基于ARM9的电机缺相保护装置设计

2019-10-26 版权声明 举报文章

基于ARM9的电机缺相保护装置设计

【摘 要】本文介绍一种采用ARM9[1]为控制核心的电机缺相保护装置的设计方法,采用集成芯片 DF783A[2]代替常规保护器中数据处理部分的复杂电路,有效地简化了常规三相电动机保护器的电路设计。实现对电动机缺相及时有效地保护,并给出部分硬件和软件的设计思想。

【关键词】ARM9;DF783A;缺相;电动机

0 引言

由于绝缘技术的发展,要求电机在设计上既要增加出力,又要减小自身体积;随着现代生产自动化程度的不断提高,对电机的运行要求越来越高,比如说运行在频繁的启动、制动、正反转以及变负荷等多种方式;另外由于电机的应用面很广,常常需要工作于极为恶劣的环境下,如潮湿、高温等。这些造成了现在的电机比过去更加容易受到损坏,其主要原因是电机缺相、过载、短路等。在没有保护装置的情况下,一旦电机出现这些故障,时间稍长,会烧毁电机。

目前使用的电机保护装置大多数是JDB系列保护器,而该系列综合保护器[3-6]大多是分立元件组成,属于非数字化设备且电路设计较为复杂。其普遍不能直接接入三相 380V 电源电路并对其电流信号进行直接的处理,而是需要将其转换成0-5V的低电压,对低电压进行相应的处理,然后送入处理器中进行保护参数的判断并给出相应的保护。其通常存在精度较低、自动化程度不高等缺点。针对上述现象,文中设计了一种通过DF783A芯片,需要对三相 380V 电源进行预处理的三相相位信号接入DF783A中进行缺相保护的判断,并将结果送入ARM9中,通过ARM9控制RS-485将结果送入控制中心的上位机上显示的电机缺相保护装置。

由于采用了通信模块,使得控制中心的人员能够实时监测电机的运行状态,一旦电机出现故障,第一时间能够停止电机运行,实时地保护电机。

1 系统的硬件设计

本系统选用ARM920T内核的16/32位嵌入式微处理器S3C2410[1]作为最小系统。系统通过来自DF783A的缺相报警信号及时触发继电器开关对电机[2]进行保护等,系统工作的同时还将各种数据通过RS-485通信传动至上位机实现集中监控系统的整个运转状态,方便了数据的统计管理。其整体设计的框图如图1所示。

图1 电机缺相保护装置系统结构图

1.1 S3C2410最小系统

S3C2410为本系统的核心部分,它内部集成有:1个支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏的LCD控制器;内部有8个内存块,每个内存块128MB共1GB,每个内存块都支持SDRAM自动刷新模式;NAND Flash控制器;3个通道的UART(串口),可以用来实现RS485通信; 8通道的10位ADC;触摸屏接口;4个通道的DMA;4个具有PWM功能的计数器和1个内部时钟;I2S总线接口;2个USB主机接口;1个USB设备接口;2个SPI接口;SD接口和MMC卡接口;看门狗计数器;11 7位通用I/O和24位外部中断源。

1.2 相位信号隔离电路与DF783A电路

DF783A是一种可用来检测三相电压的相序和缺相状态,发出缺相报警信号并对错误的相序进行自动调整。图2相位信号隔离电路中将三相380V电源接入L1、L2和L3,通过变压器降压及光电耦合器进行隔离,其输出端的三相相位信号从IN1、IN2和IN3输入,经过相位处理单元后产生相序检测信号。该检测信号在逻辑判断单元中与给定的输出相序选择信号进行比较,经过延时后,通过输出电路产生两路输出信号QA和QB,用以控制相序的调整;同时输入的三相相位信号经过缺相检测模块处理后,在逻辑判断单元中对电源是否缺相做出判断,并将引脚3的缺相报警输出信号ALM通过电平转换电路后接入S3C2410的GPF2引脚,通过S3C2410做出相应的处理,用来控制电源的开启与切断,达到缺相保护的目的。注意使用该芯片进行缺相判断时,缺相保护允许端口即图2中4引脚必须输入高电平。图2中工作状态指示模块的作用是输出一系列信号,其中 6引脚为输入电源正相序指示端,7引脚为输入电源逆相序指示端,15引脚为输出电源正相序指示端,16引脚为输出电源逆相序指示端,8引脚为延迟状态指示端。

图2 三相相位信号隔离电路及DF783A 电路

1.3 RS485通信电路

本系统还设有一个RS485转换接口电路,用来和上位机之间进行通讯,以便上位计算机能够实时监测电机运行状态,一旦电机缺相,既可以通过上位机进行切断电源进行电机保护,也可以通过键盘输入切断电源命令进行电机保护。具体电路设计如图3所示。

S3C2410中有3个UART,此处选用UART0 的 RxD0、TxD0,为了防止干扰,此处设计了光电隔离电路对两路信号进行了光电隔离,之后再连接至485芯片的RO、DI引脚,通过处理器的GPF1引脚来控制信号 R/D,此路信号同样需要经过光电隔离电路才能控制485芯片的发送器使能和接收器使能(DE和/RE)引脚。若GPF1信号为高电平,则485芯片的DE和/RE引脚为高电平,即发送器有效,而接收器禁止,此时S3C2410可以向RS-485总线发送数据字节;若GPF1信号为低电平,则485芯片的DE和/RE引脚为低电平,即发送器禁止,而接收器有效,此时S3C2410可以接收来自RS-485总线的数据字节。由此可知, 485R芯片中的接收器与发送器不能同时工作,只能有1个处于工作状态。

为了防止干扰,使用B0505S-1W器件可以给出与处理器电路完全隔离的一路电源输出, 用于向RS-485收发器电路提供+5V电源。

2 系统的软件设计

本装置用ADS集成开发环境来编写处理程序,为了以后更好地开发以及电机保护功能的齐全性的考虑,首先需要加载bootloader.bin文件,用来初始化硬件设备、建立内存空间映射图(主要是SDRAM、Flash与S3C2410之间的映射关系),从而将系统的软件及硬件环境带到一个合适的状态,为最终调用操作系统内核做好准备。主程序主要由以下几个部分组成。

(1)S3C2410上电复位运行后进行各种内存单元的初始化,设定其工作参数。实时接收GPF2引脚的信号,若该信号为高电平,则说明电机处于正常工作状态;若该信号为低电平,则说明此时电机缺相。

(2)与上位计算机之间进行通信,将送入处理器的电机缺相报警信号按照RS-485[9-10]总线标准送入上位计算机内,以便上位机进行实时监控管理,在串行口中断中实现。

主程序的设计框图如图4所示。

3 结束语

基于S3C2410处理器控制的电机缺相保护装置完全实现了电机缺相的实时监控,一旦出现电机缺相,即可以在远程上位机上操作进行缺相保护,也可以通过触摸屏上显示的缺相保护按钮进行电机保护操作。而且在此电路基础上,添加相应的数据处理电路还可以进一步实现过载保护、短路保护等。实验证明: 该保护装置性能可靠、维护简单,同时本装置中设有RS485接口,可以与上位计算机进行显示及控制。

【参考文献】

[1]丁金磊.基于ARM的电动机综合保护装置设计[D].南京理工大学,2008.

[2]DF783A三相相序控制与缺相检测电路[Z].2012.

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