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基于PIC单片机的智能电机保护器

导读:
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摘要:介绍了一种基于PIC单片机的电机保护器" style="color:blue;text-decoration:none;font-weight:normal;">智能电机保护器,说明了硬件电路各部分的设计和软件的设计思想,还给出用于智能保护器和PC机相互通讯的智能化网络通讯系统L实际应用表明,该保护器能较好地完成对电机的保护。

关键词:PIC;智能电机保护器;I2C;通讯

现代生产机械中,由于自动化的需要,对电机的运行要求越来越高。同时,由于电机与配套机械连在一起,当电机发生故障时,经常波及生产系统。因此,对电机实行有效的保护是保证生产系统正常工作的一项重要任务。

美国Microchip公司的PIC系列单片机已经风行全球,其高性能、低价位,内置看门狗,程序保密绝对可靠等特性,对从事自动控制、工业仪表、汽车电子及家用电器设计的电子工程师们有着巨大的诱惑力。

为了实现对电机的可靠保护,以PIC单片机为中心,研制了一套对电机断相、不平衡、轻载、过流、堵转、短路、过压、欠压等常见故障具有综合检测保护功能的智能电机保护器,并开发了一套智能化网络通讯系统,用以实现对电机的监控。

基本原理及硬件框图

电机保护是在检测供电线路的电压U,三相电流IA,IB,IC和漏电流IL的基础上作出的,其具体参数如表1所示。


表1 各个参数


表2 过流反时限

表2中过流延时遵循了反时限原则,即电流越大,延时越短,其数学模型可近似双曲线。

电机保护装置的硬件框图如图1所示。CPU选用Microchip公司的PIC16C73B单片机,其丰富的硬件资源在系统中得到了充分应用,加上少量的外围器件,就构成了一个功能完善、简便适用的系统。主要组成部分包括电压传感器、电流传感器、PIC单片机、E2PROM、LCD液晶显示屏、薄膜按键及输出控制电路等。为了保证系统的性能,该系统用了两片PIC16C73B芯片,一块用于控制,另一块用于显示。两片主芯片之间采用I2C串行总线通讯。


图1 硬件框图

电压、电流传感器采用LEM公司的产品,具有良好的线性度和电气隔离特性。信号经过变换和调整后,送入PICl6C73B的RA0~4口,经片内AˆD转换成数字信号,由单片机进行运算、判断,再输出相应信号,并将数据显示于液晶显示屏上。

此外,保护装置面板上设置了4个按键,分别为“参数选择”、“参数+”、“参数-”和“确定”。表1和表2中的参数可按额定值的0.1、延时时间可按0.1或1s分档调整,在参数调整状态下按“参数选择”、“参数+”、“参数-”键可以轻松地设置各项参数,并将数据保存于E2PROM中。

关键器件及主要电路分析

PIC16C73B
PIC16C73B单片机是美国Microchip公司所出的八位微处理器,属于中档的八位微处理器,时钟频率可以从直流到20MHz,指令周期可达200ns。PIC16C73B具有内部和外部中断处理能力和深达8级的硬件堆栈,在电路设计或者软件设置上有很大的弹性。另外还有A/D模块、CCP模块和I2C与三线SPI兼容的同步串行口SSP可以选择。双向I/O口具有驱动电流大(灌电流可达25mA)等优点。因此,它的抗干扰性能比一般的单片机好,非常适用于工业现场。

电流保护部分
只要电机各相有工作电流,电流互感器就会感应出与三相主电流及漏电流成比例的交流电压,经过整流滤波,转化成0~+5V信号电平送入PIC16C73B的A口。整流滤波电路如图2所示。


图2 电流采样电路

采样的信号经过A/D转换和处理后,根据表1中参数的设定范围,进行判断是否需要保护,需要什么保护。如果是过流保护,表2已经根据反时限原则给出了具体的参数。

电压保护部分
为了进一步提高保护器的可靠性,在该保护器中还设计了过、欠压保护电路。工作原理为:保护器的工作电源直接取自给电机供电的线电压,比如A相和B相。这样在给保护器提供交流380V工作电源的同时,还实现了对该两相的供电情况进行监测。一旦这两相电源有一相过压或电压明显降低,保护器电路中的电压传感器接受的信号就会变化,从而整流滤波输入到单片机的电压信号将会发生变化,单片机就会作出相应的判断。

动作电路
所有保护电路的执行电路如图3所示,主要是通过继电器的通断来完成。如果电机发生故障,则主芯片产生高电平,促使光耦导通,从而使继电器动作,保护了电机。除此之外,点亮发光二极管显示相应的电机故障。


图3 保护电路

E2PROM片外存储器
主芯片PIC16C73B没有E2PROM,所以外扩了E2PROM存储器,采用24LC02B,存储容量为256字节,用于存储保护装置各个动作参数。该芯片为I2C串行通信接口,可直接与PICl6C73B单片机相连,其接口电路如图4所示。


图4 I2C总线接口电路

I2C串行总线使用串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)进行数据传输。在数据传输过程中,单片机产生一个起始位,接着向24L4C02B发出七位的器件地址,收到应答信号后,再进行相应操作。如果是读入数据,数据线SDA应保持为输出方式,每读入1个字节,均应依次检查应答信号;如果是输出数据,则应先将SDA设为输出方式,当发送完1个字节后,须改变SDA为输入方式,并读入24LC02B的应答信号,至此完成1个字节的传输。当所有数据传输完毕,由单片机发出一个停止信号,结束该次数据传输(PIC单片机的SDA和SCL口在该系统中用于两片PIC单片机的通讯,所以PIC和24L4C02B的通讯用的是普通的I/O口RB1和RB2)。

软件部分
该装置采用PIC汇编语言编程,控制软件主要由主控程序、显示程序、通讯程序等组成。

主控程序
主控程序的流程图如图5所示。其中,自起动未完成和完成时参数的判断和保护有区别,未完成时,轻载、过流、堵转不需要判断。


图5 主控程序流程图

开始时,主控板从E2PROM读出数据,传到显示板,判断电机是否起动,未起动时传送电机未起动标志到显示板。此时,用户可以操作显示板,设置各个参数。主控板接收到显示板设置完成的标志后检测电机是否完成自起动,同时完成各类参数的判断。

显示程序
显示程序的流程图如图6所示。


图6 显示程序流程图

起始时,显示板从主控板读到E2PROM的数据,其后接收到主控板发送的未起动标志,此时用户可以操作显示板,设置各个参数。设置结束后传送设置完成标志到主控板。电机起动完成之后,主控板发送起动完成标志到显示板,显示板停止设置,显示电机电流、电压值。

通讯部分
通讯部分主要由两部分组成:PIC单片机之间的I2C总线通讯和PIC单片机与PC机之间的RS485通讯。

I2C总线通讯前面已经作过介绍,这儿主要介绍PIC单片机和PC机之间的通讯。

多台智能保护器与PC机连接可组成小型智能系统。1根电缆最多可连接256台智能保护器,减少了现场接线,大大降低了工程费用。

通讯系统软件运行于Windows9.x/NT操作系统,系统运行安全可靠、人机界面友好,调试简洁、操作方便。保护器与PC机采用RS-485主从式通讯,距离较长。

通讯协议:RS485采用半双工主从式通讯,PC机为主机,保护器为从机。所有收发信号均为ASCII码。主机开机时,可分别发送几种状态的指令码,然后等待从机回答。若发送正确,则从机发送各种状态的指令码。该系统主要是对电机电压、三相电流等运行状态进行监控,显示在PC机上,并且可以在PC机上实现对电机起动时间、自起动时间、过欠压值、额定电流等的设定。

简单的示意图如图7所示。


图7 智能化通讯网络系统

结论

基于PICl6C73B单片机的电机智能保护器充分利用了PICl6C73B的资源,用少量的外围器件构成了一个功能完善、性能优良的廉价实用系统,保证了生产系统可靠运行,为实现电机保护装备低成本开发和更新换代提供了一条切实可行的途径。

来源:电子设计应用   作者:赵荣祥,钱昊,陈潼  2007/4/12 0:00:00
栏目: [ PIC单片机的应用]

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