离，+ 滤波等多种方法减少电磁干扰。 4 第一章绪论 1 5 软件方案设计 1 5 1 软件功能要求 能够实现多项电机故障的监测，并控制电机运行； 实现电机功率计量； 完成液晶屏、键盘、l e d 灯的驱动及控制； 实现保护器的通信； 一定的抗干扰能力。 1 5 2 软件方案确定 采用模块化设计，根据每种故障的参数来编写故障子程序模块，由监控程序调用， 子程序模块间是相对独立，可以根据客户要求设置不同的故障监控选项； 对多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b 和s t c l 2 c 2 0 5 2 进行编 程，实现电机功率计算等功能； 编写y e j h d1 2 8 6 4 gl c d 模组的驱动程序及字库； 通过z l g 7 2 9 0 芯片编程实现对键盘、l e d 灯的控制； 通过如看门狗一类的软件启动来进一步减少外界干扰 1 6 论文结构 第一章绪论；分别介绍了课题的来源和研究意义，三相电机保护器的发展现状及 未来的趋势，结合未来的趋势和现在国内对产品的需求来进行本课题的设计，并介绍了 本课题的研究重点及软硬件设计方案。 第二章硬件电路设计；首先从硬件的总体结构进行介绍，而后分别对各个功能电 路进行介绍。这包括信号处理电路，主控电路，功率计量电路，开关稳压电源电路，键 盘、显示器电路和通信电路等。 第三章软件设计；首先从保护器软件的总体框架开始介绍，而后着重介绍监测保 护程序和功率计量程序，及其下属的一些子程序的设计思路和内容，基于支持向量机理 论的电机温度预测算法则放在下面一章进行单独讨论。 第四章基于支持向量机的电机温度软测量；首先对支持向量机理论进行初步的介 绍，而后分析电机温升的原理及其主要因素，最后通过实验测试所建立的电机温度软测 量模型的可行性。 第五章测试及讨论；首先对电机保护器的各个功能电路进行单独的测试和讨论， 最后对组装好的整机进行的测试和讨论。 第六章总结与展望；总结论文整体内容，探讨论文的局限性和待改善之处，并且 对今后工作进行展望。 第二章硬件电路设计 第二章硬件电路设计 2 1 硬件总体结构 本课题硬件电路包括有以新华龙c 8 0 5 1f 3 4 0 芯片为核心的主控电路，此外还有电 流处理电路，电压处理电路，功率计量电路，开关稳压电源电路，键盘、显示器电路和 通信电路等外围电路组成的，其总体结构如图2 1 所示，电流和电压信号经互感器取样 后经由电流处理电路和电压处理电路分别接入功率计量电路和主控电路。功率计量电路 是由从单片机控制的计量芯片对电流和电压数据进行计算，得到电机的功率数据送入主 控电路。主控电路与键盘、显示器电路相连，使电机的电流、电压、功率等数据在显示 器上实时地显示出来，并且根据设定的电机电流和电压数据对电机进行控制。可以实现 的保护功能有：热过载保护、堵转保护、断相保护、欠载保护、接地故障保护、欠电压 保护、启动超时保护等。当出现上述情况时，主控电路发出控制信号立即切断电机电源， 同时在显示器上显示故障中文名称。 电 流 互 感 器 u a 缉 n - i a = i b 二 i c 电流 信号 处理 电路 电压 信号 处理 电路 通信电路 主控电路 功率计量 电路 键盘、显示器 电路 开关稳压 电源电路 图2 1 系统硬件总体结构框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fh a r d w a r e 设计中主控电路的主要任务有：根据电机的电流和电压信号对电机进行监控；控制 液晶显示器的显示内容，将实时的电流、电压和功率等数据显示出来；通过键盘在线修 改电机监控参数；控制通信电路实现与上位机的通信。 为了提高主控电路的工作效率，这里单独用了一个功率计量电路来计量功率，这个 电路主要由一个从单片机和一个功率计量芯片组成，电路可单独进行工作，最后将运算 的结果送到主控电路。 开关稳压电源电路为整个电机保护器提供稳定的直流电压，主要有5 v 、1 0 v 、1 0 v 和2 4 v 。 电流、电压信号处理电路主要是解决整流、滤波、变压等功能，为后面的数据处理 做好准备。 7 江南大学硕士学位论文 键盘、显示器电路是要直接面向用户的，所以应该设计的简洁美观，其主要功能是 显示各种电机运行数据，通过键盘可控制保护器的日常使用，包括启动停止电机、进行 参数设置等。同时还配有二极管指示灯，用来提示用户电机的运行状态。 通信电路主要进行和上位机的通信等工作，为实现多台机器网络化管理提供可能。 2 2 信号处理电路 2 2 1 电流处理电路 以a 相为例的电流处理电路如图2 - 2 所示，通过电流互感器采集到的电流信号其大 1 0 v g 6 8 k n 图2 - 2 a 相电流处理电路 f i g 2 2ap h a s ec u r r e n tp r o c e s s i n gc i r c u i t 8 第二章硬件屯路设计 小的变化经运算放大器变换成电压信号的变化便于下一步的处理。这里电流处理电路分 成了两部分，上面部分电路处理过的信号是接到功率计量芯片舢盯7 0 2 2 b ，下面的部分 电路处理过的信号是接到c 8 0 51f 3 4 0 芯片，上面电路先是经过一个隔离电路使得输入 信号和输出信号不互相影响，采用的原因是主控电路和功率计量电路对输入电信号的要 求不同。下面的信号经过一个半波整流电路得到的交流电压有效值接入主控电路。 2 2 2 电压处理电路 以a 相为例的电压处理电路如图2 3 所示，外接信号经过变压、滤波等处理之后变 换为适合a d 采样的电压，最后通过各自的a d 转换引脚引入单片机芯片c 8 0 5 1f 3 4 0 和功率计量芯片触r t 7 0 2 2 b 。 图2 3 a 相电压处理电路 f i g 2 - 3ap h a s ev o l t a g ep r o c e s s i n gc i r c u i t 2 3 主控电路 在低端嵌入式系统的单片机领域，8 0 c 5 1 系列一直有着重要地位，但近年来由于其 的运行速度低、功耗高、功能少等问题，8 0 c 5 1 系列单片机似乎已经不适应时代的需求 了，然而c y g n a l ( 新华龙) 公司推出的8 0 c 5 1 f 系列单片机又将8 0 c 5 1 兼容单片机推上 了8 位机的先进行列，使8 0 c 5 1 系列从m c u 时代进入到了s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 时代。 s o c 是指片上系统或系统级芯片，是在同一个芯片上集成了控制部件( 微处理器，存储 器) 和执行部件( i o 接口，微型开关，微机械) ，能够自成体系，独立工作的芯片【1 5 j 。 因此，8 0 c 5 1 f 系列单片机功能强大，可靠性高，能够作为嵌入式系统的主控制器。而 且价格上也存在优势，有很高的性价比。因此，本课题中选用的就是c 8 0 5 1f 3 4 0 作为 主控电路的核心芯片。 2 3 1 主要部件结构及性能 c 8 0 5 1f 3 4 0 器件是完全集成的系统级芯片，下面列出了它的一些主要特性。 c 8 0 5 1f 3 4 0 采用4 8 脚t q f p 封装； 9 江南人学硕十学位论文 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器内核( 可达4 8 m i p s ) ； 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 通用串行总线( u s b ) 功能控制器，有8 个灵活的端点管道，集成收发器和1 kf i f o r a m ； 电源稳压器； 真正1 0 位2 0 0k s p s 的单端差分a d c ，带模拟多路器； 片内电压基准和和温度传感器； 片内电压比较器( 两个) ； 精确校准的1 2 m h z 内部振荡器和4 倍时钟乘法器； 多达6 4 k b 的片内f l a s h 存储器； 多达4 3 5 2 字节片内r a m ( 2 5 6 + 4 k b ) ； 9 硬件实现的s m b u s i c 、增强型u a r t ( 最多两个) 和增强型s p i 串行接口； 4 个通用的1 6 位定时器； 具有5 个捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列( p c a ) ； 片内上电复位、v d d 监视器和时钟丢失检测器； 多达4 0 个端口i o ( 容许5 v 输入) 。 具有片内上电复位、v d d 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片是真正能独立工作的片上系统。其f l a s h 存储器还具有在线系统重新编程能 力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。用户通过软件可实现对所 有外设的完全控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内s i l i c o nl a b s 二线( c 2 ) 开发接口，允许对安装在最终应用系统上的m c u 进 行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在线系统调试。其调试逻辑可以支持观察和修 改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用c 2 进行调试时，所有 的模拟和数字外设都可正常运行。两个c 2 接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调 试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围( 4 5 n + 8 5 ) 内用2 7 v - 5 2 5 v 的电压工作。但当 电源电压大于3 6 v 时，必须使用内部稳压器。对于u s b 通信，电源电压最小值为3 0 v 。 端口i o 和r s t 引脚都容许5 v 的输入信号电压。 此夕b c 8 0 51f 3 4 0 在c i p 51 内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能， 并使得其在实际中更易于使用。 c 8 0 5 lf 3 4 0 有多达9 个复位源：上电复位电路( p o r ) 、片内v d d 监视器( 当电源 电压低于v 。，时强制复位) 、u s b 控制器( u s b 总线复位或v b u s 状态变化) 、看门狗 i 、oj 定时器、时钟丢失检测器、由比较器提供的电压检测器、软件强制复位、外部复位输入 引脚和f l a s h 读写错误保护电路复位。除了p o r 、复位输入引脚及f l a s h 操作错误这 三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。在一次上电复位之后的m c u 初始化期 间，w d t 可以被永久性使能。 1 0 第二章硬件电路设计 高速内部振荡器在出厂时已经被校准为1 2 m h z4 - 1 5 。时钟恢复电路允许内部振荡 器与4 倍时钟乘法器配合，提供全速方式u s b 时钟源。内部振荡器还被用作低速方式 下的u s b 时钟源。外部振荡器也可以与4 倍时钟乘法器配合使用。器件内集成了一个 低频振荡器，可以在功耗比较重要的应用中使用。器件内还集成了外部振荡器驱动电路， 允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、r c 或外部c m o s 时钟源产生系统时钟。系统时钟 可以被配置为使用内部振荡器、外部振荡器或时钟乘法器输出二分频。如果需要，可以 在c p u 运行时切换系统时钟振荡源。低频内部振荡器或外部振荡器在低功耗系统中是 非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 的时钟源运行，当需要时再周期性地 切换到高速时钟源。 2 3 2 主要部件在本课题中的应用 由上述可见，c 8 0 5 lf 3 4 0 的结构和性能很适合在本课题的具有电表功能的三相电机 保护器中作为控制核心，能满足系统的要求，这主要体现在以下几方面【1 7 】： c 8 0 5 lf 3 4 0 系列器件使用s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 l 微控制器内核。与以往的c 5 1 指令集完全兼容，可以使用标准常用的汇编器和编译器进行软件开发。片内s i l i c o n l a b s 二线( c 2 ) 开发接口允许在线调试程序，在使用c 2 进行调试时，所有的模拟 和数字外设都正常运行。这使得对保护器的程序进行测试和修改变得十分方便了； 具有电表功能的三相电机保护器要求控制器芯片具有高速控制和信息处理能力，由 于c 8 0 5 1f 3 4 0 采用高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器内核( 可达4 8 m i p s ) ， 增加了处理器指令流的速度。使得多种操作可以高效的进行，并使处理器和存储系 统连续操作，c 8 0 5 1f 3 4 0 能够很好地满足保护器性能要求，这样也为保护器丰富功 能的实现打下良好的基础； ， c 8 0 5 1f 3 4 0 具有多个串行接口，包括一个s m b u s i 。c 接口、两个全双工u a r t 和一 个增强型s p i 接口。键盘和二极管指示灯驱动芯片采用z l g 7 2 9 0 ，z l g 7 2 9 0 是采用 i 。c 总线接口，每种串行总线都完全用硬件实现，都能向c i p 5 1 产生中断，因此需 要很少的c p u 干预，这就很好的提高了系统的稳定性； c 8 0 5 lf 3 4 0 具有多达6 4 k b 的片内f l a s h 程序存储器和多达4 3 5 2 字节片内r a m ， 满足了运行程序所需的程序存储器和数据内存； c 8 0 5 1f 3 4 0 具有的1 0 位a d c ，比一般的8 位a d c 大大提高了对初始数据的测量 精度和测量范围。其片内还有两个电压比较器，可用于实现某些功能的自动转换； 扩展的中断系统向c i p 一5 1 提供1 6 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) ，允许大 量的模拟和数字外设中断以及软件中断。一个中断驱动的系统需要较少的m c u 干 预，因而有更高的执行效率。具有电表功能的三相电机保护器是一个多任务实时系 统，这些增加的中断源是非常有用的； c 8 0 5 1f 3 4 0 具有多达4 0 个端口i o ( 容许5 v 输入) ，大部分引脚的功能可以自行 设定，这就使得我们可以比较灵活地设计方案。 江南人学硕士学位论文 主控电路部分电路如图2 4 所示，应厂家要求，从引脚3 引出了用来生成4 - 2 0 m a p w m 信号的电路，其作用是来反映三相电流中的某一项的电流变化，可以连接到p l c 等其它设备上。3 5 、3 6 、3 7 脚则是分别接入单相电流信号的，3 3 脚接入零序电流信号， 1 5 2 2 脚则是连接到液晶屏对显示内容进行控制，其它引脚的功能这里就不一一介绍了。 图2 - 4 主控电路 f i g 2 - 4t h ec o n t r o lc i r c u i t 2 4 功率计量电路 功率计量电路主要由多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b 和从 单片机s t c l 2 c 2 0 5 2 组成。这里单独用一个廉价的s t c l 2 c 2 0 5 2 单片机来负责对功率计 量芯片a t t 7 0 2 2 b 的控制，从而使得主控的核心芯片c 8 0 5 1f 3 4 0 能全力确保三相电机 保护器的保护功能的稳定实现，使用电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b 使得电机功率的计算 更加准确，同时也提高了功率计量方面软件的稳定性和简易性。 2 4 1 主要部件结构及性能 a t t 7 0 2 2 b 是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。 a t t 7 0 2 2 b 的内部如图2 5 所示，它的一些主要功能有1 1 8 j ： 高精度在输入动态工作范围( 1 0 0 0 ：1 ) 内，非线性测量误差小于0 1 ； 有功测量满足o 2 s 、o 5 s ，支持i e c6 2 0 5 3 2 2 ，g b t1 7 8 8 3 1 9 9 8 ； 无功测量满足2 级、3 级，支持i e c6 2 0 5 3 2 3 ，g b t1 7 8 8 2 1 9 9 9 ； 提供基波、谐波电能、视在电能以及总电能测量功能； 提供正向和反向有功无功电能数据； 提供有功、无功、视在功率参数和功率因数、相角、线频率参数； 提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0 5 1 提供电压、电流相序检测功能； 1 2 第二章硬件电路设计 提供三相电流矢量和、三相电压矢量和的有效值输出； 提供电压夹角测量功能和失压判断功能； 提供有功、无功、视在校表脉冲输出； 提供基波有功、基波无功校表脉冲输出； 内置温度测量传感器； 电表常数和起动电流可调； 可准确测量到含2 1 次谐波的有功、无功和视在功率； 支持增益和相位补偿小电流非线性补偿； 具有s p i 接口，方便与外部m c u 通讯。 o s c oo s c is e l s 1 gr e s e t 时钟控制电路 模拟信号 采样 龋h 耄妻 脉冲 生成器 s p i 通讯接口 电源管理 c f l c f 2 c f 3 c f 4 r e v p d o u r d i n s c l k c s v c c a v c c v d d k e f o u tr 匕f 【气p g n d a g n d 图2 5a t t 7 0 2 2 b 的结构框图 f i g 2 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo fa t t 7 0 2 2 b a t t 7 0 2 2 b 的引脚定义如下： 1 ( r e s e t )a t t 7 0 2 2 b 复位管脚，低电平有效，内部有4 7 k 上拉电阻； 2 ( s i g )a t t 7 0 2 2 b 上电复位或者异常原因重新启动时，s i g 将变为低电平。当外 部m c u 通过s p i 写入较表数据后，s i g 将立即变为高电平； 3 , 4 ( v 1 p 1 n )a 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工 作最大输入v p p 为1 5 v ，两个引脚内部都有e s d 保护电路，最大承受电压为_ 6 v ； 5 ( r e f c a p ) 基准2 4 v ，可以外接。该脚应使用1 0 u f 电容并联0 1 u f 电容进行去耦； 6 , 7 ( v 3 p 3 n )b 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工 作最大输入v p p 为1 5 v ，两个引脚内部都有e s d 保护电路，最大承受电压为_ 6 v ； 8 ( a g n d ) 模拟电路(