關鍵詞： AVR； ProfiBUS-DP； 電動機； 控制； 保護
電動機是工農業生產中最廣泛應用的動力設備，國內每年因電動機過載、短路、堵轉、缺相、漏電、三相不均衡、起動時間過長、欠壓、過壓等故障，造成數十萬臺電動機損壞，經濟損失巨大，甚至引發重大安全事故, 因而做好電動機的保護十分重要。當前電動機保護一般采用熱繼電器、低壓斷路器、熔斷器等作為保護裝置[1]，該類保護裝置功能單一、能耗大、性能差，并且不具備聯網能力。隨著自動化程度的提高,工業網絡的廣泛應用，不僅對電動機的控制保護裝置功能有著很高的要求,而且要求具有很強的通信功能,因此智能化、網絡化、功能多樣化、小型化、模塊化的電動機控制和保護裝置具有極大的發展和應用空間，能夠適應保護的可靠性、監控的實時性要求。
本文采用AVR Atmega64高性能單片機作為控制核心，設計具有ProfiBUS-DP現場總線的電動機智能控制和保護裝置，實現對電動機的起動、停止、制動、Y-△起動、遠地、近地等控制，并能實現電動機的過載、短路、缺相、漏電、三相不均衡、相序、欠電壓、過電壓等保護，具有聲音報警、故障記憶、電流、電壓顯示等功能。該裝置適合工業現場環境需要、性能可靠、性價比高，方便現場設備之間以及與監控計算機的信息交換，滿足企業綜合自動化的需要。
1 工作原理
電動機智能控制和保護裝置工作原理簡圖如圖1所示。裝置由控制單片機，電動機參數采集、分析、計算電路，ProfiBUS-DP協議電路、其他外圍輸入輸出電路構成。由于電動機運行參數多，處理復雜，為了減輕控制單片機的負擔，采用單獨智能芯片實時分析、處理電動機的運行參數。
三相電動機的電壓、電流信號經過互感器變換為采集電路規定范圍數值，參數采集、分析、計算電路對采集參數進行分析計算，得到電路的三相電流、電壓等參數值，并傳送給高速控制單片機，控制單片機按照預定參數值判斷電動機的工作狀態，同時將工作狀態參數實時存儲，當發生過載、短路、缺相、漏電、不均衡、相序錯、欠電壓、過電壓等故障時，控制單片機按照故障判斷規則送出相應的控制和指示信號到外圍電路，實現電動機的停止、制動，發出聲光報警信號，送出故障代碼，使電動機得到有效保護。通過按鍵輸入電路能夠設置電動機的工作參數、保護參數和通信設置參數，電動機控制輸入電路可以近地直接起動、停止、制動、 Y-△起動電動機，輸出電路實現保護信號、控制信號放大和執行。工作參數、保護參數、控制信號通過ProfiBUS-DP電路、現場總線與遠端監控計算機實現信息交互，并能夠實現電動機的遠程控制。
2 硬件設計
為適應高速數據處理和網絡通信的需要，裝置以ATmega64為控制單片機。ATmega64單片機采用Harvard結構，具有單周期的RISC指令系統，內部具有硬件乘法電路，數據處理速度快;I/O端口可直接驅動較大電流負載;具有讀、寫及地址所存允許控制引腳，方便擴展和使用外部接口、外部存儲空間；支持在線編程（ISP）及在線應用編程（IAP），方便現場修改和調試程序；具有支持主從機模式的SPI串行通信接口，可以方便連接主機/從機模式的串行通信單元[2]。為滿足通信和數據高速處理的需要，單片機采用16 MHz晶振。
2.1 ProfiBUS-DP通信電路設計
ProfiBUS是由SIEMENS等公司組織開發的現場總線標準，協議由ProfiBUS-DP、ProfiBUS-PA、ProfiBUS-FMS 3個兼容部分組成。其中，ProfiBUS-DP協議結構特別適用于傳感器和執行器級的高速數據傳輸[3]，本裝置采用ProfiBUS-DP協議結構，由ProfiBUS-DP協議芯片SPC3、地址設定電路構成Atmega64型控制單片機網絡通信接口，從而可實現控制保護裝置與上位控制計算機的遠程通信，簡化了控制系統結構。其電路如圖2所示。
SPC3是SIEMENS公司的ProfiBUS-DP通信協議芯片，該芯片集成了全部ProfiBUS-DP協議，SPC3的控制核心是內部微序列器，它控制整個SPC3的工作過程。SPC3能自動識別總線的9.6 Kb/s~12 Mb/s通信波特率，通過內部1.5 KB的雙端口RAM實現與總線的通信，控制單片機通過11位地址總線、8位數據線直接訪問SPC3內部雙口RAM[4]。SPC3通信前，需要控制單片機按照規則對SPC3內部的寄存器、數據區進行初始化，之后SPC3自動與總線進行通信。采用SPC3通信協議芯片減輕了控制單片機的數據處理壓力，SPC3為ProfiBUS智能節點設計提供了廉價、方便的配置方案。
ProfiBUS-DP通信物理層采用RS485標準。為了提高系統的抗干擾性能，SPC3內部電路與通信總線采用高速光電耦合器進行電氣隔離[5],再通過RS485驅動器、物理接口與ProfiBUS-DP總線連接。另外,電源也要采用隔離措施，可以采用隔離變壓器或DC-DC變換模塊實現。裝置的地址由撥碼開關設定，并通過總線收發器74HC245傳送給控制單片機。
2.2 電動機參數采集、分析及計算電路設計
該部分電路主要由專用電能計量芯片ATT7028A、電路互感器、電壓互感器組成，此芯片與控制單片機及其他電路接口簡單,使用方便,其電路如圖3所示。為了減輕控制單片機的負擔，加快單片機處理其他問題的速度，電動機的三相電流、三相電壓參數經過互感器傳送給ATT7028A，由ATT7028A對模擬量進行A/D變換，對參數進行采集、分析、計算，獲得電動機的三相電流、三相電壓、相序等參數，之后將數據處理結果傳送給控制單片機，按預定規則判斷電動機運行情況。
ATT7028A芯片由6通道16位模/數轉換、數字信號處理、通信等部分構成[6]。電流、電壓信號經過互感器輸入,各通道存在增益、相位方面的誤差，ATT7028按照預定校正數據對誤差進行校正，各路模數轉換信號經過運算電路處理后，得到24位的參數輸出，電流、電壓有效值精度優于0.5 %，非線性測量誤差低于0.1 %。由ATT7028A測量的三相電壓、三相電流、相序信號經過串行通信接口SPI傳送給控制單片機，誤差校正數據也通過串行通信接口由控制單片機傳送給ATT7028A。
2.3 單片機其他外圍輸入輸出電路設計
除總線接口電路、參數采集與處理電路外，控制單片機還有功能按鍵輸入、電機運行狀態輸入、電動機控制輸出、蜂鳴器輸出、LCD輸出、信號燈輸出、編程接口等其他輸入、輸出電路，如圖4所示。
Atmega64型單片機接口內部具有可編程上拉電阻，按鍵輸入電路可不用外部上拉電阻；功能選擇按鍵用于裝置的功能與參數設定，由功能選擇、參數加/減調整、確定、取消5個按鍵構成。另外，利用功能選擇鍵可以設定電動機的遠控/近控、起動等狀態。電機運行狀態由起動、停止、制動3個輸入按鍵實現對電機的手工近地控制，方便系統調試和運行。Atmega64型單片機I/O口驅動能力很強，采用端口直接驅動光電耦合器發光二極管負載。而且I/O端口也可接上拉電阻，以提高單片機端口驅動能力，電機控制輸出電路實現電動機的起動、制動、Y-△起動等控制輸出。蜂鳴器、信號燈對電機運行狀態進行聲光指示，顯示部分采用1602B字符型液晶顯示模塊，顯示設置參數、采集參數、功能代碼、故障代碼等，液晶模塊采用半字節分2次傳送8位顯示參數，以便節省單片機I/O口資源。
3 電機故障參數處理原則
過載、堵轉、三相短路、起動時間過長等都屬于對稱故障，其特點是三相電流對稱、出現過電流。過電流大小反映了故障的嚴重程度，采用過電流程度來判斷此類故障。過載故障電流在(1.5～5)IN之間，采用反時限跳閘方式保護；堵轉故障電流在(5～7)IN之間，采用短時限跳閘保護；短路故障電流在(8～10)IN之間，采用速斷時跳閘保護；過載、堵轉、短路保護應躲過電動機起動電流，防止電機起動時跳閘，但是當電機起動時間超過規定時間后，應當跳閘保護[7]。
斷相、相間短路、匝間短路、三相不平衡運行、漏電等故障屬于不對稱故障，可采用對稱分量法進行數據處理。該類故障的特點是三相電流不對稱，出現負序電流分量、零序電流分量。采用負序電流分量、零序電流分量作為判別標準，根據負序電流分量、零序電流分量大小采用短時限跳閘或速斷保護。
相序保護是防止因電機反轉而損壞設備的一種保護，利用微處理器通過判斷三相電流的相序是否正常來實現，當A相電流正向過零時, C相電流應大于零，則相序正確，否則相序錯。本裝置中采用ATT7028A專用芯片直接判斷相序，而后送控制單片機處理。
電網電壓影響電動機的電磁轉矩,電網電壓變化時,電動機的電磁轉矩相應發生變化，影響定子電流的變化，導致電動機工作不正常。電網電壓降低時，電磁轉矩下降，定子電流增加，容易燒壞繞組，或引起電機起動困難，應采用欠壓保護；當電網電壓在一定時限內低于整定值時，則進行斷電保護。電網電壓過高，易造成電機絕緣損壞，縮短電機壽命，應采用過電壓保護；當電網電壓在一定時限內高于整定值，則應斷電保護。
4 系統軟件設計
控制系統軟件由初始化程序、鍵盤處理程序、參數設定程序、加載參數初始值程序、SPC3芯片參數修改程序、ATT7028A芯片參數修改程序、數據采集程序、數據處理程序、中斷服務程序、通信程序、報警程序等構成。系統流程如圖5所示。
編制程序時設定參數默認初始值，裝置初次工作或選擇恢復出廠設置功能時，自動加載參數初始值，可通過功能按鍵根據被控制對象及實際要求修改電動機保護參數設定值，由控制單片機實現對ATT7028A芯片、SPC3芯片參數按要求修改；控制單片機從ATT7028A芯片獲得電動機運行數據、并按照預定規則進行數據處理，顯示選定參數，同時判斷電動機是否存在故障，有故障則發出聲光報警信號，產生相應的電動機控制信號；無故障則電動機按預定指令正常運行。控制單片機通過SPC3芯片實現與其他ProfiBUS總線設備進行數據交換。
本文介紹的電動機智能控制和保護裝置,采用Atmega64型高性能單片機為主控制芯片,以專用電能計量芯片ATT7028A實現電動機參數的采集，以ProfiBUS協議芯片SPC3實現裝置的聯網通信，同時結合其他輸入、輸出電路，實現對電動機的智能控制和保護，裝置設計簡潔、性價比高、功能強，便于組網，適合企業綜合自動化的需要，有利于提高企業的自動化水平，具有良好的市場應用價值。
參考文獻
[1] 黃世澤,郭勤學. 基于PIC16F716微處理器標準型電動機保護器的設計[J].低壓電器，2006(11):26-29.
[2] 劉成俊,王善永,周勁鷹. ProfiBUS-DP智能從站通信接口的研究和設計[J].工業控制計算機,2007(1):11-12.
[3] Atmel Corp. .Atmega64(L) manual[Z]. 2003.
[4] SIEMENS Corp. .SPC3 hardware description[Z]. 2003.
[5] 珠海炬力集成電路設計有限公司. ATT7028A用戶手冊[Z]. 2005.
[6] 李正軍.現場總線與工業以太網及其應用系統設計[M].北京:人民郵電出版社，2006：102-132.
[7] 李宏任. 實用繼電保護[M]. 北京：機械工業出版社，2002.