浅析单片机在电动机保护中的应用

张 晶

(大连海洋大学应用技术学院，辽宁 大连 116300)

一、单片机的工作原理

（一）单片机的概念

单片机也被称之为微控制器与单片微型计算器，是将中央处理器、定时器、存储器以及输入设备和输出设备集成在一块集成电路芯片上的微型计算器，其体积小，存储量较大，可以节约成本，强调供应性。随着科技的不断发展，单片机依靠程序运行，并根据不同的程序实现不同的功能，单片机运行也越来越得到改进与创新。

（二）单片机的工作运行

单片机可以自行完成系统赋予其的工作任务，并且按照任务要求进行执行，也就是每一条执行指令的过程，而其中指令则是要求单片机所执行的各类命令，并使其通过操作命令形式写下来，以便于根据设计人员的指令系统所采用，每一条指令都代表着相应的基本操作。

单片机所执行的各类指令也均是单片机的指令系统，不同类型的单片机具备不同的指令系统。假设要使单片机能够固定的完成某一项任务，那么则需要设计人员将任务以指令的模式进行程序编制，将固定的程序存放在单片机的存储器中，这些指令需要选定固定的单片机对程序进行执行，而这一系列指令的集成则被称之为程序。单片机在运行过程中，需要由程序对其进行操作，因此需要预先存放在存储器中。

单片机内部的存储器由多个存储单元构成，每个单元都具备不同的指令，单元内部的指令根据不同的任务进行操作运行，每个存储单位都根据不同的任务作为唯一的地址号，也就是存储单元的地址。当单片机工作运行时仅需要找到固定的存储单元地址，就可以找到存储单元，然后通过存储单元内部的存储指令进行执行，就可以完成操作。程序在执行过程中都是按照统一的顺序进行执行，单片机的工作任务则是按照不同的工作要求将指令按条取出，并加以执行，保证每个部件都可以追踪到指令所在的存储单元地址。

在单元内部存储指令执行过程中，程序计数器则根据不同的指令追踪存储单元地址，按照不同的地址执行每一条指令，并在其中按照内容自动增加，增加的量则是每条指令的长度所决定，按照顺序依次完成指令。

二、电动机保护功能

电动机是将电能转化为机械能的一种设备，随着科技的不断发展，现代化的电动机越来越运用在生产和生活中，给人们的生活带来了一定的便捷性。电动机保护是针对电动机进行全方位的保护，也就是当电动机出现漏电、短路、过载、过热、三相不平衡、堵转、定转子偏心等现象时，通过报警的形式采取保护措施。为电动机提供保护的设备为电动机保护器，也就是通过智能化的信息系统操作，完成对电动机的保护功能。由于传统的电动机保护功能需要实现综合类型的种类，因此线路较为复杂，因此整个装置构造十分复杂与庞大。就目前而言，随着一些电动机的发展与改进，现代化的电动机保护已经逐渐采用智能型与电子型，可以直接根据电动机的温度参数、电压参数以及电流参数等进行反应，具备功能性、可靠性与灵敏性，便于调节，当出现各类问题时，可以及时根据故障类型进行处理，缩短故障处理时间，避免因为电动机运行故障造成系统的严重影响。

三、单片机在电动机保护中的应用

单片机通过电子化的信息技术完成了对电动机的保护功能，其主要通过三相电流信号采样部分、显示部分以及控制输出部分进行指令的完成，因此本文详细针对以下三点进行分析。

（一）三相电流采样部分在电动机保护中的应用

单片机三相电流采样部分在电动机保护中直接影响到电动机的电流采样精准度，因此在保护过程中需要进行反复的确定与分析。单片机三相电流采样部分的线路一般采用直接交流比例变换电路，也可以采用整流线路，便于电动机将交流电转换为直流电能的电路，实现了交流输入电压与直流输出电压之间的匹配，从而实现电隔离，这种混合型的电流模式可以使电动机不论采用直流电还是交流电都可以顺利采样，程序设计方面仅需要通过单片机内部的单元内部存储指令进行改变。电动机中采用的是整流线路，那么则需要将整流线路中的半波线路等几种形式的线路进行整合，而与二极管半波整流则是需要存储在二极管中的导通压降对电动机的整流线路问题进行采样。与此同时，当电动机中的线路信号电压较低的时候，单片机可以起到调整的作用，影响较大。为了有效减小二极管导通压降的作用性，因此单片机则在电动机中起到了保护作用，不仅增加了电源部分的成本，为电动机放大器提供了正负电源，更是在增加线路复杂程度的前提下避免了整流二极管中的导通压降的影响。因此，单片机在电动机保护中可以起到一定的保护作用，而单片机的使用也是在各类事件中综合考虑后选择的成果。

在一些科技感较强的电动机中，单片机在其中的保护作用尤为明显。电动机通常采用交流采样，按照采样周期的连续性测试所得波段的完整性，并通过完整的波形确定运算的有效值，从而实现对电流信号的具体确定。而单片机在其中将收集到的数据进行计算与分析，将运算处理结果通过输出接口进行执行，在这个过程中，不断的重复并进行信息的收集，针对不同的处理结果保证电动机的正常运行。这样不仅可以避免故障的产生，更可以达到单片机对电动机保护的作用。

单片机在电动机保护过程中，需要针对采样值进行检测，首先，被测信号周期应该大于采样周期，这样就会有效的针对工频信号进行采样。其次，在硬件上的采集应避免采样信号的畸变，因此需要从以下三点进行预防，1、防止噪音的干扰，在单片机中增加一个高频旁路电容，阻隔滤波电容；2、电流互感器的采样信号应该从单片机的接入口进行同比例增大，防止信号变换电路的失真；3、保证电动机中的电流互感器在单片机采样过程中波段的稳定性，防止电流互感器在测试过程中造成电压信号的失真。虽然单片机在电动机保护中起到了对电流的调节作用，但是也会因为软件编程的难度而占据较大的存储空间，因此需要合理对其进行使用，将科技信息化手段融入到现代化的电动机设计中，增强单片机在电动机中的保护作用。

（二）显示部分在电动机保护中的应用

在电动机的控仪表中，单片机一般是以通信形式进行展现。电动机常用的用户界面为LED数码管，由于其具备简单操作、亮度较高等特点，被传统电动机所广泛运用。但是，随着科技的不断发展，电动机种类的增加，简单的符号已经不能满足于电动机信息的发展，因此现代化的电动机中不仅增加了图形液晶显示器、字符液晶显示器，更是将中文字库模型输入其中，采用中文图形文字式的显示，这样不仅通过直观的外形更容易被操作人员理解，更可以增加单片机线路的成本，增强了技术的现代化。

单片机与电动机LED显示屏的数码管相结合，其中接口处采用串行通信方式，通过配接移位寄存器对数码管进行操控与驱动，如电动机内出现漏电、短路、过载、过热、三相不平衡、堵转、定转子偏心等现象时，则会在LED显示屏上进行显示，例如：特殊符号显示模式、小数点为自动变换显示模式、数码管闪烁显示模式等。为了有效减少单片机在电动机中的功耗，一般采用动态驱动方式进行显示，如在某个特定的周期进行显示，而内部LED显示屏的亮度则根据调节进行展现。与此同时，数码管中的驱动电压不能过高，否则会被单片机认为是某项故障，从而限流电阻或者降压二极管。因此，需要在保证LED显示屏亮度与单片机故障显示的情况下，采用降压二极管，保证电动机电压的稳定性。

单片机与电动机中的LCD字符型模型接口的数据线采用的是串行接口方式，这种接口方式，可以极大地降低成本，将单片机单元内部指令一位一位的按顺序传送，分工较为明确，控制信号直接由单片机I/O口进行控制。如果在单片机与电动机中的LCD字符型模型接口的数据采用的是并行接口方式，那么不仅单片机的传输速度会受到影响，更是会造成三片机单元内部指令的互相干扰，使信息的传播速度受到影响，占用单片机内的大量资源，因此不宜采用。而在单片机编制电动机保护驱动程序中，则需要根据电动机的实际情况进行数据线信号频率的减小，与此同时尽量减小时钟线的信号频率，保证单片机在运行过程中尽可能少的受到电磁干扰，保证电动机的正常运行。

（三）控制输出在电动机保护中的应用

单片机的控制输出部分可以根据电动机的驱动路线进行保护，采用固体继电器或者机电式继电器，就可以有效保证电动机的使用寿命与操作性。由于电动机在运行过程中可能会因为驱动路线的触电动作产生“火花”，因此单片机在单元内部指令中应该对其进行指令预设，保证电动机系统的正常运行。在PCB板布局中应该令电动机的继电器靠近仪表的输出端口，远离单片机，避免因为触电动作造成信息的干扰。另外，在电动机继电器的两端应该并联续流二极管，将单片机通过内部总线对控制部分、继电器、计数器等进行互联，从而实现系统总线与外部存储器、输出、入接口的电路联接，在有效保证电动机稳定运行的前提下，发布决策指令，调节电动机的整体操作。如若电动机继电器的两端没有并联续流二极管，那么则会破坏电路，造成电动机的性能混乱。固态继电器具备无火花、性能稳定与寿命长等特点，因此越来越频繁的运用在电动机保护中，而其逐渐完善的性能与低端价格优势，则成为了电动机保护的主导。因此，单片机中的控制输出功能已经成为电动机保护的主要控制模式，可以起到报警或者控制的功效。

四、结论

随着科技的不断发展和进步，电动机被广泛的运用在各种生产设备中。但是，在电动机运行过程中，可能会出现漏电、短路、过载、过热、三相不平衡、堵转等故障，给生产生活带来巨大的不便与经济损失，而单片机的运行不仅可以有效解决这一故障，还可以对其进行有效预防，因此单片机在电动机保护中具有很大的现实意义。

[1]曾令全.电机学[M].中国电力出版社，2007.8.1.

[2]张炳文.格蕾丝.电机[M].人民邮电出版社，2012.1.1.