低壓智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的可靠性設(shè)計(jì)
朱煜銘 陸偉青 朱文灝
摘要： 針對(duì)低壓智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在實(shí)際使用中遇到的各種電磁兼容問(wèn)題，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面，提出了抗干擾方法，獲得了良好的EMC性能,。關(guān)鍵詞
Abstract：
Key words :
摘要：針對(duì)低壓智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在實(shí)際使用中遇到的各種電磁兼容問(wèn)題,，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)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(dòng)機(jī)作為一種拖動(dòng)機(jī)械因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)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(dòng)機(jī)保護(hù)器技術(shù)的成熟而普及率越來(lái)越高,。
智能電動(dòng)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(shí)現(xiàn)斷相保護(hù),，重復(fù)性差、測(cè)量參數(shù)誤差大的缺點(diǎn),。保護(hù)器通過(guò)電流來(lái)判斷斷相故障,，軟件模擬熱積累過(guò)程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(kāi)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(dòng)機(jī)保護(hù)器提高了電動(dòng)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(shí)也對(duì)保護(hù)器抗外界干擾提出了比較現(xiàn)實(shí)的要求,。下面就從硬件和軟件兩個(gè)方面提出可靠性設(shè)計(jì),。
2、硬件可靠性設(shè)計(jì)
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(chǎng)的微控制器?？蓱?yīng)用在家電,、汽車,、工業(yè)控制等場(chǎng)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(jí)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(guò)流過(guò)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(shí)，能夠自動(dòng)限制過(guò)電流或阻斷電流,，當(dāng)故障排除后又恢復(fù)原態(tài),，俗稱“萬(wàn)次保險(xiǎn)絲”。根據(jù)線路的最大工作電流來(lái)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(guò)壓保護(hù),，以防止這類過(guò)電壓干擾或損壞各種電路元件。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)受的浪涌電壓按照最大允許使用電壓和通流容量來(lái)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(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)效果 圖3電源端濾波處理后的實(shí)驗(yàn)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(cè)試儀1000V 100KHZ 0.75mS條件EFT群脈沖實(shí)驗(yàn)，從TEXtronix TDS1012B捕抓到的信號(hào)比較,，未使用濾波處理的電源輸出端產(chǎn)生了尖峰脈沖,，會(huì)導(dǎo)致微處理器復(fù)位，甚至死機(jī),。
2.3信號(hào)端處理
諧波和電磁輻射干擾會(huì)導(dǎo)致保護(hù)器誤動(dòng)作,，使電氣儀表計(jì)量不準(zhǔn)確,，甚至無(wú)法正常工作。在電動(dòng)機(jī)控制回路中產(chǎn)生該類干擾源為變頻器和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)講機(jī),。解決的方法有：一是信號(hào)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(dòng)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(hào)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(hào)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(shí)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(dòng)作對(duì)內(nèi)部的干擾?？紤]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(chǔ)技術(shù)和看門狗保護(hù)電路
使用外置存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器和看門狗電路
2.6主體與顯示單元通過(guò)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(jì)
3.1實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度
保護(hù)器起著保護(hù)電動(dòng)機(jī)的重任,，對(duì)它的要求是既不能誤動(dòng),，也不能拒動(dòng)，而且必須快速,。實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度實(shí)際是通過(guò)時(shí)間片的輪換實(shí)現(xiàn)宏觀上的多任務(wù)效果,。對(duì)于保護(hù)器而言，存在著三個(gè)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(jì)時(shí)、清零和脫扣輸出,；人機(jī)交互界面,。下圖以一個(gè)周波T=20mS，32點(diǎn)采樣為例(考慮到快速除法),，32次采樣總時(shí)間為3.2mS,，數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間為9.72mS, 計(jì)時(shí)0.36mS,則人機(jī)交互的時(shí)間為6.72mS。這樣的任務(wù)調(diào)度即滿足了保護(hù)實(shí)時(shí)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(duì)于交流正弦信號(hào),，一個(gè)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(hào)的有效值的定義,，將連續(xù)信號(hào)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(duì)信號(hào)多次采樣的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件算法提取最逼近真值的數(shù)據(jù),。這種算法計(jì)算連續(xù)的周期的交流信號(hào),，精度高，抗波形畸變能力強(qiáng),。在使用這種算法時(shí),，也可同時(shí)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(chǔ)器中,，由編譯器統(tǒng)一安排，但設(shè)計(jì)時(shí),，設(shè)計(jì)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(chǔ)空間會(huì)未被使用,。當(dāng)微處理器的PC指針因?yàn)楦蓴_被錯(cuò)置時(shí),，系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)。軟件陷阱就是在不用的存儲(chǔ)空間,、中斷入口,、子程序后加入強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)指令，讓出錯(cuò)的PC指針恢復(fù)正常,。
方法是： NOP
NOP
JSR MAIN
4,、結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)低壓智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在實(shí)際使用中遇到的各種電磁兼容問(wèn)題，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面,，提出了抗干擾方法，獲得了良好的EMC性能,。
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