基于CS5460A的大型电机保护器的研究设计

摘 要： 本设计采用新型数据采集方法，利用进口16位AD转换器CS5460A进行前端采集，使用89C52单片机进行数据运算处理、汉字LCD显示、智能复合按键操作，通过菜单选择数据故障查询，此装置采集准确、保护可靠，将来在工矿企业有广泛的应用前景，该全数字化综合保护器，能在安全稳定的基础上实现电动机的过载、温度、断相、短路及漏电保护，不同的故障执行保护动作的时间快慢不同，执行保护后有自动和手动恢复两种选择，能记录连续几次的故障原因以便于技术人员维护和排除故障。

关键词： CS5460A；全数字化；智能保护

中图分类号：TM864 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210064－02

大功率电动机是工业生产的主要设备，它能否安全可靠的运行，直接影响到生产的正常运行。由于使用环境的复杂性和负载的多样性，电动机运行中过载、缺相、漏电、堵转等现象时有发生，严重时将会使电动机烧毁，造成不必要的损失。为保证生产的顺利运行，各种型号、功能的电动机保护器在工矿企业得到广泛应用，但由于保护器大多以模拟电路为主控回路，其保护性能、抗干扰能力、精确度均不理想，而且使用中调整困难，易损坏，维修量大，随经过不断改进，技术水平仍没有质的突破。随着科学技术的不断发展，各种数字化仪表、仪器、微电脑程序控制器在企业广泛应用，使得企业的技术装备不断改进、提高，而现有的电动机综合保护装置不能适应生产过程中对大功率电动机保护的更高要求。

1 保护器整体设计思路

设计出安全稳定的全数字保护器，要求操作简单，数据设置、显示直观，保护快速有效。因此考虑了单片机控制，技术成熟稳定，复合按键操作，2*8汉字显示液晶屏，快速稳定的电流检测器件及转换器件，微秒级保护动作执行。

1.1 部分电路的方案选择与论证

1）单片机最小系统

单片机的选择可有好多种，不同型号之间的选择有AT89XXX、AVR、PIC、HB系列。从价格、市场供应、本身技术掌握熟练度等多重考虑选择了AT89XXX系列单片机。

2）汉字显示系统

汉字显示采用两行八列十六汉字显示液晶瓶屏，相对于字符型显示屏虽然价格上稍贵，但是显示更加直观，不容易看错。而且显示范围刚好可以显示温度、电流、电压值。设定是两行刚好可以显示设定的最大、最小值。

3）数据采集、转换系统

电流的采集采用了空心电流互感器。

模拟电路低压电动机保护均采用磁性材料做的互感器，由于其磁性材料的磁化曲线、磁滞曲线的影响，铁芯电流互感器容易饱和，线性度较差，误差较大。

互感器采用HCT916B电流互感器（仪表用），额定输入电流：0～1.5A；额定输出电流：0～5Ma；隔离耐压：2700Vac；精度：0.1％；线性度：0.07％；脚差：≤15′。用此空心互感器作为测量电流的变送器，具有准确度高（线性误差在±1％以内）、绝缘水平高等优点，用于小电流测量则需要增加线性放大环节。

与铁芯互感器相比，该互感器不发热、不饱和、线性度好，并且可满足A/D转换对电压的要求。

1.2 整体电路框图

整体电路框图如图1所示。

2 核心器件CS5460A的应用

数据转换芯片采用Crystal公司最新推出的CS5460A，该芯片是美国Cirrus Logic公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片，现主要应用在单相电子式电能表和三相电子式电能表中。不同于以前流行的CS5460芯片，该芯片特有的自动引脚模式功能，能使芯片独立工作，得电时自动初始化，由外部的E2PROM引导开始工作，并从中读取数据，如果用于高容量或用在家庭，为了降低成本，此模式下，该型芯片可以不用微控制器独立工作。

图1 整体电路框图

CS5460A的的读写控制及时序：

CS5460A的串行接口部分集成了一个带有发送/接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK上升沿解释8位命令字。根据对命令的解码，状态机将执行相应的操作，或者为把寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区，写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。通过寄存器读/写命令，数据可被写入或从CS5460A中读出，图2为写、读时序。

图2 5460读、写时序图

数据的读、写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字（高位在前）来启动。需要注意的是：一些命令字在执行时受周期计数寄存器和配置寄存器内容的影响，需要先对周期计数器和配置寄存器内容进行正确设置。寄存器写指令后必须跟24位数据，先写命令字启动写操作，然后随着24个连续的串行时钟脉冲，CS5460A将从串行输入引脚SDI接收串行数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器并返回到命令模式。寄存器读指令可以终止在8位的边界上。通过SDI引脚写入命今后，可从SDO引脚读出数据，根据CS5460A的时序特点，尤其值得注意的是，在读取数据的同时必须向SDI口写一个0xFE字节，采用汇编语言实现该功能时还不易出错，当用C语言时往往容易单独写入0xFE而造成错误。

3 软件设计

3.1 总体规划

首先，软、硬件设计综合讨论选择最佳方案，确定软硬件接口具体管脚定义，接口要求。软、硬件设计同时进行以便于便设计边进行局部调试。

其次，软件的整体规划，将程序规划成几个即独立又相互联系的模块。软件的调试程序和运行程序分开，以减小运行程序的程序量，为CPU的选择提供较大的空间。

根据系统输入和输出变量建立起正确的数学模型，然后画出程序流程图，对系统资源做具体分配和说明。

先设计监控程序然后设计各应用程序模块。各功能程序模块化，子程序化，便于调试、连接修改和移植，有利于系统优化。

对软件的设计进行先后排序，再进行具体模块程序的流程框图规划、具体设计调试。

3.2 具体程序规划

1）完成整体软件框图及单元电路程序框图的设计。

2）具体程序设计，分别定义端口、存储空间地址、中断、堆栈、寄存器。

3）进行第一部分LCD汉字显示的程序设计。

4）进行复合键盘操作的程序设计，设定电流、电压、温度的参考值。

5）进行电流、电压、温度的采集、运算、存储程序的设计。

6）进行采样值与设定值的比较程序及保护控制程序设计。

7）进行软件、硬件“看门狗”程序设计保证程序稳定运行。

8）整体优化和整理程序，条理化、层次化进行详细的标注说明，以便于以后查阅参考。

3.3 整体程序框图

整体程序框图如图3所示。完整程序见附件。

图3 整体程序框图

软件的整体规划，将程序规划成几个即独立又相互联系的模块。软件的调试程序和运行程序分开，以减小运行程序的程序量，为CPU的选择提供较大的空间。根据系统输入和输出变量建立起正确的数学模型，然后画出程序流程图，对系统资源做具体分配和说明。先设计监控程序然后设计各应用程序模块。各功能程序模块化，子程序化，便于调试、连接修改和移植，有利于系统优化。

参考文献：

[1]楼然苗、李光飞，51单片机设计实例，北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[2]熊书明、赵跃华，基于CS5460A的高精度数据采集处理系统，江苏大学计算机工程系，2002.

[3]SinglePhaseBi-DirectionslPower/Energy(CS 5460A)[EB/OL]I.2001.12.

作者简介：

郭海文（1968-），男，山西阳泉人，湖北工业大学在读硕士研究生，华北科技学院电子信息工程系副教授。