基于MCF51EM256的智能电动机保护器的设计及应用
孙丽莉
摘要：采用Freescale公司Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256芯片，设计了一款高性能的ARD2L智能电动机保护器，并对该保护器的硬件和软件设计方案进行详细介绍。该保护器集众多保护功能于一体，提高了电动机运行的可靠性，减少了因电动机运行故障带来的经济损失。
关键字：智能电动机保护器、MCF51EM256、ARD2L、保护时间
0 引言
现代工矿企业中，以电动机作为动力的比例占全部动力的90%以上，它们已是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置[1,2]，为此检测与保护电动机的正常运行有着非常重要的意义。保护器经历了热继电器、熔断器、电磁式电流继电器、模拟电子式电机保护器，最后发展到数字电子式电机保护器即当今的智能电机保护器。本文设计了一款针对电动机在运行过程中出现的起动超时、过载、欠载、短路、断相、不平衡、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等情况进行保护的ARD2L智能电动机保护器（以下简称ARD2L），可有效提高电动机运行的安全性，降低生产损失，是传统热继电器的理想替代品[3]。
1 硬件设计
ARD2L的硬件电路包括主控芯片MCU，频率信号、电流信号、零序电流信号采集电路，开关量输入模块，继电器输出模块，变送输出模块，RS-485通讯接口，人机交互单元（状态指示灯、数码管/液晶显示），硬件电路框图如图1所示。
图 1 ARD2L硬件电路框图
1.1 主控芯片
MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256，时钟频率最高可达50.33MHz，内置256K的Flash、16K的RAM、4个独立16位A/D通道、3路定时器、3路SCI通讯接口以及内置RTC时钟、I2C、SPI、KBI接口等多种资源，具有极高的性价比。
1.2 电源
电源是设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分，ARD2L采用安科瑞的通用开关电源模块。该模块输入电压为AC85V～265V，输入频率45Hz～60Hz，具有多路隔离电压输出，满足多种功能对不同供电电压的要求。其输出电压稳定、故障率小，输出纹波 <1％；电源输入部分设计加入压热敏电阻、TVS管、防反接二极管等器件，对过压、过流等有一定的保护作用，同时能使产品通过严酷的EMC测试。该模块经现场实际使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力[4]。
1.3 信号采集电路
信号采集电路负责采集电流信号、频率信号和零序电流信号。其中，电流信号采用互感器隔离输入，将交流信号抬高后送入CPU进行软件差分运算，电流采样电路如图2所示。以A相6.3A规格为例，采用的电流互感器变比为100A：20mA，5P10保护型。该方案电流测量在1.2倍范围内达到0.5S精度，在8倍范围内满足5S精度，而其过载能力按8倍计算，即给互感器加上50.4A电流，通过取样电阻R1的电流为10.08mA，两端电压为0.886V。同时，给采样信号抬高电压UREF=1.2V，使交流信号的幅值大于零，便于A/D采样；在电路的输出端加入限压二极管，使输入电压限制在3.3V以下，能对A/D采样通道起到很好的保护作用。
图2 电流采样电路图
频率采样电路如图3所示。该电路采用MCP6002双运放进行两级放大，初级放大倍数较小，且在初级与次级之间进行滤波处理，次级运放将交流信号整形为方波信号，通过边沿触发方式捕捉，然后在CPU内部计算测量频率。
图3 频率采样电路图
1.4人机交互界面
人机交互界面的显示采用数码管或液晶两，用户可以根据实际需要选择显示方式，输入采用按键方式。其中，数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路采用74HC595和三极管构成；液晶显示采用拓普威公司LM12832BCW的128点阵中文液晶，其数据传输采用SPI串口，可极大地节省CPU资源。同时，LED和LCD显示采用同一个SPI接口控制，使得两种显示方式可以通用。
1.5 控制模块
控制模块主要由开关量输入、输出组成，如图4所示。其中，开关量输入用于监测断路器、接触器的开关状态和采集现场的工业联锁状态，也可根据客户要求用于电动机的起停控制；开关量输出主要用于输出脱扣信号、报警信号和远程起/停信号。
图4 开关量输入输出电路
1.6 通讯/变送模块
通讯模块采用RS-485模块Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能。而变送是将我们需要的电流信号转换为DC 4~20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统，实现电动机运行的远程监控。
2 软件设计
ARD2L的软件设计主要采用嵌入式C语言，其中保护器软件设计包括每次上电系统配置的初始化，按键寄存器复位，判断显示单元是数码还是液晶，继电器置位初始状态，A/D采样初始化以及电参量的计算与保护等。软件的主函数如下：
void main(void)
{
DisableInterrupts;
MCU_initi(); //CPU初始化
if(_RES==0) //判断是数码管或液晶显示
led_or_lcd=0;
else
{
led_or_lcd=1;
PTBDD_PTBDD2=1;
PTDDD_PTDDD4=1;
lcd_init2();
}
recover_FIRSTFLAG(); //恢复内存校表数据
if(FIRSTFLAG!=01234){init_flash();}
else recover_byte();
initi_uart2();
relay_all_initi(); //继电器至位初始状态
EnableInterrupts //启动中断
Vref_init();
sampling_init(); //AD采样初始化
for(;;)
{
__RESET_WATCHDOG();
if(over_flag==1) //计算及保护
{
over_flag=0;
measure_ABC();
protect();
sent(); // 变送输出
}
measure_frequency_a(); // 测频
rtc_time_deal();
warning_deal();
trouble_deal();
program1(); // 继电器可编程处理
event_deal();
getkey();
DI_read();
reset(); // 复位
lamp_deal();
stat(); // 统计总运行时间、停车时间
display(); // 测量数据和保护事件显示
}
}
ARD2L的软件流程主要包括A/D信号采集程序、TPM测频程序、电参量计算程序、保护处理程序、各种通讯协议处理程序等，部分程序流程如图5。
图 5 主程序流程图（部分）
3 测试结果与精度验证
3.1电流准确度测试结果
电流准确度测试源采用南京丹迪克的DK-34B1交流采样变送器，其中对基波的测试是通过加40%畸变率的3次谐波进行的。表1测试了6.3A规格的ARD2L智能电动机保护器三相电流的有效值与基波值，由表中数据可看出，ARD2L智能电动机保护器在10%~120%Ie测量范围内的精度满足0.5级，Ie为电机额定功率[5]。
表1 ARD2L智能电机保护器三相电流测试结果
3.2保护时间测试结果
ARD2L智能电机保护器具备起动超时、过载、欠载、短路、断相、不平衡、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等保护功能，根据JB/T 10736-2007标准进行了保护时间测试，见表2。
表2 ARD2L保护时间测试结果
由表2可知，该保护器满足脱扣延时保护时间误差为±10%或100mS的精度要求[6]。
4 典型应用
采用直接起动模式的ARD2L智能电动机保护器接线如图6所示。其中，电机的起停是通过现场按钮来控制的(保护器本身不控制电机起停），接触器KM的吸引线圈串进脱扣继电器的常闭触点。通电后，按下起动按钮SF 时，KM吸引线圈得电，使KM主触头闭合，电动机开始工作；按下停车按钮SS时，KM吸引线圈失电，使KM主触点释放，电机停止工作。远程起动必须要由上位机来控制，保护器本身不控制。
图6 ARD2L电机保护器直接起动模式接线图
5 结束语
本文采用EM256设计了一款高性能、多功能的ARD2L智能电机保护器，并对其电源、信号采集、输入输出控制等硬件电路进行了详细介绍，通过软件主函数和流程图分析了保护器运行过程。电流准确度与保护时间的测试结果表明，该保护器具有优异的测量与保护功能。