低壓智能電動機(jī)保護(hù)器的可靠性設(shè)計
朱煜銘1陸偉青2 朱文灝3
1 山東省輕工業(yè)設(shè)計院
2上海安科瑞電氣股份有限公司 上海201801
3上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司 上海200063
摘要：針對低壓智能電動機(jī)保護(hù)器在實際使用中遇到的各種電磁兼容問題，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個方面，提出了抗干擾方法，獲得了良好的EMC性能。
關(guān)鍵詞：微處理器；EMC電磁兼容性；軟件；硬件；抗干擾
1、引言
電動機(jī)作為一種拖動機(jī)械因具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)各個方面被廣泛采用。在當(dāng)代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和智能電動機(jī)保護(hù)器技術(shù)的成熟而普及率越來越高。
智能電動機(jī)保護(hù)器采用了微處理器技術(shù)，不僅解決了傳統(tǒng)的熱繼整定粗糙、不能實現(xiàn)斷相保護(hù)，重復(fù)性差、測量參數(shù)誤差大的缺點(diǎn)。保護(hù)器通過電流來判斷斷相故障，軟件模擬熱積累過程的方法來實現(xiàn)過載保護(hù)等方法保證了電機(jī)的可靠運(yùn)行，而微處理器強(qiáng)大的擴(kuò)展性包括開關(guān)量輸入、繼電器輸出，4~20mA變送輸出、RS485通訊等很好的滿足了控制系統(tǒng)的“四遙”功能。
電動機(jī)保護(hù)器提高了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性和系統(tǒng)智能化要求，因此保護(hù)器的可靠運(yùn)行起著舉足輕重的作用，同時也對保護(hù)器抗外界干擾提出了比較現(xiàn)實的要求。下面就從硬件和軟件兩個方面提出可靠性設(shè)計。
2、硬件可靠性設(shè)計
2.1 微處理的選擇
采用Freescale公司的高性能處理器MC9S08AW60。MC9S08AW60是Freescale公司一款基于S08內(nèi)核的高度節(jié)能型處理器，是第一款認(rèn)可用于汽車市場的微控制器。可應(yīng)用在家電、汽車、工業(yè)控制等場合，具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能。
2.2電源端濾波處理
利用電磁原理進(jìn)行硬件電路濾波是提高保護(hù)器EMC的有效方法。線路如下圖，經(jīng)熱敏電阻t、壓敏電阻RV1、電感L1、L2、差模電容C1、共模電感L3、共模電容C2、C3組成的兩級濾波處理，很好的隔離了由于電源端的輸入和輸出干擾。PTC熱敏電阻器的主要用于過流過熱保護(hù)，直接串在負(fù)載電路中，在線路出現(xiàn)異常狀況時，能夠自動限制過電流或阻斷電流，當(dāng)故障排除后又恢復(fù)原態(tài)，俗稱“萬次保險絲”。根據(jù)線路的最大工作電流來確定選擇。壓敏電阻主要用于吸收各種操作浪涌及感應(yīng)雷浪涌過壓保護(hù)，以防止這類過電壓干擾或損壞各種電路元件。根據(jù)設(shè)計經(jīng)受的浪涌電壓按照最大允許使用電壓和通流容量來選擇。其中,L1、L2、C1為抑制差模干擾，L3、C2、C3為抑制共模干擾。L1、L2鐵芯應(yīng)選擇不易飽和的材料及M-F特性優(yōu)良的材料。按照IEC-380安全技術(shù)指標(biāo)推薦，圖中元件參數(shù)的選擇范圍為：C1=0.1~2uF；C2、C3=2.2~33uF；L3為幾個或幾十毫亨，隨工作電流不同而取不同的參數(shù)值。
按照下面公式計算C2、C3的容量：
Ii=2πfCyU
式中：Ii───允許的交流漏電流
f───電源頻率；
U───電源供電電壓；
圖1 電源端處理圖
圖2電源端未濾波處理的實驗效果 圖3電源端濾波處理后的實驗效果
上圖為電源端是否使用濾波器，使用瑞士TRANSIENT 2000電磁兼容測試儀1000V 100KHZ 0.75mS條件EFT群脈沖實驗，從TEXtronix TDS1012B捕抓到的信號比較，未使用濾波處理的電源輸出端產(chǎn)生了尖峰脈沖，會導(dǎo)致微處理器復(fù)位，甚至死機(jī)。
2.3信號端處理
諧波和電磁輻射干擾會導(dǎo)致保護(hù)器誤動作，使電氣儀表計量不準(zhǔn)確，甚至無法正常工作。在電動機(jī)控制回路中產(chǎn)生該類干擾源為變頻器和現(xiàn)場對講機(jī)。解決的方法有：一是信號輸入線膠合，膠合的雙膠線能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)的磁通方向，使其感應(yīng)互相抵消。二是內(nèi)部線路處理。如下圖，采用雙差分輸入的差動放大器，具有很高的共模抑制比。在輸入回路中接RC濾波器、信號的輸入和輸出端使用專用器件、降低輸入輸出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。
圖4 信號處理電路
2.4保護(hù)輸出端處理
輸入輸出端采用光電隔離的方法，也是可以消除共模干擾，同時在保護(hù)繼電器的的輸出端并接壓敏電阻，有效的提高了繼電器的壽命，也降低了由于外部接觸器動作對內(nèi)部的干擾。考慮到客戶使用控制電壓的不確定性和接觸器線圈容量，確認(rèn)使用MYG14D821。
圖5 保護(hù)輸出電路
2.5外部存儲技術(shù)和看門狗保護(hù)電路
使用外置存儲芯片X25043，SPI接口。微處理器內(nèi)置SPI控制模塊，方便的與該芯片接口，外部存儲技術(shù)保證了運(yùn)行狀態(tài)和事件的記錄。低電壓復(fù)位和外部看門狗提高了保護(hù)器的可靠性。
圖6 外置存儲器和看門狗電路
2.6主體與顯示單元通過RS485連接
考慮到使用環(huán)境的特殊性和要求的多樣性，主體與顯示單元之間連接也采用RS485 Modbus-Rtu協(xié)議連接，提高了顯示與控制的可靠性。
3、軟件可靠性設(shè)計
3.1實時多任務(wù)的調(diào)度
保護(hù)器起著保護(hù)電動機(jī)的重任，對它的要求是既不能誤動，也不能拒動，而且必須快速。實時多任務(wù)的調(diào)度實際是通過時間片的輪換實現(xiàn)宏觀上的多任務(wù)效果。對于保護(hù)器而言，存在著三個重要的任務(wù)，等間隔的交流采樣，根據(jù)算法得到穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)電量數(shù)據(jù)；根據(jù)得到的數(shù)據(jù)判斷故障，故障計時、清零和脫扣輸出；人機(jī)交互界面。下圖以一個周波T=20mS，32點(diǎn)采樣為例(考慮到快速除法)，32次采樣總時間為3.2mS，數(shù)據(jù)計算時間為9.72mS, 計時0.36mS,則人機(jī)交互的時間為6.72mS。這樣的任務(wù)調(diào)度即滿足了保護(hù)實時性要求，又較快的響應(yīng)了參數(shù)設(shè)置。
圖7 任務(wù)執(zhí)行關(guān)系
3.2交流采樣、數(shù)字濾波
對于交流正弦信號，一個周期的電壓有效值為
U=
根據(jù)電工原理中連續(xù)周期交流信號的有效值的定義，將連續(xù)信號離散化，用數(shù)值積分代替連續(xù)積分，從而得到有效值與采樣值之間的關(guān)系。離散化得到
U≈
同理
I=
在對信號多次采樣的基礎(chǔ)上，通過軟件算法提取最逼近真值的數(shù)據(jù)。這種算法計算連續(xù)的周期的交流信號，精度高，抗波形畸變能力強(qiáng)。在使用這種算法時，也可同時采用連續(xù)平均值法、中值算法等數(shù)字濾波，提高保護(hù)器的抗干擾能力。 3.3軟件陷阱
程序是固化在微處理器的存儲器中，由編譯器統(tǒng)一安排，但設(shè)計時，設(shè)計人員考慮到產(chǎn)品的擴(kuò)展性，一般留有余量，也因此總有些存儲空間會未被使用。當(dāng)微處理器的PC指針因為干擾被錯置時，系統(tǒng)就會出錯。軟件陷阱就是在不用的存儲空間、中斷入口、子程序后加入強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)指令，讓出錯的PC指針恢復(fù)正常。
方法是： NOP
NOP
JSR MAIN
4、結(jié)束語
本文針對低壓智能電動機(jī)保護(hù)器在實際使用中遇到的各種電磁兼容問題，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個方面，提出了抗干擾方法，獲得了良好的EMC性能。
參考文獻(xiàn)：
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