三相异步电动机保护系统的设计毕业论文

1、三相异步电动机保护系统的设计毕业论文目录摘要 错误！未定义书签。ABSTRAC.T错误！未定义书签。前言 III1 绪论 12 电动机保护原理 32.1 异步电动机运行原理 32.2 电动机故障分析 32.3 电动机保护原理分析 42.3.1 过流保护 62.3.2 负序电流保护 72.3.3 零序电流保护 72.3.4 电压保护 错误！未定义书签。2.3.5 过热保护 102.4 本章小结 113 硬件电路设计 123.1 概述 123.1.1 硬件系统技术要求 123.1.2 硬件设计综述 123.1.3 各部分简介 133.2 处理器模块 133.2.1 ATmega16 单片机的主要特

2、点 133.2.2 ATmega16 单片机的内部结构 143.2.2.1 ATmega16 单片机的CPU核心 143.2.2.2 ATmega16 的引脚功能介绍 153.2.3 处理器模块的电路设计 163.3 键盘模块 173.4 显示模块 183.4.1 液晶显示原理 183.4.2 液晶显示器的特点 183.4.3 LCD1602 液晶显示器 183.5 数据采集模块 203.5.1 电压、电流信号处理 213.5.2 ADC模数转换 213.6 报警部分 233.7 本章小结 244 系统软件设计 254.1 程序设计语言选择 254.2 软件系统整体设计 264.3 主程序设计

3、 264.3.1 ADC 处理部分 274.3.2 1602 液晶显示程序 304.4 人机接口程序设计 314.5 参数调整子程序设计 324.6 本章小结 33结论 34参考文献 35致谢 37附录1 38附录2 39II前言前言在当今电力如此发达的社会，电动机是当前应用最广泛的动力设备，供电系统70%的电能是通过电动机消耗的。由于交流电机具有结构简单、制造方便、运行可靠以及价格低廉等优点，因而被广泛应用于工农业、交通运输、国防等领域。电动机所带的负载种类繁多，且往往是整个设备中的关键部分，因而，电动机的安全、稳定运行具有十分重要的意义。在实际的生产环境中，由于电网波动，负载冲击以及外界环

4、境高温、高湿、粉尘等的影响，导致电动机的安全运行受到很大的威胁。电动机的故障或不正常运行轻则影响设备功能重则造成设备损坏和其它安全事故，引起重大的经济损失，电动机保护器的研究就显得十分必要。据有关方面统计，全国每年电动机损毁数量在300 万台以上，仅电动机的维修费用就在百亿元以上，因电动机不正常工作所造成的耗电量高达数十亿KWh，间接经济损失更是数目惊人。而且这一数字还在不断增长。另外，由于现代电动机设计、生产技术的提高，电动机的体积越来越小，导致电机内部电流密度显著增加；再加上现代化的生产工艺往往要求电动机经常在频繁的启动、制动、正反转以及变负荷等多种状态下切换运行，电动机出现故障的概率更加

5、难以确定，故障后导致的后果也更加严重。因此，无论从安全的角度还是从经济的角度来看，电动机保护器的研究有着深远的意义。III1 绪论国内电动机保护有以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式，热继电器是建国以后从前苏联引进技术开发的金属片机械式电动机过载保护器，是长期以来我国电动机保护器所采取的主要技术方法。这种电动机保护器由熔断器、接触器、断路器及热继电器组成，控制方式主要分为以下四种：（1 ）熔断器交流接触器热继电器；（2）断路器交流接触器热继电器；（3）熔断器断路器；（ 4）熔断器断路器交流接触器热继电器 1,2 。热继电器是用于保护电动机因过载引起过电流的置。热继电器在电子技术尚不发达的时代

6、曾是电机过载保护的首选产品，利用的是双金属片热效应原理：双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆合而成，通过的电流使它们产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲的程度和电流的大小成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定时间就会启动其中的脱扣装置，从而起到切断主回路达到保护的目的。热继电器具有反时限特性和结构简单、安装方便等优点；同时，它也有一定的缺陷，由于材料的热滞后效应导致热继电器有保护时滞和对轻微堵转、过载保护欠佳的缺点1,2 。由于上述缺点电动机容易长期运行在轻微过载状态，使电动机绕组产生热积累，绕组温升超过额定值，绕组绝缘老化，影响电动机使用寿命。另外，受制造工艺限制，热继电器的性能有一定

7、的分散性，动作曲线与电动机实际保护曲线不协调，使电动机有效功率下降，严重时还会导致误动作。正因为如此，这种传统的电动机保护方法正在被逐步淘汰，新设备上已基本看不到它的身影。普通电子式电动机保护器是从上个世纪七八十年代开始，随着半导体技术、电子技术的发展及广泛应用，一批新的基于分立电子元件和中小规模集成电路的新型电动机保护产品应运而生。此类保护器从保护取样方式上大致分为电压取样型和电流取样型。电压取样型电动机保护器主要针对电动机工作电压进行相应的检测来对电动机进行保护；电流取样型电动机保护器通过对电动机的线电流的变化检测来对电动机进行保护。我国电子式保护器是由晶体管型发展至集成电路型，装置功能基

8、本满足电动机保护的要求。但是设计思路的限制导致这些电动机保护器仍有一些难以克服的缺陷，这主要表现在：一是精度不高，由于整个保护器是由众多分立元件集合而成，任何一个元件的性能都会对整个系统产生很大影响。各个元器件之间连线繁杂，在复杂电磁环境中极易受到干扰，对温度的敏感性也很高，这常常导致保护器不能正常工作。二是无法实现参数存储、通信等功能。受器件功能影响，在由分立元件构成的电动机保护器上无法实现参数记录，实时通信这样的高端功能，这也限制了这类保护器的应用范围。另外，整个保护装置中的元件、节点众多，大大增加了系统的故障点，导致保护器调试困难。而智能型电动机保护器是微电子技术的深入发展，大规模乃至超

9、大规模集成电路成果日新月异。以微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器等为代表的智能型控制器不断进步，在国民经济的各个领域都取得了重大成果。基于智能型控制器的电动机保护器与前两种保护方式相比具有先天的优势。这种智能化电动机保护装置具有处理速度快、智能化程度高等优点，可以实施各种非常复杂的算法和各种保护功能；由于能够方便地实现自检测试功能从而减少了装置的维修工作量，避免了因装置缺陷引起的保护不正确动作，提高了保护的可靠性。它可以同时对电动机进行断相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。它还拥有显示、通信、故障记录等功能。智能型电动机保护器正以其优异的性能取得各大原始设备生产商的

10、青睐，它将是电动机保护器的主要发展方向3-7 。自第一个微处理器问世以来，微处理器技术水平得到了十分迅速的提高，从早期的四位机4004 到七十年代末出现的8 位机 8051 、 MC6800再到现在32 位机、 16 位机、 8 位机多种处理器并举7 。现在，随着集成电路技术的不断进步，各种由大规模集成电路芯片构成的微处理器不断涌现。当今微处理器市场上高端三十二位机与低端的八位机在各自的应用领域大展身手。它们活跃在我们生活的各个领域，大到大型设备、航空航天设备，小至手机、家电等等都可以找到它们的身影。本论文所介绍的电动机保护器所采用的ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位

11、 CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega16 的数据吞吐率高达1MIPS/MHz ， 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。本课题的主要目的是研制基于ATmega16 MCU 的电动机智能保护器，包括装置硬件系统的设计、软件系统的开发调试。针对电动机保护装置的发展方向，结合课题的具体任务，主要做了以下几个方面的工作：（ 1 ）参阅大量文献资料，剖析原有电动机保护装置平台，深入理解电动机运行的基本原理，掌握电动机运行的特点以及容易出现的问题，明确电动机智能保护器的设计任务。（ 2）设计保护装置的硬件电路。设计的重点是处理器模块，键盘模块，显示模块，

12、数据采集模块和保护模块。（ 3）设计保护装置的软件系统。（ 4）考虑到该电动机智能保护器需要在恶劣工况下运行，对系统的电磁兼容性做专门的设计和测试，使该装置具备较强的抗干扰性能。2 电动机保护原理要设计一个保护装置，必须首先分析保护对象的基本运行原理、设备运行环境、可能出现的主要故障、故障特征以及保护措施等。本章就这一部分展开详细说明。2.1 异步电动机运行原理交流电机分为异步电动机和同步电动机，其中异步电动机，即感应电机，由于其结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉，是工农业生产交通运输等领域的主要动力设备。本论文以异步电动机为例阐述电动机保护器的设计。异步电动机的基本运行原理是：三相对称绕

13、组通以三相对称电流就会产生圆形旋转磁场，该圆形旋转磁场的转速为同步速，转向取决于通电相序。旋转磁场在闭合的转子绕组中产生感应电流，转子即在电磁力的作用下做旋转运动，转速小于同步速9 。根据电路等效的原理，将电动机的转子侧折算到定子侧，并保持在折算前后磁势保持不变，电磁功率及损耗保持不变。2.2 电动机故障分析对电动机来说，其故障形式从机械角度可以分为绕组损坏和轴承损坏两方面。造成绕组损坏的主要原因有9-13 ：（ 1 ）在长时间的电、热、机械和化学作用下，绕组的绝缘老化损坏，定转子绕组匝间短路或是对地短路。（ 2）电网供电质量差，电源电压三相不平衡、电压波动大、电网电压波形畸变、高次谐波严重或

14、者电动机断相运行。（ 3）电源电压过低使得电动机启动转矩不够，电动机不能顺利启动或者是在短时间内重复启动，电动机长时间承受过大的启动电流导致电机过热。（ 4）因机械故障或其它原因造成电动机转子堵转。（ 5）某些大型电机冷却系统故障或是长时间工作在高温高湿环境下造成电机故障。造成轴承损坏的原因有很多：机械负荷太大润滑剂不合适恶劣工作环境对轴承的损坏由于本论文主要研究的是通过电气测量手段来检测电动机的运行状况，并根据实时采集到保护器的数据适时做出保护动作，因此论文主要分析解决绕组故障。从电气角度分析，引起电动机绕组损坏的常见故障分为对称故障和非对称故障两大类。对称故障主要有：三相短路、堵转、对称过

15、载等，这类故障对电动机的损坏主要是机械应力和电流增大引起的热效应使绕组发热甚至烧毁9,14不对称故障主要有断相、三相不平衡、单相接地、相间短路等，不对称故障在故障早期没有特别明显的过电流或过热表现，但若不及时查找故障原因排除故障则可能造成严重后果9 。当发生对称故障或严重的相间短路故障时，电动机的转子处于堵转状态，绕组电流大，电机发热严重特别容易烧毁电机。这类故障的主要特征是三相基本对称，但同时出现过电流，故障的严重程度基本反应在过电流的程度上，因此检测过电流的程度可作为这类故障的判断依据。对称故障的保护可通过常规的过流保护手段来实现对于严重的三相短路的保护应该采用快速跳闸；堵转故障的保护应该

16、采用短时限跳闸；而对于对称过载应采用定时限跳闸或反时限跳闸，反时限特性与电动机的温升指数特性相配合。详细情况如表1 所示 15 ：表 1 电动机对称故障故障类型零序负序过电流其他特征保护特性对称过载无无(1.26)InIa Ib Ic反时限故障堵转无无(68)InIa Ib Ic短时限短路无无(810)InIa Ib Ic速断当电动机内部绕组发生故障如匝间短路，接地短路等，往往在初期并不会引起显著的电流增大、电机过热，但若不及时处理就会导致事故扩大，进而引 起电动机过热，转子启动力矩降低等一系列问题，严重时可能导致电动机严重 损坏乃至报废。因此，必须实时检测电动机的运行状况，保证及时发现电动机

17、 的运行异常，采取全面有效的保护措施保证电动机的可靠运行。2.3 电动机保护原理分析电动机保护原理的研究是保证电动机智能保护器性能高低的关键，在参阅了国内外大量文献的基础上，经过认真的研究和比对发现对称分量法可以对电动机的三相电流进行详细的描述，可以为故障的诊断提供准确的信息。根据三相对称分量法的理论，三个不对称的向量可以唯一分解成三组对称的向量：正序分量，负序分量和零序分量。各序分量独立存在，在不同分量的作用下，系统的各个元件呈现出不同的特性。对称分量的计算公式如下（以相为例）11-13：(1.1)式中,IA1 ,IA2,IA0 分别是 A相电流用对称分量法分解所得的正序电流、负序电流、零序

18、电流；算子a=eJ120。由式 1 可知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序电流分量。如果系统采用三角形接法或是中性点不引出的星型接法，三相线电流之和总为零，没根据前面对故障的分析，电动机在发生对称故障和不对称故障时，电动机2.3.1 过载保护过载保护电路是用来保证电机不长期过载运行的。过载保护电路图如下图，经整流滤波后送由运放UA 组成的积分器积分，其输出送由UD 组成2.3.2 过压、欠压保护电网电压的质量严重影响着电动机的正常运行，电网电压的波动、电压波（ 1 ）欠压保护，当电压小于Us 时，应立即将电机从电网上切除。（ 2）过压保护，当电网电压大于Us 时，应该根据过压情况的严重程度

19、采过压保护与欠压保护的电路原理类似，将运放接成带有回差的比较器，将取样信号与给定进行比较，输出通过光耦进行隔离，取样信号直接取自电源交流侧。所不同的是过压、欠压保护取样信号要分别送入比较器的同相端和反向段。过压的保护动作值整定为额定输入电压的110%，欠压的保护动作整定为额定输入电压的85%。过压、欠压的电路保护图如下图所示。 12 2.3.3 过流保护电动机是故障率较高的一种电气设备，损坏的主要表现形式是过热烧毁，原因是三相电流过大、三相负荷过大、启动时间过长、堵转等。而定子绕组一相断线、不对称短路、不对称负荷、三相电源电压不对称等均可造成电流过大的现象。定子绕组通以三相对称电流产生的旋转磁

20、场对定子自身来说为同步速，对于正常运行的电机的转子来说，二者转速相差不大。一旦三相电流不对称，则可将三相电流分解成正序电流、零序电流和负序电流，此时负序电流产生的旋转磁场以接近两倍的同步速相对于转子运动。假设对应的转子正序电流近似为直流电阻R1 ，对应的转子负序电阻为交流电阻 R2，对异步电动机有16：R1=Kr= 1.256R21.2 )这就是说与正序电流相同的负序电流产生的损耗为正序电流损耗的KR倍。所以当三相电流不对称时，就会有负序电流产生，转子损耗将显著增加。特别是在转子中产生倍频电流流过转子表面，导致转子局部过热而烧毁。英国CEO公司提出了一个反应上述热效应的等效电流Ieq的概念，定

21、义为9,17 ：222I2I2 KI2(1.3)I eqI 1 K 2 I 2式中： K2为负序电流发热等效系数，取值在 36； I1 是电动机电流正序分量；I2为电动机电流负序分量。根据等效电流I eq 将过流保护分为三段：(1) IIenq >8 时设置电流速断保护作为电动机的主保护用于电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故障。(2) I eq =58 时设置定时限过流保护作为电动机运行过程中短路保护的后备保护In主要针对各类堵转故障。Ieq(3) In =1.155 时设置反时限过流保护来防止电动机长时间过负荷运行定子部分过热而引起的损坏。2.3.4 负序电流保护电源电压不对

22、称、断相、逆相等故障均会引起负序电流这将会在绕组上产生大量热量I2，使电动机严重发热，产生不对称故障。本论文采用两段定时限负序电流保护作为电动机不对称故障的主保护。2.3.5 零序电流保护零序电流保护即接地保护，当 I2大于保护动作电流时，经短路延时t 保护出口动作，依据用户要求执行保护动作。2.3.6 短路保护电动机短路时，短路电流很大，热继电器还来不及动作，电动机可能已损坏。因此，短路保护由熔断器来完成。熔断器直接受热而熔断。在发生短路故障时，熔断器在很短时间内就熔断，起到短路保护作用。一般选用熔断器保护时，其熔丝的熔断电流按电动机额定电流的1.52.5 倍选择。系数(1.52.5)视负载

23、性质和起动方式不同而选取：对轻载起动、起动不频繁、起动时间短或降压起动者，取小值。绕线型电动机也取小值。对重载主动、起动频繁、起动时间长或直接起动者，取大值。2.3.7 断相保护感应电动机的损坏率很高，除了机械方面的原因外，在电气方面的最重要的因素是三相电动机缺相启动和运行。根椐电机学原理，当三相电动机缺相启动和运行时，其定子绕组不可能产生旋转磁场，旋转力矩为零，电动机只震动而不转动。电动机在进入两相电源启动时，实际上处于短路状态，其短路电流为三相启动时启动电流的0.866 倍，而一般异步电动机启动电流为额定电流的4 7 倍，故电动机在进入两相电源启动时，相当于两相短路时的电流为额定电流的 3

24、.464 6.062 倍，所以上述电流，即比启动电流小，比电动机额定电流大得多，因而在电动机缺相启动和运行时，易烧坏电动机，下面通过增加继电器和按纽来实现电动机启动和运行时的缺相保护。1. 一种简单的电动机缺相保护电路电路如图1 是在控制电路中加入了一个交流接触器KMb即在L1、 L2两相间接入 KMb的电磁线圈，并把它的一个常开触点KMb串接在控制电路中。I .1 缺相保护原理当闭合闸刀开关QS后，此时接于II 、 L2两相之间的交流接触器KMb电磁线圈 得电吸合，使接在控制回路中的常开触点KMb闭合，为电动机启动做好准备。当按下启动按钮SB2时，回路接通，电动机转动。若电动机启动前电源缺相

25、的话，由于控制电路接入三相电源，无论缺电源L1、 L2、 L3三相中任一相，控制回路中的两个电磁线圈总有一个不能吸引衔铁而使电路闭合，故电动机不能启动。当电动机运行时，突然有一相掉电，如缺L1相或L3相，交流接触器KMb电磁线圈失电，而串接在控制回路中的KMb断开，使交流接触器KM失电，自锁触点断开，主触头也断开，电动机停转。如缺 L2 相电，KMb虽得电闭合，但交流接触器的线圈KM失电，自锁触点断开，主触头断开，电动机停止转动。该电路的最大优点就是将三相电源同时引入控制电路。2. 一种线圈接地的电动机缺相保护电路如图 2 所示 , 在电动机控制电路中加装了一只交流接触器或中间继电器KM2，

26、KM2应跨接在主接触器KM线圈两相之外的另一相和地线PE之间。这里需要说明KM2线圈一端连接地线是否合理，答案是肯定可行，因为从安全角度看，L3相线是经过KM2线圈后才接到地线的，从而不会造成L3相线直接接地的短路事故。同时KM2线圈一端接地的人身安全保护情况相似于电压互感器或电流互感器一端和铁心必须接地的保护情况. 但是请注意, 在KM2 之前一定要设置熔断器FU2-3.2.1 缺相保护原理 若 FU1-1 或 FU1-2 熔断（即L 1或 L2缺相），KM2线圈带电而 KM线圈不带电，电动机即行断电。 若 FU1-3 熔断或 L3缺相，KM2线圈不带电，致使KM线圈断开，电动机断电。不管电

27、动机在启动前缺 相还是在运行中缺相，保护原理 是相同的。 2.2 该电路的优点该电路不但实现了电动机进线U、 V、 W前的缺相保护，而且也实现了对电源线L1、 L2、 L3缺相的保护。保护电路简单合理改装容易， 适用于以接触控制的各种电动机 的自控电路。 3 一种永不缺相启动和运行控制电路永不缺相启动和运行的控制电路如图3 所示，只需增加几只中间继电器，按图 3 电路接线，就能保证三相电动机永不缺相启【 3.1 工作原理 启动原理：按下启动按钮SB1,中间继电器KA1线圈得电而吸合, 同时通过KA1 触点使中间继电器KA2线圈得电而吸合,KM 主触点吸合,电动机端子U、 V、 W得电，电动机开

28、始运转。KM辅触点又使中间继电器 KA3 线圈得电吸合，KA3触点通过按钮SB2使主接触器线圈电源保持，KM 线 圈 电 源 通 路 为 U 端 子 SB2 KA3触点-KM 线圈FR触点 FU2 V 端子即使SB1 复位，KA1和 KA2 也释放，主接触器KM仍然吸合，这样就完成了电动机启动，开始运行。 停机原理：按停止按钮SB2，主接触器KM线圈电源通路被切断，KM释放。KM辅触点使KA3线圈失电,KA3释放。即使SB2复位，因KA3触点断开，KM也不能在再吸合，电动机停止运行。3.2 永不缺相工作原理 永不缺相启动：图3 电路中，假如缺L1、 L2任何一相，按下SB1时，中间继电器KA1

29、线圈无电压，KA1 不吸合，则不能完成电动机的启动；假如缺L3相，按下 SB1 时，尽管KA1吸合，但不能使KA2吸合，因为KA2线圈无电压，则电动机也不能启动。从而实现了缺相时电动机永不启动。 永不缺相运行：由图 3 电路可知，若电动机已正常启动运行，在运行过程中，若主电路缺相，电动机将自动停机。因为电路中所有中间继电器和主接触器线圈额定工作电压为380V 才吸合。图中主接触器KM 线圈的电源是通过SB2、 KA3触点取自U 和 V端子，而KA3线圈电源又是通过KM辅触点取自V和 W端子。假如 U 相或 V 相（对电动机端子而言）缺相，主接触器KM线圈将失电而释放,KM三个主接触点断开, 电

30、动机自动停转; 假如缺 W相 , 中间继电器KA3 线圈失电释放 ,KA3触点断开后使KM线圈失电而释放, 电动机也将自动停机. 另外 , 熔断器FU2断路也能使电动机自动停机, 从而实现了永不缺相运行。以上三种对电动机缺相保护电路的设计思路都是把三相电源引入控制电路中，若启动时电源缺相，控制电路将无法接通电路而达到，当运行时突然电源缺相控制电路将推动执行元件使电动机跳闸，从而达到对电动机的缺相保护。以上介绍的3 种方法 , 可实现启动运行缺相双重保护。最后应当指出, 大量实践证明 , 要防止电动机两相运行, 只要加强监视, 总结经验, 注意发现缺相运行的异常现象 , 及时切断两相运行的电动机

31、, 确保电动机的安全可靠运行.2.3 . 堵转保护通常堵转保护整定值是躲不过电动机的巨大启动电流的，在启动时间Tstart内，堵转保护自动被闭锁。在启动时间Tstart 后，因机械原因或过负荷电动机出现堵转故障，正序电流I1 大于堵转定值I1tz，经整定延时堵转保护动作，跳开电动机电源回路的断路器。2.3.9 过热保护绕组温度是决定绕组绝缘寿命的主要因素，是电动机寿命决定性因素。因此，电动机的温度绝对不能超过电动机的额定温升，否则应立即采取保护措施保证电动机工作在正常的温升范围之内。这样就十分有必要对电动机的绕组温度进行监控，当检测到电动机温度超过额定最大温升时及时采取保护措施，使电动机能一直

32、在小于额定温升的温度下正常运行。另外，有时候也会出现电动机因长时间运行等原因即使电压、电流在正常范围内，但电动机的温度确实达到了极度危险的数值，过热保护可直接根据电动机的温度状况做出保护动作，使其对电动机的保护没有死角，确保了设备的安全。2.3.10 漏电保护在正常情况下，三项电流的和为零，由于低压系统中性点直接接地，若某相接地会造成相当大的零序电流，这样对电动机的定子槽产生严重的结构损坏，漏电流还有可能使电动机的外壳带电从而威胁到人生安全。电动机保护装置有零序电流互感器穿过三根相线，可以检测极低的接地电流，主要反映系统的接地情况，一般使用于高阻抗接地系统。由对称分量法可知，静不对称的三相电流

33、通过一定的算法可以求得零序电流，但是该算法在数字信号控制器硬件平台上实现会有较大的误差。因此，采用电流互感器直接测定零序电流是事半功倍的选择。2.4 本章小结本章从异步电动机的模型入手，首先介绍的异步电动机的基本运行原理，电动机运行时内部的基本电磁关系以及电动机的等效电路图。然后对异步电动 机的典型常见故障的类型以及发生的原因从理论上进行了深入细致的分析，在 此基础之上，重点分析了造成电动机损坏的电气原因，分析了电动机对称故障 和不对称故障的特征并引入了对称分量法的部分理论。最后，在理论分析基础之上本文叙述了构成电动机智能保护器的基本原理，并详细介绍了电动机智能 保护器的各个保护功能模块，包括

34、过流保护模块，负序电流保护模块，零序电流保护模块，电压保护模块以及过热保护模块。 11 3 硬件电路设计本章将详细讨论电动机智能保护器的硬件电路设计，本论文的硬件系统以ATmaga16 单片机为核心，并配以外围电路构成。考虑到电动机智能保护器的应 用环境及可靠性要求，在具体的电路设计和芯片选型方面充分考虑了该保护器的实际需要及抗干扰性能。硬件电路的设计是整个系统设计的基础硬件，设计的好坏不仅直接影响硬件系统本身功能的实现，而且对以后的软件系统设计与实现有很大的影响。所以硬件电路的设计不仅要考虑装置系统功能的要求，还要考虑到使系统软件设计实现时更简单方便。3.1 概述3.1.1 硬件系统技术要求

35、电动机智能保护器的工作环境中通常存在大量的机电设备，这些机电设备在启动、运行、停止时都会产生大量的电磁干扰。这导致电动机智能保护器的工作环境复杂，对抗干扰性能要求较高。而且在电动机产生故障时能够及时准确地发出保护命令，这就对保护器的硬件电路设计提出如下的要求。（ 1 ）抗高温、低温能力强。保护器系统电路中元件的性能会随温度变化而变化，在较高温度或较低温度时有可能产生误动作，故保护器系统所有的元器件都应选用工业级器件。（ 2）抗强电磁干扰能力强。继电器的闭合与断开，电动机的运行等都会在空间激发高频电磁场，产生大量的强电磁干扰，影响电子设备正常运行甚至导致设备失效，因此在进行硬件电路设计时应该尽可

36、能地提高硬件的抗干扰性能。（ 3）处理器运算速度快。由于装置需要进行大量的数据输入输出以及数据运算，为保证保护器动作的快速性和准确性必须采用运算速度快的微处理器。（ 4）采样精度高。电动机保护器需要实时检测电动机的运行数据，表征电动机状态的参量必须得到精确的测量。3.1.2 硬件设计综述电动机保护的功能最终是通过硬件来实现的，硬件系统性能的优劣直接影响到保护器的性能指标。而实际的电动机保护器还不得不考虑成本因素，本文本着低成本、高性能的原则，查阅了大量微控制器资料，通过认真论证比较最终决定采用ATmega16 单片机作为核心微处理器，这个AVR 微处理器比其它单片机抗干扰能力强，所以一般普遍用

37、在汽车和电机保护系统中。我所设计的电动机智能保护器的硬件系统是以ATmega16 为核心处理器，采用模块化设计方法，主要分为：处理器模块，键盘模块，显示模块和数据采集模块，此外还有互感器部分和报警部分。3.1.3 各部分简介（ 1 ）处理器模块处理器模块我选用基于 增 强 的 AVR RISC 结 构 的 低 功 耗 8 位 CMOS 微控 制 器 的 ATmega16 单 片 机 ， 当 保 护 器 遇 到 过 流 或 断 相 时 能 够 及 时 做 出 相 应 的处理。（ 2） 键 盘 模 块该 模 块 是 本 保 护 器 的 人 机 交 互 接 口 ，键 盘 主 要 是 用 来 设 定

38、电 动 机 的 电 流和电压的参数、额定值。（ 3） 显 示 模 块该 模块我采用的是LCD1602 液 晶 显 示器 ，用 来 显 示 设 定 的额 定值和显示电机过流时流过的电流值。（ 4） 数据采集模块数据采集模块是将电动机的运行参数通过电压互感器和电流互感器 经 过信号处理和电平 变换之 后 送 入处 理 器 的AD转 换 模 块 ， 通 过AVR内部的 ADC 完 成 。（ 5） 报 警 部 分报 警 系 统 是 采 用 的 蜂 鸣 报 警 器 ，当 电 机 中 电 压 过 低 导 致 断 相 时 ，发 出 蜂鸣报警。3.2 处理器模块处理器模块采用ATmega16 单片机。ATme

39、ga16 是 基 于 增 强 的 AVR RISC结构的 低功耗8 位 CMOS微 控 制 器 。由 于 其 先 进 的 指 令 集 以及 单时钟周期指令执 行时间， ATmega16的 数 据 吞 吐 率 高 达 1 MIPS/MHz ，从 而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。3.2.1 ATmega16 单片机的主要特点ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU ）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独

40、立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。1 6K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW）， 512 字节EEPROM ， 1K字节 SRAM ， 32个通用I/O口线， 32个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器 （T/C）, 片内/外中断，可编程串行USART， 有起始条件检测器的通用串行接口，8路 10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP 封装）的 ADC， 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进

41、行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM 、 T/C、 SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工

42、作。本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash存储区(Application Flash Memory) 。在更新应用Flash存储区时引导Flash区 (Boot Flash Memory) 的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位 RISC CPU与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。3.

43、2.2 ATmega16 单片机的内部结构3.2.2.1 ATmega16 单片机的CPU核心ATmega16是具有 16KB 系统内可编程FLASH 的基于增强的AVR RISC 结构的高功能、低功耗8位 CMOS微控制器。它具有先进的RISC结构，属于非易失性程序和数据存储器，其外设特点为：两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器 / 计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC，四通道PWM ， 8路 10位 ADC (包括8个单端通道，TQFP封装的7个差分通道，2个具有可编程增益(1x,10x, 或 200x)的差分通道)工

44、作电压为ATmega16： 4.5 - 5.5V，它的特殊的处理器特点为：上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC 振荡器，片内/ 片外中断源，6种睡眠模式 : 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式等，下图1就是 AVR的 CPU内核结构的方框图：数据总线8 位1 AVR 结构的方框图3.2.2.2 ATmega16 的引脚功能介绍下面简单介绍一下ATmega16 单片机的引脚功能：VCC 电源正GND 电源地端口A(PA7.PA0) 端口A 作为 A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编

45、程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时， 若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能.端口 C(PC7.PC0) 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻

46、。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时， 若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即C 处于高阻状态。如果JTAG 接口使能，即使复位PC5(TDI) 、 PC3(TMS) 与 PC2(TCK) 的上拉电阻被激活。端口C 也可.端口D(PD7.PD0) 端口 D 为 8 位双向 I/O 口， 具有可编程的内部上拉电阻。端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用做其他不同的.RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVC

47、C AVCC 是端口 A 与 A/D 转换器的电源。不使用ADC 时，该引脚应直VCC 连接。使用ADC 时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。下图为 ATmega16 的引脚配置图：图 2 ATmega16 的引脚配置3.2.3 处理器模块的电路设计根据前面的分析，控制器模块电路图设计如图3 所示：3 处理器模块硬件电路图3.3 键盘模块人机接口是本电动机保护器的重要组成部分，通过它可以实现人机交互，进行电动机参数设定，显示电动机运行状态以及报警等功能。考虑到本单片机片上I/O 口较少，为了合理利用单片机的片上资源，我的按键电路模块设置了四个独立式按键，

48、按键功能分别是：翻页键（显示对电流或电压的设置），向上键（增加键），向下键（减少键）和修改键。键盘的四个输入端分别接PC0， PC1， PC2， PC3，键盘设计电路图如图4 所4 按键设计电路 17 3.4 显示模块3.4.1 液晶显示原理液晶显示器（LCD ）是一种新型的低功耗显示器，其基本原理是：在正常情况下，液晶对光具有旋光作用，使光的偏振方向旋转90o，当光线通过两个偏振片和液晶盒后，能沿原路经反射极返回，此时液晶盒呈透明状态；当液晶盒的电极上加一定的电压后，电极连接部分的液晶就失去旋光性，导致不能通过两个偏振片，从而显示黑色。按不同需要组合液晶电极通电方式或把液晶电极做成各种需要的

49、形状，就能实现功能多样、形态各异的显示。3.4.2 液晶显示器的特点LCD 作为电子信息产品的主要显示器件，相对于其它类型的显示部件来说，有其自身的特点7 ：（ 1 ）低电压微功耗：LCD 的工作电压一般是35V，每平方厘米的液晶显示屏的工作电流为微安级，所以液晶显示器件是要求低功耗设备的首选显示器 件。（ 2）平板型结构：LCD 的基本结构就是由两片玻璃组成的很薄的盒子。这种结构具有使用方便，生产工艺简单等优点，特别是在生产上，适宜采用集成化生产工艺，通过自动生产流水线可以快速大批量生产。（ 3）使用寿命长：LCD 器件本身几乎没有劣化问题。若注意器件防潮、防压、防止划伤、防止紫外线照射、防

50、静电等，同时注意使用温度，LCD 可以使用很长一段时间。（ 4）被动显示：对LCD 来说，环境光线越强显示内容越清楚。人眼所感受的外部信息的90%以上是外部物体对光的反射，而不是物体本身发光，所以被动显示更适合人的视觉习惯，更不容易引起疲劳。这在信息量大、显示密度高、观看时间长的场合更显得重要。（ 5）显示信息量大且易于彩色化：LCD 和 CRT 相比，由于LCD 没有荫罩限制，像素可以做的很小，这对于高清晰电视是一种理想的解决方案。同时，由于液晶易于彩色化，因此方法也很多，特别是液晶电视的色彩可以做的十分逼真。（ 6）无电磁辐射：CRT 工作时，不仅会产生电磁辐射，还会产生有害的X射线，影响

51、环境，而LCD 不会有这类问题。3.4.3 LCD1602 液晶显示器LCD 器件按照其采光方式分类，分为带背光源与不带背光源两大类。不带背光源的LCD 显示是靠背面的反射膜将射入的自然光从下面反射出来完成；带背光源的LCD 显示器内部集成光源，可以在较差的光线条件下实现显示。考虑到本电动机保护器需要24 小时工作，而且可能被安装到各种无光源条件的工作环境中，所以本保护器选用带背光型LCD 。下图为本设计所采用的1602 液晶显示器接口原理图：5 1602 液晶接口原理图本设计所采用的1602 液晶显示器是工业字符型液晶，能够同时显示16x0232 个字符（16 列 2 行） 。下表为1602

52、 液晶屏的寄存器选择控制表：表 2 寄存器选择控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清楚屏等）01读 busy flag （ DB7 ） ，以及读取位址计数器（ DB0DB6 ）值10写入数据寄存器（显示各字符等）11从数据寄存器读取数据注：关于E=H 脉冲 开始时初始化E 为 0，然后置E 为 1 ，再清0.busy flag（ DB7） ：在此位为被清除为0 时， LCD 将无法再处理其他的指令要求。1602 字符型 LCD 通常有 14 条引脚线或16 条引脚线的LCD ，多出来的2条线是背光电源线VCC（15 脚 ）和地线 GND（16 脚 ），其控制原理与14 脚的 LCD完全一样，如下表所示：表 3 字符型 LCD引脚功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V ）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影” ， 使用时可以通过一个10k 的电位器调整对比度）。4RSRS