基于單片機的智能電機保護器設計

柳麗雅

（江蘇省江陰中等專業學校，江蘇 無錫 214433）

0 引 言

隨著工業技術的不斷發展，三相異步電動機已經逐漸應用于工業領域，并且電動機可以攜帶多種負載，一旦出現故障，將會導致整體電力系統中斷，甚至可能會導致企業的停產[1]。因此，探究電機的保護具有重要的經濟價值和實用價值。電機保護器是實現對電機保護的重要裝置，目前市場上存在較多型號的電機保護器，但是在具體的應用中，價格相對較低的保護器無法達到對應的保護功能，而價格過高的保護器則需要企業付出更高的成本，均不利于實現對電機的保護[2]。基于此，探究基于單片機的智能電機保護器設計成為重要的課題。

1 電機保護理論及故障類型

1.1 電機保護理論

對于電動機的保護，主要包括對稱故障和非對稱故障兩種保護類型。對稱故障發生時，電機電流通常不會增加，并且會產生負序電流，造成動力矩降低，另外還會產生故障電流，影響電機的正常使用[3]。對于電機的保護通常是采用短路保護、斷相保護以及接地保護等方式。而在非對稱故障電機保護中，按照星型接法時會產生零序電流，因此需要判斷是否產生零序電流，以此來制定電動機保護器[4]。

1.2 故障類型

電機的故障類型相對較多，包括以下幾個方面。（1）起動超時。電機啟動環節，如果長時間處于啟動狀態，則會產生過大的電流，造成電機過熱。（2）過壓。電機運行中，在發生故障時容易導致電流增加，進而使得電機內部電流逐漸增大，損壞電機[5]。（3）堵轉。在電機運行中，負載過大，使得電機容易出現故障，損壞電機軸，進而損毀電機。（4）過載。電機運行時超過額定電流運行將導致電機熱量過高，損毀電機。（5）短路。電機運行出現短路，導致電流和熱量過高[6]。（6）斷相。在三相異步電動機運行中，轉速降低，一相斷線使得其余未斷相部位電流升高。（7）不平衡故障。電機運行時，三相產生負序電流，對電機的運行產生影響[7]。（8）接地故障。在中性點不接地的情況下，如果系統出現故障，則將會導致電容增大，熱量增加，嚴重影響電機的正常運行。

2 基于單片機的智能電機保護器系統設計

2.1 總體設計

2.1.1 硬件設計

基于單片機實現對系統電路保護器的設計，其單片機芯片選擇AT89S52。電路模塊的設計中，主要包括模擬量模塊、開關量模塊、時鐘模塊、電源模塊以及存儲模塊[8]。系統的原理如圖1所示。

圖1 系統框架結構設計圖

在系統整體結構的設計中，采用三相電壓以及三相電流的采樣模式，采集電流信號，將相關電路信息放大，經過A/D轉化器的處理將相關電路信息傳遞到AT89S52，之后與系統設定的閾值進行對比，確定電機是否存在故障。如果電機出現故障問題，則會提供故障類型判斷，并且單片機通過控制繼電器可以實現報警保護。同時，在系統的控制中，通過鍵盤輸入的方式可以設計額定電流、啟動時間以及額定電壓等參數，最終確保電機的穩定運行。

2.1.2 軟件方案設計

在本次軟件方案設計中，結合電機保護器的設計，選擇使用C語言，工具選擇Keil C51，經過軟件的編譯后將相關信息傳輸到單片機的芯片，進而實現對電機的整體保護[9]。在系統的流程中，先會對系統進行初始化，設計參數的子程序，并且讀取參數。在設計電機起動和停止程序后實現對信號的采集，之后電機判斷子程序故障。如果存在故障，則會顯示故障的類型，并且制定輸出保護動作，而如果不存在故障，則系統正常運轉。

在主程序設計完成后，需要對模型參數進行初始化處理，判斷系統參數是否完成設計，如果參數完成設計，則進入子程序，如果未完成則會進入輸入讀取界面，讀取EEPROM的數據，然后進入啟動環節。通過控制三相電流和三相電壓可以實現對電信號的采樣和數據的轉換，并且做出對應的保護動作，進而實現對電機的有效保護。在參數的設計中，鍵盤的型號選擇ZLG7290，在參數修改完成后，按確認即可完成修改。

在參數設定完成后系統進入啟停程序，此時會判斷電機是否處于啟停的狀態，如果處于啟動狀態，則顯示啟動的標志和停止的標志。如果并未進入啟停的設置狀態，則會顯示故障標志，之后返回系統主界面。

在電機故障子界面的程序判定中，首先會判斷系統是否存在過壓和欠壓等故障，如果存在故障，則會進入到故障標志位，之后返回系統主界面。如果不存在則會進一步判定系統是否存在其他故障。一旦系統出現故障，則進入故障標志位，否則返回系統主界面開始運行。

2.2 振蕩和復位電路方案

本次設計中主控制器為AT89S52單片機芯片，其只讀存儲器既可編程也可反復擦除，月1 000次以上，便于實現對系統的整體修改。AT89S52單片機芯片的最高頻率可達到24 kHz，但芯片12 MHz頻率即可滿足本設計的運行需求。本次設計選取該芯片的主要原因在于內部程序存儲器ROM有4 kB存儲容量，內部數據存儲器RAM有256 kB存儲容量，另外包括4個并行端口，5個中斷源，并且可外接64 kB的RAM和ROM，便于后期實現對程序的有效調整。

震蕩電路設計時，將12 MHz的警惕振蕩器接入引腳，形成并聯的震蕩電路模式。整體震蕩電路中，對于接地電容并無明確的研究，但是為了保證系統的可靠性以及耐高溫性質，本次研究選擇陶瓷的電容，容量為30 pF，系統震蕩周期設置為83 ns。

在復位電路設計中，確保RST引腳具有兩個周期以上的高電平輸入，通過單片機的復位，可以確保運行的初始化。復位電路是通過單片機RST的引腳連接到施密特觸發器。單片機設計采用手動復位，復位動作則是將VCC上的高電平輸入至單片機RST引腳完成。

2.3 開關輸入和輸出模塊方案

開關選擇4路信號輸入，輸入電路可實現24 V電壓信號的變化，促使主控制可以接收5 V的信號。4個信號分別為電機起動、電機停止、開關量輸入以及參數設置，通過系統可以實現對開關的控制、信號的轉化以及參數的設置。

開關量輸出模塊的4路信號分別為起動電機（1、2）、報警、脫扣4個變量。設計時應用ULN2803芯片，具有8路NPN達林頓晶體管。通過ULN2803芯片實現邏輯電平數字電路與較高電流和電壓的連接，進而實現對系統的操控。

2.4 模擬量方案設計

模擬量包括模擬輸入量和模擬輸出量，在模擬輸入量的設計中，應用三相電機將電流信號轉化成為標準的接收信號，完成對電機故障的診斷與分析。模擬量輸入電路主要由信號檢測、A/D轉換以及放大調幅3個部分組成。通過電機的三相電壓信號轉換，可以區分電流信號和標準信號[10]。系統檢測電路信號后，經過放大，轉入A/D轉換器。本次設計所選用的A/D轉換芯片是TLC549，數據通過轉換可以輸出到單片機中，且實現循環輸入。

輸出模塊設計中，主控制器外接D/A轉換芯片為TLC5620，通過放大電路實現模擬量輸出的獲取。芯片工作電壓為5 V，采用串行總線的布線模式，內部采用雙緩沖結構，便于對系統的整體操控。

2.5 電源和通信模塊設計

電源模塊是系統運行的重要保障。在系統的設計中，為了保障電機保護器的運行，應該設計穩壓電源。通信模塊的設計中，單片機接口為TTL電平，需要將其轉換成為RS232電平，通過MAX232芯片來實現通信信息的轉換，且電源為5 V。

2.6 時鐘和參數記憶模塊設計

時鐘的設計中，選擇芯片為PCF8563T。時鐘模塊的供電主要包括電源和電池兩種模式，在系統出現故障后，電池供電模式仍然可以繼續使用，且無需重新設置，而在電機出現故障時，系統將時鐘模塊故障的詳細信息記錄于EEPROM中。PCF8563T芯片具有實時的記錄功能，工作電壓范圍為1～5 V，而且在讀寫操作時可產生增量，并采用單獨電池供電模式，在系統出現掉電情況時也會繼續工作。

參數記憶模塊的設計中，選擇AT24C64芯片來實現對數據的記憶，并且按照順序記錄的方式來執行程序。系統擦除次數達到1×105次以上，并且供電電壓采用單+5 V，電流為1 mA左右，整體存儲量較大，且耗能相對較低。系統控制器在發送指令后，EEPROM內部有一個可以自動加1的指針，之后在完成操作時會自動進入下一單元。

2.7 顯示模塊設計及保護器的連接

顯示模塊以ZLG7290B為核心，具有確認、上移、設置以及右移4個功能，其綜合設計可以實現對字節數據的接收和發送。

在保護器和電機連接中，根據整體的設計需求，采用三相電壓的方式來進行測量，之后通過模擬來進行在線檢測。在系統運行后，通過閉合QA，可以實現對KM線圈的操控，使線圈之間帶電，進而完成電機的啟動和運行。通過本次系統的設計，完成了電機的保護需求，確保了系統的可行性與可靠性。

3 結 論

電機保護器的設計至關重要，可實現電機的正常運行，避免出現不利影響，并提升工業生產的效率。基于此，本文探究基于單片機的智能電機保護器設計，了解電機運行的重要性，并且制定相應的設計方案，包括開關量、輸入輸出模塊、電源、參數記憶以及時鐘等模塊，實現對電機的有效保護。