基于单片机的电动机保护器设计探讨

薛建设

（西安铁路职业技术学院，710014）

0 引言

由于结构简单、机械特性良好、价格低廉、运行维护极其方便等优点使得异步电动机在各行各业中得到了广泛的应用。电动机大多数是运行在很严峻的环境下，如频繁的制动、起动、正反转还有不停地改变负荷的情况下，致使电动机运行的条件极度恶化。而一般地，传统电动机保护器保护和检测功能大多由保护精度低的电磁原件完成，由于电磁原件动作时间误差大，整定困难，这种保护器已经很难满足人们所期望的高要求，所以，开发出一种性能优越的电动机保护器已是燃眉之需。电动保护器可以实现相当庞大而且繁杂的功能，可是传统的保护器却很难完成这些具体的功能。

1 单片机的电动机保护器的设计理念

1.1 设计理念

一般的电动机保护器保护电动机的方式往往是依据具体设定的各类参数，具体地讲，它主要是通过对三相电以及电压、漏电流进行检测以此来进行运算。它的具体保护方式如下：

速断保护：如果整定电流超出额定电流八倍，它的动作延时时间便会调定到200m/s之内；

堵转保护：如果整定电流超出额定电流八倍之内二倍之外，那么它的动作延迟时间便会变为Q3-20s；

断相保护：如果整定零序电流大于额定电流Q3-1倍，它的动作延迟时间便会变为Q2-10s；

欠载保护：如果整定电流低于电动机额订电流Q3-Q8倍，那么它的动作延迟时间便会变为Q5-20s；

过压保护：当整定电压大于线路额定电压1.1-1.5倍时动作延迟时间便会变为10-200s；

欠压保护：若整定电压低于额定电压Q5-Q9倍，它的动作延迟时间便会变为10-200s；

漏电保护：如果整定漏电电流高于电动机额定电流Q1-10A，那么它的动作延迟时间便会变为Q2-2s。

下表为热过载反时限，从中我们不难看出，它们呈现的关系类似于双曲线，当电流变大时，它的延时便会越短。

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1.2 电动机保护器的基础框架

从下图（电动机保护器概略图）我们不难看出，在整个系统中，每个器件都发挥出了它自身最大的作用，PIC单片机、电源模块、电流电压采集模块、继电器输出控制模块、通信模块、按键采集模块以及LCD(Liquid Crystal Display)显示屏等构成了单片机的电动机保护器，星格电压器与电流互感器的安装使得它的电气隔离与线性度特性显著。它的具体操作:输入信号，信号转变进入RA0-4口，片内模数发挥作用将其转变为数字信号，再将其传送给单片机，单片机接到信号对其进行一系列的运算，将对应的信号输出到显示屏幕。

另外，“模式选择”“数据”“移位”“确定”“复位”必须要保证这些按钮的灵活，通过以上五个按钮的调节以此来保证保护参数可以随时调整。这五个按钮还发挥着另外一个重要的功能，那就是处理故障的问题。若发生故障，可以通过复位按钮进行复位，然后进行故障排查，并且它们还有保存故障的记录功能。

2 单片机的电动机保护器的重要器件分析

2.1 PIC集成电路

作为开发与控制外围设备的集成电路，PIC单片机，它的计算功能、记忆内存向来是人们最为重视的部分，它最大的亮点在于可以灵活地将计算部分、记忆内存、输入与输出显示在一个芯片之上。但是不同的PIC单片机型号它的特点是不同的。

本机主要采用的是PIC16,它是MICROCHIP公司生产的中档CPU，同PIC12、PIC18一样都是八位单机片，它具有较强的内部与外部中断处理能力，并且它的硬件堆栈可深达八级，如此一来，使得保护器的电路组成灵活性大大的提高，并且在软件的设置问题上也有了很大的自由空间。它提供的A/D模块、CCP模块以及I2C模块也给保护器的应用带来了极大的方便，与SPI兼容的同步串行口SSP也为人们增加了选择性。它不同于PIC24等高微处理器，但它同时也具备自身独特的特征，适合工业作业的特征让它在工业界备受关注，强大的抗干扰性确实给人们带来了极大的方便。

2.2 电流、电压互感器的分析

PIC的工作主要是通过对三相电流、电压以及漏电流进行检测运算来工作的，其中的检测工作主要是由电压互感器与电流互感器来承担的，它们可以将感应的成比例的交流电压整流滤波转换为0-5V信号。具体的整流滤波示意图如下：

在信号通过A/D模块时，A/D模块会对其进行转换，通过与之前设定的具体参数进行比较，确定保护模式。

2.3 动作电路

如下图所示：

继电器掌握着保护电路情况，如果遇到意外情况，在主芯片发生高电平时，由于光耦作用，继电器进而发生变化，以此来防止电动机发生意外。同时，也可以通过二极管的发光情况检查电动机的线路情况。

3 E2PROM外存储器

E2PROM的存储容量一般能够到达256Byte，E2PROM作为I2C串行通信接口的媒介，可以使得它自身与PIC16C73B单机片直接连接。I2C串行总线的数据传送具体过程：通过SDA(串行数据线)与SCL（串行时钟线）这两种数据传送方式，当PIC单片机产生起始位以后，它会紧接着向24L4C02B发出以七位为标志的器件位置，等到应答信号接收成功，再继续有关数据读入与输出的操作。所谓的读入数据指的是SDA输出，然后，以1Byte为单位按照一定的次序有序地进行应答信号的检查。而数据输出指的是以SDA作为数据输出的形式，当数据输出满1Byte时，SDA再变输出为输入，将24LC02B应答信号读取完毕的过程叫做输出数据。PIC单片机不但产生一个起始位而且同样的也会产生一个结束信号，终止数据传送。

4 通讯功能

通讯功能的加入可以有效地减少人力与物力的输出，实现“足不出户”监控电动机的动态，这样以来，也可以加强对电动机的全面保护。当电动机保护器出现问题时可以及时发现以便解决问题。

5 软件系统

在一些电动机保护器的设计中很多往往都会忽视了保护设施的软件设计，使得保护设施空有虚壳，无法从根本上实现质的飞越。

1）注意程序的编写

单片机的电动机保护器的程序编写一般采用的是PIC汇编语言编程，以下图为例：

从上面这个图一目了然，开始进入，读取E2PROM，通过电流、电压互感器读取数据，检测电动机是否出现问题，如果没有出现问题，那么就直接将信号输送到显示模块，如若出现问题，则会根据数据信号情况判断故障类型，以此采取对应的措施进行处理。

2）通讯问题

这里说的通讯指的是与PC机子连接产生的RS-485信息。这种类型的连接方式在很大程度上会减少电线的铺设，减少人力、物力的损耗。这个智能系统可以在很多种系统环境下运行，比如说，Windows操作系统，这种主从式（PC机为主机，电动机保护器为从机）的通讯距离往往都很长。当PC机运行以后通过自己发出的指令码来指导从机工作。如果从机验证指令码是正确的那么从机便会发送并工作。

6 在单片机的电动机保护器设计中容易被忽视的几点

6.1 继电器的选择

继电器在整个的运作中承担着控制输出的功能。目前在市场上出售的主要有两种类型，一种是机电式继电器，另外一种是固体继电器。机电式继电器在市场上很容易找到，它市面广并且价格很容易被广大群众所接受，但是美中不足是使用时间不长，在工作时并且很容易打出火花，可靠性也不强。固态继电器正好与其相反，它的使用寿命很长，并且可靠性好，不会产生火花，但是价格贵。因此继电器的选择需要视情况而定。

6.2 PIC单片机与LED数码管接口方式

它的接口方式多种多样，采用什么样的接口方式要根据自身的需要来选择，不可盲目。常见的方式有串、并、动态驱动等。比如，数码管闪烁问题。一般会使用动态驱动的形式，而不是使用串或者并行，这样在一个T周期内显示的时间为（1/3-1/2）T，以此减轻了数码管的电耗。

6.3 显示器的选择

在小型仪器上安装使用的大部分是LED数码管，但如果把它安装到大型仪器或者需要详细信息的仪器上显然是不合适的，尽管它的电路简单，但是它显示的字符数很受限制。现在的市面上高档仪表已经用图形液晶显示器替代了LED显示器，但是，作为器件不需要安装如此昂贵的显示器。

6.4 电流采样技术的选择

电流采样技术一般可以分为直流采样技术与交流采样技术。决定采用什么样的采样技术，要依据现实情况与设计需求。但就目前形势而言，随着经济的发展，大功率电器的使用，非正弦含量不断上涨，因此交流采样技术越来越被人们接受与使用。

7 结束语

通过完善对单片机的电动机保护器的设计，发现并改进单片机电动机保护器的不足，为进一步促进电动机保护器的技术发展提供了更加有力的指导，此次的设计不但解决了长期困扰人们的电动机保护装置在功能与体积上的问题，而且更为电动机保护器的发展提供了引领作用。

[1]李朝青.PC机及单片机数据通讯技术.北京航空航天大学出版社.2002.

[2]苏伟斌.8051系列单片机应用手册.科学技术出版社.2010.

[3]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京航空航天大学出版社.2012.

[4]何立民.单片机应用技术选编(3).北京.北京航空航天大学出版社.2011.