淺析單片機在電動機保護中的應用

張 晶

(大連海洋大學應用技術學院，遼寧 大連 116300)

一、單片機的工作原理

（一）單片機的概念

單片機也被稱之為微控制器與單片微型計算器，是將中央處理器、定時器、存儲器以及輸入設備和輸出設備集成在一塊集成電路芯片上的微型計算器，其體積小，存儲量較大，可以節約成本，強調供應性。隨著科技的不斷發展，單片機依靠程序運行，并根據不同的程序實現不同的功能，單片機運行也越來越得到改進與創新。

（二）單片機的工作運行

單片機可以自行完成系統賦予其的工作任務，并且按照任務要求進行執行，也就是每一條執行指令的過程，而其中指令則是要求單片機所執行的各類命令，并使其通過操作命令形式寫下來，以便于根據設計人員的指令系統所采用，每一條指令都代表著相應的基本操作。

單片機所執行的各類指令也均是單片機的指令系統，不同類型的單片機具備不同的指令系統。假設要使單片機能夠固定的完成某一項任務，那么則需要設計人員將任務以指令的模式進行程序編制，將固定的程序存放在單片機的存儲器中，這些指令需要選定固定的單片機對程序進行執行，而這一系列指令的集成則被稱之為程序。單片機在運行過程中，需要由程序對其進行操作，因此需要預先存放在存儲器中。

單片機內部的存儲器由多個存儲單元構成，每個單元都具備不同的指令，單元內部的指令根據不同的任務進行操作運行，每個存儲單位都根據不同的任務作為唯一的地址號，也就是存儲單元的地址。當單片機工作運行時僅需要找到固定的存儲單元地址，就可以找到存儲單元，然后通過存儲單元內部的存儲指令進行執行，就可以完成操作。程序在執行過程中都是按照統一的順序進行執行，單片機的工作任務則是按照不同的工作要求將指令按條取出，并加以執行，保證每個部件都可以追蹤到指令所在的存儲單元地址。

在單元內部存儲指令執行過程中，程序計數器則根據不同的指令追蹤存儲單元地址，按照不同的地址執行每一條指令，并在其中按照內容自動增加，增加的量則是每條指令的長度所決定，按照順序依次完成指令。

二、電動機保護功能

電動機是將電能轉化為機械能的一種設備，隨著科技的不斷發展，現代化的電動機越來越運用在生產和生活中，給人們的生活帶來了一定的便捷性。電動機保護是針對電動機進行全方位的保護，也就是當電動機出現漏電、短路、過載、過熱、三相不平衡、堵轉、定轉子偏心等現象時，通過報警的形式采取保護措施。為電動機提供保護的設備為電動機保護器，也就是通過智能化的信息系統操作，完成對電動機的保護功能。由于傳統的電動機保護功能需要實現綜合類型的種類，因此線路較為復雜，因此整個裝置構造十分復雜與龐大。就目前而言，隨著一些電動機的發展與改進，現代化的電動機保護已經逐漸采用智能型與電子型，可以直接根據電動機的溫度參數、電壓參數以及電流參數等進行反應，具備功能性、可靠性與靈敏性，便于調節，當出現各類問題時，可以及時根據故障類型進行處理，縮短故障處理時間，避免因為電動機運行故障造成系統的嚴重影響。

三、單片機在電動機保護中的應用

單片機通過電子化的信息技術完成了對電動機的保護功能，其主要通過三相電流信號采樣部分、顯示部分以及控制輸出部分進行指令的完成，因此本文詳細針對以下三點進行分析。

（一）三相電流采樣部分在電動機保護中的應用

單片機三相電流采樣部分在電動機保護中直接影響到電動機的電流采樣精準度，因此在保護過程中需要進行反復的確定與分析。單片機三相電流采樣部分的線路一般采用直接交流比例變換電路，也可以采用整流線路，便于電動機將交流電轉換為直流電能的電路，實現了交流輸入電壓與直流輸出電壓之間的匹配，從而實現電隔離，這種混合型的電流模式可以使電動機不論采用直流電還是交流電都可以順利采樣，程序設計方面僅需要通過單片機內部的單元內部存儲指令進行改變。電動機中采用的是整流線路，那么則需要將整流線路中的半波線路等幾種形式的線路進行整合，而與二極管半波整流則是需要存儲在二極管中的導通壓降對電動機的整流線路問題進行采樣。與此同時，當電動機中的線路信號電壓較低的時候，單片機可以起到調整的作用，影響較大。為了有效減小二極管導通壓降的作用性，因此單片機則在電動機中起到了保護作用，不僅增加了電源部分的成本，為電動機放大器提供了正負電源，更是在增加線路復雜程度的前提下避免了整流二極管中的導通壓降的影響。因此，單片機在電動機保護中可以起到一定的保護作用，而單片機的使用也是在各類事件中綜合考慮后選擇的成果。

在一些科技感較強的電動機中，單片機在其中的保護作用尤為明顯。電動機通常采用交流采樣，按照采樣周期的連續性測試所得波段的完整性，并通過完整的波形確定運算的有效值，從而實現對電流信號的具體確定。而單片機在其中將收集到的數據進行計算與分析，將運算處理結果通過輸出接口進行執行，在這個過程中，不斷的重復并進行信息的收集，針對不同的處理結果保證電動機的正常運行。這樣不僅可以避免故障的產生，更可以達到單片機對電動機保護的作用。

單片機在電動機保護過程中，需要針對采樣值進行檢測，首先，被測信號周期應該大于采樣周期，這樣就會有效的針對工頻信號進行采樣。其次，在硬件上的采集應避免采樣信號的畸變，因此需要從以下三點進行預防，1、防止噪音的干擾，在單片機中增加一個高頻旁路電容，阻隔濾波電容；2、電流互感器的采樣信號應該從單片機的接入口進行同比例增大，防止信號變換電路的失真；3、保證電動機中的電流互感器在單片機采樣過程中波段的穩定性，防止電流互感器在測試過程中造成電壓信號的失真。雖然單片機在電動機保護中起到了對電流的調節作用，但是也會因為軟件編程的難度而占據較大的存儲空間，因此需要合理對其進行使用，將科技信息化手段融入到現代化的電動機設計中，增強單片機在電動機中的保護作用。

（二）顯示部分在電動機保護中的應用

在電動機的控儀表中，單片機一般是以通信形式進行展現。電動機常用的用戶界面為LED數碼管，由于其具備簡單操作、亮度較高等特點，被傳統電動機所廣泛運用。但是，隨著科技的不斷發展，電動機種類的增加，簡單的符號已經不能滿足于電動機信息的發展，因此現代化的電動機中不僅增加了圖形液晶顯示器、字符液晶顯示器，更是將中文字庫模型輸入其中，采用中文圖形文字式的顯示，這樣不僅通過直觀的外形更容易被操作人員理解，更可以增加單片機線路的成本，增強了技術的現代化。

單片機與電動機LED顯示屏的數碼管相結合，其中接口處采用串行通信方式，通過配接移位寄存器對數碼管進行操控與驅動，如電動機內出現漏電、短路、過載、過熱、三相不平衡、堵轉、定轉子偏心等現象時，則會在LED顯示屏上進行顯示，例如：特殊符號顯示模式、小數點為自動變換顯示模式、數碼管閃爍顯示模式等。為了有效減少單片機在電動機中的功耗，一般采用動態驅動方式進行顯示，如在某個特定的周期進行顯示，而內部LED顯示屏的亮度則根據調節進行展現。與此同時，數碼管中的驅動電壓不能過高，否則會被單片機認為是某項故障，從而限流電阻或者降壓二極管。因此，需要在保證LED顯示屏亮度與單片機故障顯示的情況下，采用降壓二極管，保證電動機電壓的穩定性。

單片機與電動機中的LCD字符型模型接口的數據線采用的是串行接口方式，這種接口方式，可以極大地降低成本，將單片機單元內部指令一位一位的按順序傳送，分工較為明確，控制信號直接由單片機I/O口進行控制。如果在單片機與電動機中的LCD字符型模型接口的數據采用的是并行接口方式，那么不僅單片機的傳輸速度會受到影響，更是會造成三片機單元內部指令的互相干擾，使信息的傳播速度受到影響，占用單片機內的大量資源，因此不宜采用。而在單片機編制電動機保護驅動程序中，則需要根據電動機的實際情況進行數據線信號頻率的減小，與此同時盡量減小時鐘線的信號頻率，保證單片機在運行過程中盡可能少的受到電磁干擾，保證電動機的正常運行。

（三）控制輸出在電動機保護中的應用

單片機的控制輸出部分可以根據電動機的驅動路線進行保護，采用固體繼電器或者機電式繼電器，就可以有效保證電動機的使用壽命與操作性。由于電動機在運行過程中可能會因為驅動路線的觸電動作產生“火花”，因此單片機在單元內部指令中應該對其進行指令預設，保證電動機系統的正常運行。在PCB板布局中應該令電動機的繼電器靠近儀表的輸出端口，遠離單片機，避免因為觸電動作造成信息的干擾。另外，在電動機繼電器的兩端應該并聯續流二極管，將單片機通過內部總線對控制部分、繼電器、計數器等進行互聯，從而實現系統總線與外部存儲器、輸出、入接口的電路聯接，在有效保證電動機穩定運行的前提下，發布決策指令，調節電動機的整體操作。如若電動機繼電器的兩端沒有并聯續流二極管，那么則會破壞電路，造成電動機的性能混亂。固態繼電器具備無火花、性能穩定與壽命長等特點，因此越來越頻繁的運用在電動機保護中，而其逐漸完善的性能與低端價格優勢，則成為了電動機保護的主導。因此，單片機中的控制輸出功能已經成為電動機保護的主要控制模式，可以起到報警或者控制的功效。

四、結論

隨著科技的不斷發展和進步，電動機被廣泛的運用在各種生產設備中。但是，在電動機運行過程中，可能會出現漏電、短路、過載、過熱、三相不平衡、堵轉等故障，給生產生活帶來巨大的不便與經濟損失，而單片機的運行不僅可以有效解決這一故障，還可以對其進行有效預防，因此單片機在電動機保護中具有很大的現實意義。

[1]曾令全.電機學[M].中國電力出版社，2007.8.1.

[2]張炳文.格蕾絲.電機[M].人民郵電出版社，2012.1.1.