基于ARM9的電機缺相保護裝置設計

吳 琴 姚善化 杜 斌

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

0 引言

由于絕緣技術的發展，要求電機在設計上既要增加出力，又要減小自身體積；隨著現代生產自動化程度的不斷提高，對電機的運行要求越來越高，比如說運行在頻繁的啟動、制動、正反轉以及變負荷等多種方式；另外由于電機的應用面很廣，常常需要工作于極為惡劣的環境下，如潮濕、高溫等。這些造成了現在的電機比過去更加容易受到損壞，其主要原因是電機缺相、過載、短路等。在沒有保護裝置的情況下，一旦電機出現這些故障，時間稍長，會燒毀電機。

目前使用的電機保護裝置大多數是JDB系列保護器，而該系列綜合保護器[3-6]大多是分立元件組成，屬于非數字化設備且電路設計較為復雜。其普遍不能直接接入三相380V電源電路并對其電流信號進行直接的處理，而是需要將其轉換成0-5V的低電壓，對低電壓進行相應的處理，然后送入處理器中進行保護參數的判斷并給出相應的保護。其通常存在精度較低、自動化程度不高等缺點。針對上述現象，文中設計了一種通過DF783A芯片，需要對三相 380V電源進行預處理的三相相位信號接入DF783A中進行缺相保護的判斷，并將結果送入ARM9中，通過ARM9控制RS-485將結果送入控制中心的上位機上顯示的電機缺相保護裝置。

由于采用了通信模塊，使得控制中心的人員能夠實時監測電機的運行狀態，一旦電機出現故障，第一時間能夠停止電機運行，實時地保護電機。

1 系統的硬件設計

本系統選用ARM920T內核的16/32位嵌入式微處理器S3C2410[1]作為最小系統。系統通過來自DF783A的缺相報警信號及時觸發繼電器開關對電機[2]進行保護等，系統工作的同時還將各種數據通過RS-485通信傳動至上位機實現集中監控系統的整個運轉狀態，方便了數據的統計管理。其整體設計的框圖如圖1所示。

1.1 S3C2410最小系統

S3C2410為本系統的核心部分，它內部集成有：1個支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏的LCD控制器；內部有8個內存塊，每個內存塊128MB共1GB，每個內存塊都支持SDRAM自動刷新模式；NAND Flash控制器；3個通道的UART(串口)，可以用來實現RS485通信；8通道的10位ADC；觸摸屏接口；4個通道的DMA；4個具有PWM功能的計數器和1個內部時鐘；I2S總線接口；2個USB主機接口；1個USB設備接口；2個SPI接口；SD接口和MMC卡接口；看門狗計數器；117位通用I/O和24位外部中斷源。

1.2 相位信號隔離電路與DF783A電路

DF783A是一種可用來檢測三相電壓的相序和缺相狀態，發出缺相報警信號并對錯誤的相序進行自動調整。圖2相位信號隔離電路中將三相380V電源接入L1、L2和L3，通過變壓器降壓及光電耦合器進行隔離，其輸出端的三相相位信號從IN1、IN2和IN3輸入，經過相位處理單元后產生相序檢測信號。該檢測信號在邏輯判斷單元中與給定的輸出相序選擇信號進行比較，經過延時后，通過輸出電路產生兩路輸出信號QA和QB，用以控制相序的調整；同時輸入的三相相位信號經過缺相檢測模塊處理后，在邏輯判斷單元中對電源是否缺相做出判斷，并將引腳3的缺相報警輸出信號ALM通過電平轉換電路后接入S3C2410的GPF2引腳，通過S3C2410做出相應的處理，用來控制電源的開啟與切斷，達到缺相保護的目的。注意使用該芯片進行缺相判斷時，缺相保護允許端口即圖2中4引腳必須輸入高電平。圖2中工作狀態指示模塊的作用是輸出一系列信號，其中 6引腳為輸入電源正相序指示端，7引腳為輸入電源逆相序指示端，15引腳為輸出電源正相序指示端，16引腳為輸出電源逆相序指示端，8引腳為延遲狀態指示端。

1.3 RS485通信電路

本系統還設有一個RS485轉換接口電路，用來和上位機之間進行通訊，以便上位計算機能夠實時監測電機運行狀態，一旦電機缺相，既可以通過上位機進行切斷電源進行電機保護，也可以通過鍵盤輸入切斷電源命令進行電機保護。具體電路設計如圖3所示。

S3C2410中有 3個UART，此處選用 UART0的 RxD0、TxD0，為了防止干擾，此處設計了光電隔離電路對兩路信號進行了光電隔離，之后再連接至485芯片的RO、DI引腳，通過處理器的GPF1引腳來控制信號R/D，此路信號同樣需要經過光電隔離電路才能控制485芯片的發送器使能和接收器使能（DE和/RE）引腳。若GPF1信號為高電平，則485芯片的DE和/RE引腳為高電平，即發送器有效，而接收器禁止，此時S3C2410可以向RS-485總線發送數據字節；若GPF1信號為低電平，則485芯片的DE和/RE引腳為低電平，即發送器禁止，而接收器有效，此時S3C2410可以接收來自RS-485總線的數據字節。由此可知，485R芯片中的接收器與發送器不能同時工作，只能有1個處于工作狀態。

為了防止干擾，使用B0505S-1W器件可以給出與處理器電路完全隔離的一路電源輸出，用于向RS-485收發器電路提供+5V電源。

2 系統的軟件設計

本裝置用ADS集成開發環境來編寫處理程序，為了以后更好地開發以及電機保護功能的齊全性的考慮，首先需要加載bootloader.bin文件，用來初始化外圍硬件設備、建立內存空間映射圖 （主要是SDRAM、Flash與S3C2410之間的映射關系），從而將系統的軟件及硬件環境帶到一個合適的狀態，為最終調用操作系統內核做好準備。主程序主要由以下幾個部分組成。

（1）S3C2410上電復位運行后進行各種內存單元的初始化，設定其工作參數。實時接收GPF2引腳的信號，若該信號為高電平，則說明電機處于正常工作狀態；若該信號為低電平，則說明此時電機缺相。

（2）與上位計算機之間進行通信，將送入處理器的電機缺相報警信號按照RS-485[9-10]總線標準送入上位計算機內，以便上位機進行實時監控管理，在串行口中斷中實現。

主程序的設計框圖如圖4所示。

3 結束語

基于S3C2410處理器控制的電機缺相保護裝置完全實現了電機缺相的實時監控，一旦出現電機缺相，即可以在遠程上位機上操作進行缺相保護，也可以通過觸摸屏上顯示的缺相保護按鈕進行電機保護操作。而且在此電路基礎上，添加相應的數據處理電路還可以進一步實現過載保護、短路保護等。實驗證明：該保護裝置性能可靠、維護簡單，同時本裝置中設有RS485接口，可以與上位計算機進行顯示及控制。

［1］丁金磊.基于ARM的電動機綜合保護裝置設計[D].南京理工大學，2008.

［2］DF783A三相相序控制與缺相檢測電路[Z].2012.