基于ARM9的電機(jī)缺相保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

吳 琴 姚善化 杜 斌

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引言

由于絕緣技術(shù)的發(fā)展，要求電機(jī)在設(shè)計(jì)上既要增加出力，又要減小自身體積；隨著現(xiàn)代生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行要求越來越高，比如說運(yùn)行在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種方式；另外由于電機(jī)的應(yīng)用面很廣，常常需要工作于極為惡劣的環(huán)境下，如潮濕、高溫等。這些造成了現(xiàn)在的電機(jī)比過去更加容易受到損壞，其主要原因是電機(jī)缺相、過載、短路等。在沒有保護(hù)裝置的情況下，一旦電機(jī)出現(xiàn)這些故障，時(shí)間稍長，會(huì)燒毀電機(jī)。

目前使用的電機(jī)保護(hù)裝置大多數(shù)是JDB系列保護(hù)器，而該系列綜合保護(hù)器[3-6]大多是分立元件組成，屬于非數(shù)字化設(shè)備且電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。其普遍不能直接接入三相380V電源電路并對(duì)其電流信號(hào)進(jìn)行直接的處理，而是需要將其轉(zhuǎn)換成0-5V的低電壓，對(duì)低電壓進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后送入處理器中進(jìn)行保護(hù)參數(shù)的判斷并給出相應(yīng)的保護(hù)。其通常存在精度較低、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)。針對(duì)上述現(xiàn)象，文中設(shè)計(jì)了一種通過DF783A芯片，需要對(duì)三相 380V電源進(jìn)行預(yù)處理的三相相位信號(hào)接入DF783A中進(jìn)行缺相保護(hù)的判斷，并將結(jié)果送入ARM9中，通過ARM9控制RS-485將結(jié)果送入控制中心的上位機(jī)上顯示的電機(jī)缺相保護(hù)裝置。

由于采用了通信模塊，使得控制中心的人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦電機(jī)出現(xiàn)故障，第一時(shí)間能夠停止電機(jī)運(yùn)行，實(shí)時(shí)地保護(hù)電機(jī)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用ARM920T內(nèi)核的16/32位嵌入式微處理器S3C2410[1]作為最小系統(tǒng)。系統(tǒng)通過來自DF783A的缺相報(bào)警信號(hào)及時(shí)觸發(fā)繼電器開關(guān)對(duì)電機(jī)[2]進(jìn)行保護(hù)等，系統(tǒng)工作的同時(shí)還將各種數(shù)據(jù)通過RS-485通信傳動(dòng)至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，方便了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)管理。其整體設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。

1.1 S3C2410最小系統(tǒng)

S3C2410為本系統(tǒng)的核心部分，它內(nèi)部集成有：1個(gè)支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏的LCD控制器；內(nèi)部有8個(gè)內(nèi)存塊，每個(gè)內(nèi)存塊128MB共1GB，每個(gè)內(nèi)存塊都支持SDRAM自動(dòng)刷新模式；NAND Flash控制器；3個(gè)通道的UART(串口)，可以用來實(shí)現(xiàn)RS485通信；8通道的10位ADC；觸摸屏接口；4個(gè)通道的DMA；4個(gè)具有PWM功能的計(jì)數(shù)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘；I2S總線接口；2個(gè)USB主機(jī)接口；1個(gè)USB設(shè)備接口；2個(gè)SPI接口；SD接口和MMC卡接口；看門狗計(jì)數(shù)器；117位通用I/O和24位外部中斷源。

1.2 相位信號(hào)隔離電路與DF783A電路

DF783A是一種可用來檢測(cè)三相電壓的相序和缺相狀態(tài)，發(fā)出缺相報(bào)警信號(hào)并對(duì)錯(cuò)誤的相序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。圖2相位信號(hào)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(jìn)行隔離，其輸出端的三相相位信號(hào)從IN1、IN2和IN3輸入，經(jīng)過相位處理單元后產(chǎn)生相序檢測(cè)信號(hào)。該檢測(cè)信號(hào)在邏輯判斷單元中與給定的輸出相序選擇信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過延時(shí)后，通過輸出電路產(chǎn)生兩路輸出信號(hào)QA和QB，用以控制相序的調(diào)整；同時(shí)輸入的三相相位信號(hào)經(jīng)過缺相檢測(cè)模塊處理后，在邏輯判斷單元中對(duì)電源是否缺相做出判斷，并將引腳3的缺相報(bào)警輸出信號(hào)ALM通過電平轉(zhuǎn)換電路后接入S3C2410的GPF2引腳，通過S3C2410做出相應(yīng)的處理，用來控制電源的開啟與切斷，達(dá)到缺相保護(hù)的目的。注意使用該芯片進(jìn)行缺相判斷時(shí)，缺相保護(hù)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(tài)指示模塊的作用是輸出一系列信號(hào)，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(tài)指示端。

1.3 RS485通信電路

本系統(tǒng)還設(shè)有一個(gè)RS485轉(zhuǎn)換接口電路，用來和上位機(jī)之間進(jìn)行通訊，以便上位計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，一旦電機(jī)缺相，既可以通過上位機(jī)進(jìn)行切斷電源進(jìn)行電機(jī)保護(hù)，也可以通過鍵盤輸入切斷電源命令進(jìn)行電機(jī)保護(hù)。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

S3C2410中有 3個(gè)UART，此處選用 UART0的 RxD0、TxD0，為了防止干擾，此處設(shè)計(jì)了光電隔離電路對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)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(hào)R/D，此路信號(hào)同樣需要經(jīng)過光電隔離電路才能控制485芯片的發(fā)送器使能和接收器使能（DE和/RE）引腳。若GPF1信號(hào)為高電平，則485芯片的DE和/RE引腳為高電平，即發(fā)送器有效，而接收器禁止，此時(shí)S3C2410可以向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；若GPF1信號(hào)為低電平，則485芯片的DE和/RE引腳為低電平，即發(fā)送器禁止，而接收器有效，此時(shí)S3C2410可以接收來自RS-485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。由此可知，485R芯片中的接收器與發(fā)送器不能同時(shí)工作，只能有1個(gè)處于工作狀態(tài)。

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(fā)器電路提供+5V電源。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本裝置用ADS集成開發(fā)環(huán)境來編寫處理程序，為了以后更好地開發(fā)以及電機(jī)保護(hù)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(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖 （主要是SDRAM、Flash與S3C2410之間的映射關(guān)系），從而將系統(tǒng)的軟件及硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。主程序主要由以下幾個(gè)部分組成。

（1）S3C2410上電復(fù)位運(yùn)行后進(jìn)行各種內(nèi)存單元的初始化，設(shè)定其工作參數(shù)。實(shí)時(shí)接收GPF2引腳的信號(hào)，若該信號(hào)為高電平，則說明電機(jī)處于正常工作狀態(tài)；若該信號(hào)為低電平，則說明此時(shí)電機(jī)缺相。

（2）與上位計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，將送入處理器的電機(jī)缺相報(bào)警信號(hào)按照RS-485[9-10]總線標(biāo)準(zhǔn)送入上位計(jì)算機(jī)內(nèi)，以便上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，在串行口中斷中實(shí)現(xiàn)。

主程序的設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

3 結(jié)束語

基于S3C2410處理器控制的電機(jī)缺相保護(hù)裝置完全實(shí)現(xiàn)了電機(jī)缺相的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)電機(jī)缺相，即可以在遠(yuǎn)程上位機(jī)上操作進(jìn)行缺相保護(hù)，也可以通過觸摸屏上顯示的缺相保護(hù)按鈕進(jìn)行電機(jī)保護(hù)操作。而且在此電路基礎(chǔ)上，添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理電路還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、短路保護(hù)等。實(shí)驗(yàn)證明：該保護(hù)裝置性能可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單，同時(shí)本裝置中設(shè)有RS485接口，可以與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示及控制。

［1］丁金磊.基于ARM的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2008.

［2］DF783A三相相序控制與缺相檢測(cè)電路[Z].2012.