基于ARM7的三相电机智能保护器设计

摘要

由于电网、负载及电机本身的种种原因使三相电机经常发生损坏现象，造成巨大经济损失，因此，电机的可靠保护就成了人们长期以来一直关注的问题。

本论文介绍了一种基于LPC2131的电机智能保护监测系统，提出了三相电机在发生漏电、断路、短路、缺相、堵转、电流不平衡等常见故障时的判据，并给出了硬件和软件设计思想。

其基本思想为采用电流互感器将电机转子中的电流感应出来，经过I/V变换，将电压信号送入AD进行采样，LPC2131对数据分析处理后进行相应动作。本保护器采用抽屉式结构，减小了体积；软件上采用交流采样，提高了测量的准确度，还能测量动态交流电量。与现有的电机保护器相比较，增加了一片实时时钟芯片，可以有效记录电机发生故障的时间，便于维修处理。而且本设计还可实时显示当前电机各相中的电流，相电压等。本保护器还增加了一个RS485通讯模块，可多台保护器挂在RS485总线上，由上位机进行控制。考虑到保护器工作的恶劣环境，我们在进行系统硬件和软件设计时均采取了许多必要的抗干扰措施，有效的提高了保护器的可靠性。

关键词 ARM7；故障监测；交流采样法；电机保护

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The Design of Intelligent Protection and Control

Instrument For Motor Based on ARM7

Abstract

Due to the causes of power net、loads and itself, the three-phase motor often leads to damage. It brings great loss in economy. So the protection of motor is the issue which people pay close attention to for a long time.

This thesis presents an intelligent monitoring protection system which is based on LPC2131 for use with motors as well as shows some breakdown judgements on the motor breakdown phenomena such as leak electricity of motor, the deficiency, the short circuit and imbalance of three phases current. The design idea on both hardware and software is also given.

The elementary idea is that adopting current mutual inductance instruments induce current from motor’s rotors. Then send the current signal to I/V conversion circuit. The LPC2131’s A/D conversion will sampling the sine voltage signal. After calculating and analyzing the sampled data, the LPC2131 will act in correspondence. The protection instrument is designed as a kind of drawer structure, decreased its bulk. Moreover, this protection instrument can display current、voltage of the motor’s three-phase. We increase a RS485 communication module. Multi-instruments can hang over the RS485 bus. They are controlled by host computer. Considering the execrable environment the protection instrument worked, we adopt many indispensable anti_jamming measures when we design hardware and software of this system. These measures improve the reliability of the protection instrument for motor effectively.

Keywords ARM7; Monitor for Breakdown ; The Method of AC Sample Motor Protection

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目录

摘要 ........................................................... I Abstract .............................................................................................................. II

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 概述 ..................................................... 1 1.2 电机保护技术的历史、现状与发展方向 ....................... 1 1.2.1 电机保护技术历史与现状 ................................................................ 1 1.2.2 电机保护技术的发展方向 ................................................................ 2 1.3 本论文的工作 ............................................. 3 第2章 电机常见故障与保护原理 .................................................................... 4 2.1 电机常见故障及其特性参数 ................................. 4 2.2 电机保护原理 ............................................. 5 2.2.1 电机的启动特性曲线和启动过程的保护 ........................................ 5 2.2.2 反时限特性曲线和过电流保护 ........................................................ 6 2.3 本章小结 ................................................. 7 第3章 智能电机保护器的硬件设计 ................................................................ 8 3.1 系统结构框图 ............................................. 8 3.2 微处理器的选择 ........................................... 8 3.2.1 微处理器的选择依据 ........................................................................ 8 3.2.2 LPC2131的性能特点 ......................................................................... 9 3.2.3 LPC2131的结构框图 ......................................................................... 9 3.3 电源模块的设计 .......................................... 10 3.4 信号采集与转换 .......................................... 11 3.4.1 信号采集电路部分设计 .................................................................. 11 3.4.2 I/V变换电路 ..................................................................................... 12 3.4.3 AD转换器 ........................................................................................ 13 3.5 时钟日历芯片选择 ........................................ 15 3.5.1 概述 .................................................................................................. 15 3.5.2 特性 .................................................................................................. 15 3.5.3 内部RTC结构框图 ........................................................................ 16 3.6 系统显示模块设计 ........................................ 16 3.6.1 液晶显示模块的特点 ...................................................................... 17 3.6.2 用户指令集 ...................................................................................... 17 3.6.3 字符显示 .......................................................................................... 19

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3.6.4 接口方式与时序 .............................................................................. 20 3.7 数据存储模块设计 ........................................ 20 3.7.1 概述 .................................................................................................. 20 3.7.2 X5045与LPC2131接口 .................................................................. 21 3.7.3 X5045的操作时序 ........................................................................... 21 3.8 远程通讯模块的设计 ...................................... 22 3.9 漏电及相序检测模块 ...................................... 23 3.10 本章小结 ............................................... 24 第4章 智能电机保护器的软件设计 .............................................................. 25 4.1 概述 .................................................... 25 4.2 单片机软件设计 .......................................... 25 4.2.1 总体设计 .......................................................................................... 25 4.2.2 主程序框图 ...................................................................................... 26 4.2.3 交流采样算法 .................................................................................. 26 4.2.4 故障判别子程序框图 ...................................................................... 28 4.2.5 显示模块程序设计 .......................................................................... 29 4.2.6 A/D采样子程序设计 ....................................................................... 30 4.2.7 数据存储模块程序设计 .................................................................. 31 4.2.8 本章小结 .......................................................................................... 31 第5章 系统抗干扰设计 .................................................................................. 32 5.1 抗干扰设计必要性 ........................................ 32 5.2 硬件抗干扰措施 .......................................... 32 5.2.1 去耦电路 .......................................................................................... 32 5.2.2 地线设计 .......................................................................................... 33 5.2.3 布线设计 .......................................................................................... 33 5.3 软件抗干扰措施 .......................................... 33 5.4 本章小结 ................................................ 34 结论 .................................................................................................................... 35 致谢 .................................................................................................................... 36 参考文献 ............................................................................................................ 37 附录A 智能电机保护控制器电路原理图 ...................................................... 38 附录B 电机保护器源程序 .............................................................................. 40 附录C 英文原文 .............................................................................................. 46 附录D 中文翻译 .............................................................................................. 55

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第1章 绪论

1.1 概述

电机是将电能转化为机械能的装置，在国民经济中起着十分重要的作用，电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等都离不开电机。据不完全统计，全国使用的中型电机大约有2000万台,每年烧毁的电机约占16%，约320万台，平均每台的维修费用1000元，总费用为32亿元左右。另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。因此有必要为电机设计专门的保护装置。

在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有的控制装置中安装，推广难度大；要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，目前广泛使用不带CPU 的集成电路制作的电机故障检测仪，虽然可判断电流超限、缺相等故障，但无智能判断，只能简单地以电流超限为判据，而实际使电机发生故障是电流的时间和环境温度的函数，同时也不能对故障情况存储记录和数据显示，另外，仪器没有适时运行参数显示功能，设定的参数与实际运行的参数无法对照，不能根据实际负荷情况设定电流，因此使用时既不准确可靠、又不直观方便，很不利于故障的排除，导致现场经常放弃使用这类保护。为避免影响生产，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能监测电机保护器十分必要。随着电子和微机技术的普及和应用，用单片机设计电动机保护装置已经成为可能。为此，我们经过详细分析电机的各种工作状态和故障情况，并根据较高的性价比设计了基于ARM的三相电机智能保护器。

该保护器器件少、运行可靠，能够及时检测到电机运行时的短路、断相、过流、过载、三相不平衡等故障，并能根据故障的类型在不同的时间内给出响应信号，同时能记录下故障发生的时间以备维修参考。

1.2 电机保护技术的历史、现状与发展方向

1.2.1 电机保护技术历史与现状

电机保护控制技术是随着近代工业化的发展而发展起来的。早期的电机保护技术主要是运用热继电器、定时继电器、行程开关等模拟控制器件来实现的。这些模拟控制器件组成的常规控制系统具有可靠性高、易于维护操作等优点，得到了广泛应用。 但随着工业生产向大型化、复杂化方向

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发展，生产过程自动化程度要求越来越高，常规控制系统的局限也越来越突出，其主要表现为：连线复杂、体积大、功耗高、工作速度慢、延时和控制精度低、设计施工周期长、修改困难，尤其对模拟量难于进行数字处理，在很多领域的使用受到了。

随着现代电子工业，尤其是微电子行业的发展，超大规模集成电路的出现，以及数字电子技术的飞速进步，使得在工业测控领域应用数字技术来处理模拟模拟数据，现代控制算法取代经典控制算法成为了可能。采用新技术，新工艺来解决老问题成为目前人们正在考虑的问题。

目前的电机保护技术正趋于使用单片机技术以实现其智能化，模块化，集成化。

1.2.2 电机保护技术的发展方向

1.电机保护系统的智能化 在现代控制系统中，实现智能化一般有两个途径：一是使用工业控制机；二是使用微处理、控制器。前者虽然处理数据能力强大，但是价格较高；而后者功能适中，价格低廉，完全能够适应工业测控场合的要求。所谓智能化，即是设计者按照设计的功能要求在单片机中编写一定程序，从而达到“智能” ，同时减少了硬件电路，降低了成本，增强了可靠性。

2.电机保护系统的模块化 随着计算机技术、微电子技术和智能传感器技术的发展，新型的智能外围器件层出不穷。这种新型的外围器件具有功耗低、接口简单、可靠性好、精度和性价比高等优点，越来越成为设计者们的首选。这使得传感器等外围器件的组合越来越容易，设计者们越来越注重功能模块的设计。模块化的设计具有开发周期短、可靠性高、互换性好、升级简单、维护方便等优点。

3.电机保护系统的远程化 由于工业测控环境恶劣，工作人员无法长时间处在该环境下，因此进行远距离控制尤有必要。保护系统把从工业现场采集的数据通过总线方式传送给处理器处理，处理器的指令也通过总线传达给现场测控装置，从而免去了工作人员现场操作的危险性。常用的总线传送方式由RS485总线和CAN总线等。

总之，传统的电子测试仪器已从模拟技术向数字技术发展；从单台仪器向多功能仪器的组合及系统型发展；从完全由硬件控制向软件硬件结合控制发展；从现场作业向远程操控发展。未来的仪器要向体积更小、功能更强，具备自诊断、自校准、自感知方向发展。

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1.3 本论文的工作

1. 设计了一种基于ARM7的三相电机智能保护器（该仪器具备数据采集、数据处理、数据显示、输出控制和时间记录等功能）。

2. 利用电流互感器直接采集三相电机各相中的电流，测量准确，响应快速。

3. 在软件和硬件设计中均考虑了工业现场使用的环境恶劣性，充分考虑了整个系统的抗干扰能力设计，可靠性好。

4. 系统LPC2131芯片集成了看门狗、A/D，电路PCB板采用抽屉式结构设计，有效减小了系统体积，可应用于尺寸的场合。

5. 系统中采用了内部实时时钟芯片，可把电机故障发生的时间记录下来，以备工作人员参考。

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第2章 电机常见故障与保护原理

2.1 电机常见故障及其特性参数

电机在运行过程中，最常见的故障有以下几种：

1.电机堵转 由于某些原因（如负载过重、电机卡轴等）造成电机在启动情况下无法转动，此时的定子电流为额定电流的7~8倍，它可在短时间内烧毁电机。

堵转特性参数值 = IdzIe Idz——电机堵转电流 Ie——电机额定电流 该参数通常设定为4。

2.电机过电流运行 主要是由于电机负载大于额定负载引起,使得电机的运行电流大于额定电流。如时间过长,电机定子线圈温度过高,同样使电机烧毁。其严重程度取决于过电流程度,其判据见下文过流保护部分。

3.电机缺相运行 电机在运行过程中,三相电中缺少一相,最终同样要烧毁电机。

II断相特性参数值 = maxmid

2IminImax——电机三相电流中最大值 Imid——电机三相电流中中间值 Imin——电机三相电流中最小值 该参数通常设定为6。

4.三相不平衡 电机三相运行电流中出现电流不平衡现象,其中最大的一相电流会超过额定电流以值,长时间严重不平衡时会造成电机某相绕组线圈烧毁。

IImin 不平衡度 = (max)％

ImaxImax——电机三相电流中最大值 Imin——电机三相电流中最小值 该参数通常设定为0.3。

5.电机过电压运行 在电网电压超过额定电压的情况下,电机长时间运行会引起线圈过热而烧毁电机。通常当电网电压超过额定电压的20%时被视为过压。

从以上几种故障可看出,电机堵转故障最为严重。其中电机堵转故障和电机过电流运行故障是同一种类型;电机缺相运行和三相不平衡是同一种类

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型,区别在于严重程度不一样。电机过电流的极限就是堵转;而三相不平衡的极限就是缺相[2]。

2.2 电机保护原理

三相异步电机的故障大部分是机械故障和电气故障，而机械故障与电气故障是有一定联系的，往往一些机械故障反映到电气故障方面去。因此文中提到的电机保护技术主要是针对电气故障。

对交流异步电机保护的难点在于：一是电机的启动过程如何进行有效的故障判断及保护；二是如何给予电机过电流故障合理的差别依据及抗干扰处理。下面着重介绍电机启动过程中所出现的故障及过流故障判断的干扰处理。

2.2.1 电机的启动特性曲线和启动过程的保护

电机启动特性曲线如图2-1中的实线曲线，电机启动的瞬间,启动电流非常大,高达电机额定电流的7~8倍。但随着电机的转速增大，电流逐步减小，在额定负荷下，启动电流最终稳定在额定电流上，这一过程称为电机的启动过程。在上述启动过程中我们可以看出，在电机启动的瞬间，电机实际上处于堵转运行状态，而此后的过程中电机一直处于过电流运行状态，但这过程是必须经过的，是正常现象。如采用常规方法进行堵转、过流故障检测，则必然会产生误判断，造成电机无法启动[3]。

t 启动曲线

上移后的曲线

0 1234567Iq/Ie

Iq-启动电流Ie-额定电流

图2-1 电机启动特性曲线

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传统电机保护器采用“延时法”以便避开启动过程。在电机启动初期，保护器作适当延时，延时时间大于启动时间，在延时过程中，保护器不作任何检测，以便跳开启动过程，延时结束后再进入正常检测状态，如目前市场上的晶体管保护器就是采用这种方法。这里有这样一个问题,如果在启动过程中就已经出现堵转、不正常过电流等故障时怎么办？很显然，这种方法在启动期间已失去保护作用,不能进行有效的保护。为了进一步提高保护器的实用性, 我们是采用“启动特性曲线上移法”来解决这个问题的。

每个电机都有一个正常最大启动电流，电机启动电流是一条随时间变化的曲线，如图2-1中的实线部分，如果将电机启动特性曲线进行适当的上移，如图2-1中的虚线部分，上移的目的是增强抗干扰能力，因为电机在启动时会出现正常的波动，通过保护器中的高速A/D 转换器不断地检测电机三相电流，通过运算和比较，按上移后的曲线实时跟踪启动过程，正常启动时电机启动电流在图2-1中实线曲线附近运行的，一旦启动电流在某一段时间内连续超出上移后曲线所规定的电流，我们就认为出现了不正常启动(如堵转、异常性过电流等) 。这样既然能进行正常的启动，又能随时监测故障，大大的提高了对电机的保护能力。这是微机控制电机保护器得天独厚的优势，是传统老式保护器无法比拟的。

在使用电机保护器时一定要按照电机名牌上的额定电流准确输入，这是各种故障判断的基础，关系到能否可靠地对电机进行有效保护！

2.2.2 反时限特性曲线和过电流保护

在过流保护中传统的方法是使用定值判断保。定值判断保就是根据不同的电机将过流保护域值设定为定值，一旦运行电流超过该保护域值就视为出现过电流故障，但是如遇到电网电压波动、电机负载正常值的上下波动及电脉冲干扰等情况，容易发生误保护，要消除误保护，就必须增大保护域值，这必然会降低过流保护灵敏度，降低保护性能。

为了进一步提高过电流保护性能，我们采用了反时限特性保。它是依据启动特性曲线，按时间轴反向计算，计算各过电流下的时间延时值，它是一个阶梯图，具体操作见图2-2。

由图2-2可知，在不同过电流情况下采用不同的时间延时，针对过电流的程度分别对待，这实质上是一个变域值判断法。同时我们可以看出，当电网或负载出现波动引起电机过电流时，此时保护器也在随时调整域值，因电机过流现象是一个持续过程，而干扰电脉冲的宽度通常都很窄，所以脉冲干扰根本就不能使保护器出现误动作，大大提高了保护器的抗干扰能力[3]。

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t/S 1800 900 109 87 6

过电流动作区

3210.51.01.11.201.52.02.53.03..0Iy/IeIy/Ie-为电机运行电流于额定电流之比

图2-2 过电流反时限阶梯图

2.3 本章小结

本章主要介绍了电机常见故障的类型和判据，着重分析了电机启动时的保护方法，提出了一种新的对电机过电流故障的反时限保

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第3章 智能电机保护器的硬件设计

3.1 系统结构框图

在本系统中，传感器件为精密电流互感器，它把大电流转换为小电流，经I/V变换后送入ADC，ADC 把检测到的模拟信号转换为数字信号，单片机根据信号的大小在液晶显示器上实时显示电机三相中的电流大小，并根据程序或者用户设定参数对数据进行分析处理后作出相应动作。参数的选择是通过键盘的配合对液晶显示器的菜单选择实现的。选择好的参数放到 X5045的E2PROM中，在开机时调出，开机后可进行修正。同时控制器预留 RS485 标准串行接口，以方便以后扩展。整个硬件设计框图如图3－1所示。下面分别就本控制器所采用的硬件和硬件电路设计进行介绍。

键盘液晶显示电源电源模块驱动电路MCULPC2131光电隔离可控硅输出I/V变换ADC外部信号电流互感器RS485标准串口X5045图3-1 系统结构框图

3.2 微处理器的选择

3.2.1 微处理器的选择依据

由于微处理器以其高可靠性、高性价比、集成度高、价格低廉等一系列优点，单片机技术的出现给工业测控领域带来了一次新的技术，它已成为计算机技术的一个独特分支。

目前，在普遍应用的主要有8位、16位、32位三种类型的单片机。8位的单片机出现多年，虽然其技术已经相当成熟，而且仍然是当前市场的主流机型。在对数据处理的速度和数据量要求不高的场合，使用8位单片机可以获得很高的性价比。由于本系统对数据的处理能力有较高要求，所以不选用8位单片机。

为了兼顾处理速度和性价比，系统选用PHILIPIS公司的LPC2131处理器。当然，微处理器的种类是很多的，如EM系列、PIC系列、Motorola系

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列、Intel系列等。Motorola公司的8位机单片机MC6805虽有低价、高速等优点，但在国内开发装置没有Intel普及，且开发装置价格较高。PIC系列的单片机虽有低功耗，内含看门狗电路等优点，在家电产品中应用广泛，但其常用芯片无数据总线，很难扩展一个具有显示、存储、按键等外围器件的较强功能的应用系统。而Philipis公司生产的LPC2131以其优越的性能、成熟的技术、强大的功能、低廉的价格、产量大、齐全的品种，且开发装置齐全，价格较低，体积小，开发工具易操作等优点。所以本系统中选用了Philipis公司LPC2131，因为它特别适合于大批量的产品开发的研制[3]。

3.2.2 LPC2131的性能特点

1. 116/32位ARM7 TDMI-S核，超小LQFP封装，低功耗 2. 内置8KB的SRAM，32KB高速FLASH存储器 3. 128位宽度的存储器接口和独特的加速结构

4. 2个32位定时器/外部事件计数器（带四路捕获和四路比较通道） 5. 低功耗实时时钟具有的电源和特定的32KHz钟输入 6. 1个8路10位AD转换器 7. 多个串行接口

8. 低功耗模式：空闲和掉电

9. 通过片内PLL可实现最大为60MHZ的CPU操作频率 10. 片内震荡器与外部晶体的操作频率范围为1~30MHz 11. 通过外部中断或BOD将处理器从掉电模式中唤醒 12. 47 个GPIO以及9个边沿或电平触发的外部中断 13. 单电源，具有上电复位和掉电检测电路 14. CPU操作电压范围：3.0~3.6V(3.3±10%),I/O口可承受5V的电压 15. 具有I2C接口和SPI/SSP接口输出[1]

3.2.3 LPC2131的结构框图

LPC2131集实时时钟,看门狗定时器,10位AD转换器于一体,具有处理速度快,运算精度高的特点.在性能及性价比上是其它类型单片机所不能比拟的.

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图3-2 LPC2131内部框图

3.3 电源模块的设计

任何电子系统能否可靠稳定的工作，电源的设计是非常重要的。本系统采用单一的3.3V和5v电源，因此电源设计比较简单。在本系统中，电源模块主要有两个用途：一是给LPC2131系统提供稳定的直流电压；二是提供+5V电压给I/V变换电路中的运算放大器；

电源模块的原理图如图3-3所示。该电路由变压器T1、桥式整流器

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D1、D2、滤波电容及集成稳压块7805、78L05组成。其工作原理为220V交流电经过双路变压器降压后分别为D1、D2提供7.5V/300mA、7.5V/70mA的输入电压，整流后输入给7805、SPX1117M3-3.3模块产生+5V、+3.3V电压。SPX1117M3-3.3是Sipex公司生产的LDO芯片,其特点是输出电流大,输出电压精度高,稳定性高. SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA,输出电压精度在1%以内,还有电流和热保护功能.使用时,其输出端通常需要一个至少10uF的电容来改善瞬态响应和稳定性。RS485总线电源与供电电源分开,使用单独的5v电源供电。LPC2131采用光耦跟RS485总线进行通信.

电感L1用于抑制瞬态电流,经电容滤波后送至SPX1117M3-3.3。

LPC2131具有的模拟电源引脚VDDA,VSSA,为了降低噪声和出错几率,模拟

电源和数字电源应该隔离.图中,L2,L3就是用于电源隔离的元件[1].

+78L05RS485模块电源+1000uF0.1uF100uF7805+5V供电器件0.1uF2uHL14.7uF0.1uF4.7uFL310uHVSSA0.1uF+L2V3.3ASPX1117VDD3.3M3-3.3+10uH0.1uF0.1uF+0.1uFAC220V

图3-3 电源模块电路图

3.4 信号采集与转换

3.4.1 信号采集电路部分设计

本系统是采用检测三相电机各相电流的大小来判断电机运行过程中的

各种故障情况。但是电机的运行电流太大，不能直接检测，因此我们选取了精密电流互感器来作为传感器检测电机三相电流。

电流互感器又称为仪用互感器，从基本结构和工作原理来说，它是一种特殊变压器，主要用来扩大测量电流的量程。其基本原理图如图3-4所示。初级绕组匝数很少（只有一匝或几匝），它串联在被测回路当中；次级绕组匝数较多，它与安培计或其他仪表串联形成一个闭合回路。

根据变压器原理可知：

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I1N1I2N2

N1 I1NI2KI2

2式中N1、N2—电流互感器初级和次级绕组的匝数； K—电流互感器的变流比。

R I1AI NN初次 ACA级级

B2 L2112图3-4 电流互感器原理图

因为N2>N1，所以K=N2/N1>1，可见利用电流互感器可以将大电流变换为

小电流。安培计的读数I2乘以变流比K即为被测电流的大小I1。

在本系统中，我们选用了淄博元星电子有限公司生产的精密电流互感器TA23M-5A/2.5mA。其性能参数如表3-1。

表3-1 TA23M-5A/2.5mA性能参数 额定输入/输出 5A/2.5,mA 误差 线性度 ≤0.1,L 线性 范围 5%～200%In 次级 负载 ≤1000 ,Ω 额定 点角差 5’～15’ 隔离 电压 2500,Vac 3.4.2 I/V变换电路

由于系统的A/D采样信号是电压信号，而从电流互感器感应出来的是电流信号，必须进行I/V转换。基本的I/V变换电路如图3-5所示。利用同相放大电路，把电阻R1上产生的输入电压变成标准的输出电压[5]。该电路同相放大电路的放大倍数为

IR2+Vdd Uo R5+CAR1 - R3-Vdd R4图3-5 基本I/V变换电路

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R4 R3从而可得： UOAIR1

用图3-5所示电路对标准正弦信号进行采样计算平均值，其结果将为零。而且在工业运用中，为了减少干扰，我们对运放往往采取单极性输入，即把运放的负电源输入端接地。但是在我们的系统中，是对正弦交流电信号进行采样，如此的话，正弦信号的极性为负的部分将截止失真，这是我们所不希望的。因此，在处理的时候，我们采取如图3-6的办法，在图3-5的接地端加一个参考输入电压Uc。如此可得：

RUocIR1(14)UC

R3相当于把原来的输出电压抬高了Uc伏，即相当于把零电位点向上平移了Uc伏。本系统所使用的A/D转换器的输入电压范围为0～2.5V，所以我们可以取Uc=1.2V。如果选定R3=R4，这样只要适当选取R1的值，把输入电压(IR1)控制在-1.2V～+1.2V之间，即正弦电压的峰－峰值在-1.2V～+1.2V即可。在本系统中，为了产生Uc，我们选取稳定电压为1.2V的稳压管LM385. IR2+Vdd

Uoc R5+CAR1 - UcR3 R4A1 图3-6 应用的I/V变换电路

3.4.3 AD转换器

在本系统所采用的主控制芯片LPC2131中，内部含有一个10位8通道逐次逼近式的模/数转换器，其测量范围为0~3.3V。我们采用TL431产生2.5V基准电压,由此可得此A/D的分辨率约为2.5mV。因电机保护器的额定电流值为0~5A,允许检测的电流值为0~1A.即额定功率小于220W的三相电机.为了能检测7倍的额定电流值,那么正弦电压的峰峰值Vp-p的0.707倍即为被检测电流最大有效值.根据实际要求,系统最大能检测的电流为额定电流的7倍,由此可以得到额定电流I：

I=K×(1/2×Vp-p)×0.707/7 =K×0.1212

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式中： K为电流的放大倍数，要使A/D的采样输入电压变化2.5mV，电机的变化电流为16.67mA。此电流相对于电机的工作电流（一般为1A以上）非常小，所以此A/D的分辨率已经足够。因此，我们采用LPC2131内部自带的A/D转换器。A/D转换器的输出结果可用下式表示（当输入电压为0~2.5V时）：

VANGND result1024inVrefANGND下面对此A/D的寄存器作简要介绍。

1. A/D控制寄存器(AD0CR) A/D控制寄存器控制AD转换通道选择、转换速率、转换精度和起始条件等信息，其功能描述如表3-2。

从对CLKDIV的描述，不难得到ADC转换时钟Fadc的公式： FADC=Fpclk/（CLKDIV+1）

因而，ADC时钟分频数CLKDIV计算公式如下： CLKDIV= Fpclk / FADC -1

位 7：0 表3-2 A/D控制寄存器 名称 描述 SEL 输入通道选择。从AD0.7:0引脚中选择采样和转换输入脚。BIT0选择引脚AD0.0，BIT7选择引脚AD0.7。 CLKDIV 时钟分频。将VPB时钟进行分频，得到A/D转换时钟，转换时钟必须小于或等于4.5MHz。 BURST 突发模式。如果该位为0，转换由软件控制，需要11时钟方能完成。如果该位为1，A/D转换器以CLKS字段选择的速率重复执行转换，并从SEL字段中为1的位对应的引脚开始扫描。 突发模式时钟选择。 掉电。1：A/D转换器处于正常工作模式；0：A/D转换器处于掉电模式 器件测试。 启动控制。 边沿选择。该位只有在START字段为010~111时有效。0：在所选CAP/MAT信号的下降沿启动转换；1：在所选CAP/MAT信号的上升沿启动转换 复位值 0X01 15：8 16 0 0 19：17 21 23：22 26：24 27 CLKS PDN TEST1：0 START EDGE 000 0 0 000 0 31：28 保留 0

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2. A/D数据寄存器 A/D数据寄存器包含A/D转换完成标志和得到的数据等信息。其位功能描述如表3－3： 表3－3 A/D数据寄存器 位 5：0 15：6 名称 保留 V/Vref 描述 当DONE为1时，该字段包含一个二进制数，用来代表SEL字段中的Ain脚的电压。该字段根据Vref脚上的电压对Ain脚的电压进行划分。该字段为0，表明Ain脚的电压小于、等于或接近于Vssa；该字段为0X3FF表明Ain脚的电压接近于、等于或大于Vref。 保留，这些位读出为0，用户不应将其置位 这些位包含的是LS位的转换通道 保留，这些位读出为0，用户不应将其置位 Burst模式下，如果在转换产生LS位的结果前一个或多个转换结果被丢失和覆盖，该位置位。在非FIFO操作中，该位通过读ADDR寄存器清零。 A/D转换结束时该位置位。该位在ADDR被读出和ADDR被写入时清零。如果ADCR在转换过程中被写入，该位置位，启动一次新的转换。 复位值 0 X 23：16 26：24 29：27 30 保留 CHN 保留 OVERUN 0 X 0 0 31 DONE 0 在对交流电流及电压的数据采集中，使用了通道0~通道4。完成对模拟信号的测量过程。A/D转换器的转换时钟设置为1MHz[1]。

3.5 时钟日历芯片选择

3.5.1 概述

现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。在电机保护系统中，采用了LPC2131内部提供的实时时钟RTC，实时时钟RTC提供了一套计数器在系统上电和关闭操作时对时间进行测量。RTC消耗的功率非常低。LPC2131的 RTC时钟可由的32.768KHz振荡器或基于VPB时钟的可编程预分频器来提供。另外，RTC还具有专用的电源引脚Vbat，可连接到电池或其它器件使用的相同的3.3v电压上。

3.5.2 特性

RTC的特性如下：

1. 1测量保持日历或时钟的时间通道； 2. 超低功耗设计，支持电池供电系统； 3. 提供秒、分、小时、日、月、年和星期；

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4. 指定的32kHz振荡器或可编程VPB时钟预分频器； 5. 专用的电源引脚可与电池或3.3v的电源相连[1]。

3.5.3 内部RTC结构框图

RTC功能结构方框图如图3-7所示。

clk32k时钟发生器选通基准时钟分频器clk1cclk时间计数器比较器报警寄存器计数器使能计数器增量中断使能报警屏蔽寄存器中断发生器 图3-7 RTC 方框图

3.6 系统显示模块设计

液晶显示器件由于具有显示信息丰富、功耗低、体积小、质量小、无辐射等优点，得到了广泛的应用；但液晶显示模块复杂的硬件接口和软件编程却令产品设计人员生畏，因而了该模块在某些领域的应用。本文介绍一种具有串/并多种接口方式，且内部含有GB2312一级、二级简体中文字库的图形点阵液晶模块，使用该模块可构成具有全中文人机交互图形界面的液晶显示系统。

表3-4 字符显示RAM地址与字符显示位置之间的关系

80H 90H 88H 98H 81H 91H H 99H 82H 92H 8AH 9AH 83H 93H 8BH 9BH - 16 -

84H 94H 8CH 9CH 85H 95H 8DH 9DH 86H 96H 8EH 9EH 87H 97H 8FH 9FH 3.6.1 液晶显示模块的特点

OCM4X8C是具有串/并接口，其内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。该模块的控制/驱动器采用矽创电子公司的ST7920，因而具有较强的控制显示功能。OCM4X8C的液晶显示屏为128×点阵，可显示4行、每行8个汉字。为了便于简单、方便地显示汉字，该模块具2Mb的中文字型CGROM，该字型ROM中含有8192个16×16点阵中文字库；同时，为了便于英文和其它常用字符的显示，具有16Kb的16×8点阵的ASCII字符库；为便于构造用户图形，提供了一个×256点阵的GDRAM绘图区域，且为了便于构造用户所需字型，提供了4组16×16点阵的造字空间。利用上述功能，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。为便了和多种微处理器、单片机接口，模块提供了4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。

该模块具有2.7~5.5V的宽工作电压范围，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。液晶模块显示负电压，也由模块提供，从而简化了系统电源设计。模块同时还提供LED背光显示功能。除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠/唤醒、关闭显示等操作指令。

3.6.2 用户指令集

用户使用液晶模块时是通过用户命令来执行相应的显示或控制功能的。OCM4X8C的用户命令分为基本命令集和扩充命令集，分别如表3-5、表3-6所列。

指令 RS RW DB7 表3-5 OCM4X8 基本命令集 指令码 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 将DDRAM填满“20H”，并设定DDRAM的地址计数顺（AC）到“00H” 设定DDRAM的地址计数器（AC）到“00H”，并且说 明 清除显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 地址归位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X - 17 -

进入点 设定 0 0 0 0 0 0 0 1 I/O S 显示状态开/关 游标或显示移位 控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 0 0 0 0 0 1 S/C R/L X X 功能设定 0 0 0 0 1 DL X 0RE X X 将游标移到开头原点位置 指定在资料的读取与写入时，设定游标移动方向及指定显示的移位 D=1：整体显示ON；C=1：游标ON；B=1：游标位置ON 设定游标的移动与显示的移位控制位元。这个指令并不改变DDRAM的内容 DL=1（必须设为1）；RE=1：扩充指令集动作；RE=0：基本指令集动作 说 明 将DDRAM填满“20H”，并设定DRAM的地址计数器（AC）到“00H”； SR=1：允许输入垂直卷动地址； SR=0：允许输入IRAM地址 指 令 RS RW DB7 表3-6 OCM4X8C 扩充指令集 指 令 码 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 待命模式 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 卷动地址或IRAM地址选择 0 0 0 0 0 0 0 0 1 SR - 18 -

反白选择 0 0 0 0 0 0 0 1 R1 R0 扩充功能设定 0 0 0 0 1 1 X 1 RE G 0 选择4行中的任一行作反白显示，并可决定反白与否 RE=1：扩充指令集动作；RE=0基本指令集动作；G=1：绘图显示ON；G=0：绘图显示OFF 3.6.3 字符显示

OCM4X8C按照每个中文字符16×16点阵将显示屏分类4行8列，共32个区。每个区可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或个ASCII码字符的显示。OCM4X8C内部提供128×2字节的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为：0000～0006H显示自定义字型，02H～7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0H～F7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H～9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如图3-8所示。

CS SCK SID156„„13„„17„„21„„24RWRS0D7D6D5D40000D3D2D1D00000

图3-8 OCM4X8C的2线串行工作模式操作时序

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3.6.4 接口方式与时序

OCM4X8C具有串/并多种接口方式，方便了模块与各种单片机、微处理器的连接。由图3-8可以看出，LPC2131与液晶模块之间传送1字节的数据共需24个时钟脉冲。首先，单片机要给出数据传输起始位，这里是以5个连续的“1”作数据起始位，如模块接收到连续的5个“1”，则内部传输被重置并且串行传输将被同步。紧接着，“RW”位用于选择数据的传输方向（读或写），“RS”位用于选择内部数据寄存器或指令寄存器，最后的第8位固定为“0”。在接收到起始位及“RW”和“RW”的第1个字节后，下一个字节的数据或指令将被分为2个字节来串行传送或接收。数据或指令的高4位，被放在第2个字节串行数据的高4位，其低4位则置为“0”；数据或指令的低4位被放在第3个字节的高4位，其低4位也置为“0”，如此完成一个字节指令或数据的传送。需要注意的是，当有多个数据或指令要传送时，必须要等到一个指令完成执行完毕后再传送下一个指令或数据，否则，会造成指令或数据的丢失。这是因为液晶模块内部没有发送/接收缓冲区。

+3.3VOCM4X8C 中文液晶显示模块A相电流:2.51AB相电流:2.51AC相电流:2.51A电机运行状态正常!背光电源VCCLPC213130PX211.0592XTAL1XTAL2+5V+5V逻辑电源SIDSCKP0.16P0.17地

图3-9 LPC2131与LCD的2线串行接口电路

3.7 数据存储模块设计

3.7.1 概述

数据存储技术在故障诊断及工业监控系统中起着很重要的作用。数据存储芯片X5043是设计用于与口线受的微处理器直接接口的可编程看门狗监控E2PROM。它提供了串行存储器的所有优点，如低成本、低功耗、低电压运用及小封装尺寸，同时具有较高的数据传送速率及较少的接口代码，不需专用的串行总线。X5045的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设SPI接口和软件协议，它把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和E2PROM组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。

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因为本系统需要记录与电机运行相关的很多参数，如电机的额定电压、额定电流、短路或缺相等数据，以及电机发生故障的时间等信息，因此需要一定数量的E2PROM存储单元来实现。由于工业生产现场大功率负载的影响，使电网电压极不稳定，利用X5043的低VCC检测电路，可以 保护系统免受低电压状况的影响。当VCC降低到最小VCC转换点以下，系统复位。复位一直确保到VCC返回且稳定为止。X5043的存储器部分 是CMOS的4096位串行E2PROM，它在内部按512×8来组织。它利用

TM

Xicor公司专有的Direct Write晶片，提供最小为100,000周期/字节的使用期限和最小为100年的数据保存期。X5043允许简单的三线总线工作方式(SPI). X5043还具有功耗低，宽电源工作电压，块锁定保护，可擦写10万次等特点。这些功能的充分运用大大简化了系统的硬件电路，降低了成本，提高了系统的抗干扰能力[8]。

3.7.2 X5045与LPC2131接口

X5045与LPC2131的接口图见图3-10。

VCC/RESETP0.21P0.22P0.23P0.2430pF*211.0592SO/RESETSISCKCSWPVCCGNDLPC2131X5045PI-2.710K

图3-10 X5045与LPC2131的接口图

3.7.3 X5045的操作时序

1. 读E2PROM阵列的时序（见图3-11）

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图3-11读E2PROM阵列的时序图

当从E2PROM存储器阵列读数据时，首先把CS拉至低电平以选择芯片。8位的读(READ)指令被发送到X5045，其后是8位的字节地址。在发送了读操作码和字节地址之后，在所选定地址存储器存储的数据。把CS置为高电平可以终止读操作。

2. 读状态寄存器的时序（见图3-12）

图3-12读状态寄存器的时序

为了读状态寄存器首先把片选拉至低电平以选择芯片，然后是8位的读状态寄存器指令。在发出读状态寄存器操作码之后，状态寄存器的内容被移出至SO线上。

3. 字节写入时序（见图3-13）

图3-13字节写入时序图

在把数据写入X5045之前，必须首先发出写指令把“写使能”锁存 器置位。 CS首先被拉至低电平，然后写使能指令由时钟同步送入X5045。在指令的所有8位被发送之后，必须按着使CS变为高电平。如果用户在发出写使能指令之后不把CS变为高电平而继续写燥作，那么写操作被忽略[7]。

3.8 远程通讯模块的设计

在很多时候，电机保护器的工作环境十分恶劣，操作人员无法近距离操作，因此需要远程控制。而且在多台保护器应用场合，需要由一台上位机（比如工控机）对多台下位机进行集中控制。所以在本系统中，我们选

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择了以RS485协议为基础的RS485总线。采用的RS485总线驱动器为MAX485。它有如下特点：

 静电保护±15KV  低静态电流：230µA

 共模输入电压范围：-7V～+12V  三态输出  半双工通讯

 支持在总线上挂接128台转换器[11]

RS485通讯模块的电路图如图3-21所示。为了防止工业现场大电流或高电压对通讯芯片的冲击，我们采用光耦进行光电隔离。

3.3vLPC2131_RXD5VCONTROL50 5V5V10KMAX485DE /REDIROAB5010K LPC2131_TXD50 10KGND

图3-14 RS485通讯模块电路图

3.9 漏电及相序检测模块

图3-15中的C1，R1，R2，R3组成电压取样及相序检测器，L1，L2，L3三端与三相交流电源相连，在正相序和负相序两种情况下，R1两端电压关系为U＋＝U－/3.7，其中，U＋与U－分别表示正相序与负相序时R1两端的电压. 正相序与负相序是相对于保护器输出端所标序而言的。

R2和与R3组成分压电路，其目的是使正相序时整流器无电流输出，负相序时有电流输出，而光电耦合元件是有电流输入时输出低电平，无电流输入则为高电平。该电路就是通过识别输出电平的高低来鉴定相序的. 需要指出，以上过程是在不缺相情况下实现的。这一功能的作用是，当第一次接通电源时，能有效地防止电机反转，对于有转向要求的电机是非常必要的（如真空泵、制冷机等)。

电源接通后，当电源缺L1相或者L2相时，其输出也为低电平。所以，该电路除了能够产生相序控制信号外，还能够产生缺相控制信号。当三相交流电压严重不平衡时该电路也能输出保护信号。根据这个信号，可以从时间关系上区分出是反转还是缺相[17]。

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在系统中我们设计了一个电压比较器来进行漏电流判断。如图3-16所示。当漏电流电压大于UC时，输出置高电平[18]。

L1L2L3C13.3vR1R2R3D1

图3-15 保护系统相序检测检测电路图

100pF3MUcUi22K22K+-ATo MCU 图3-16 保护系统相序漏电检测电路图

3.10 本章小结

本章详细介绍了智能电机保护控制器系统的整体结构和系统硬件电路各个模块的设计过程。其中重点阐述了微处理器选型、数据采集模块、实时时钟模块、动态显示模块、数据存储模块，以及远程通讯模块的设计。该保护器实现了数据的自动采集、处理、存储、显示、输出控制等功能。

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第4章 智能电机保护器的软件设计

4.1 概述

在现代智能化仪器和系统的设计中，由于可编程智能器件、模块化设计方法的使用，使得程序软件的设计和优化成为系统设计中的至关重要的一个环节。

系统软件设计为单片机应用软件，采用C语言编写。单片机程序主要实现了实时数据采集、数字信号处理、存储、显示及故障处理等功能。

在软件的设计上主要考虑了三个方面：

一、采用模块化结构，将单片机程序分为许多小模块，先将各个小模块程序调试通过后，再进行联调，从而减少了调试时间，有利于程序的修改、检查和以后的升级。

二、软件算法，在对交流采样的处理中，采用查表法、平均值等必要的软件算法，处理传感器的非线形、标度换算等。

三、提高抗干扰能力。在工业现场不可避免地有各种干扰因素。因此在本系统中除了在硬件上采用高低通滤波等措施外，在软件上采用数字滤波等处理方法，进一步提高了系统的抗干扰能力。

4.2 单片机软件设计

4.2.1 总体设计

单片机程序用C语言编写，该软件主程序由四个子模块组成：

1. 数据采集模块 完成三相电流、漏电、设定电流等各路模拟量的模数转换；

2. 数据处理模块 对各路A/D转换的结果进行数据处理，并存入相应的寄存器单元；

3. 故障智能判别模块 进行电机三相电流的检测，与电流设定值进行比较和计算。它不是简单的域值比较，而是分门别类判断电流过大（大于设定值的7倍为短路）、缺相（不平衡电流超过15％）、少量不平衡和超限进行不同的方法处理，以确定是立即报警、关断电机还是等待相应时间后再采取措施，电机短时间过载或电流不平衡并不会影响电机的正常工作；

4. 动态显示模块 完成三相电流、设定参数、实时时钟等信息及漏电、短路、缺相、不平衡或超限等故障的动态显示。

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4.2.2 主程序框图

程序框图如图4-1所示。程序开始执行初始化程序，随后对LED数码显示器、A/D转换器、实时时钟、功能设置等初始化操作，接着接通电机电源，电机工作。然后程序循环执行；进行5路10位数据采集、数据处理、各种故障智能判别以及显示，若有故障，则相应报警装置或继电器动作。

程序开始 显示、A/D、时钟初始化

开电机，进行工作

进行5路10位A/D采集

数据处理

故障判别

数据显示

图4-1 主程序框图

4.2.3 交流采样算法

1．交流采样概述 传统的直流采样方法是将各种交流电量，通过降

压、整流、滤波、非线性校准等各种电子电路变为相适大小的直流电量后再进行测量，这种方法的主要优点是软件设计较为简单，算法简便，但这种方法应用硬件电路庞大、价钱贵、体积大、精度低，维护复杂，无法实现实时信号采集。

随着微电子技术和计算机技术的发展，对交流信号的测量常采用交流采样的方法。交流采样是直接从电压互感器或者电流互感器采集交流矢量信号，把交流量转化为0~5V的交流电压进行采集，通过一定的算法，算出各输入交流电量的有效值。交流采样实时性好，相位失真小，投资少，便于维护，但其算法复杂，对A/D转换速度要求较高。

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2．交流采样原理及算法 交流采样法就是按照一定的时间间隔Δt对一个周期的交流信号进行等间隔采样，然后将这些采样值代入算法公式中计算出被测值[13]。交流采样的算法有很多，其中正弦模型算法主要有最大值算法、半周期积分算法、两点乘积算法等，非正弦模型算法主要有均方根算法和傅立叶算法。本系统采用均方根算法。

根据电工原理中连续周期交流电压有效值的计算公式：

1T2utdt （4-1） 0T 根据积分定义将上式离散化，用一个周期内的有限个采样电压的数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数量，见图4-2。则电压的有效值便可表示为：

U1N12UumTm （4-2） Tm0

式中：N —— 一个周期内的采样点数 ΔTm —— 相邻两次采样时间的间隔

Um —— 第m个时间间隔的电压采样瞬时值

uu=U×sin(ωt)0ΔTmt

图4-2 交流电压离散化

如果相邻两次采样的时间间隔相等，则N2）可得[4]：

T，把该式代入式（4-Tm1N12Uum （4-3）

Nm0 在本系统中，由于A/D只能采集0~5V的电压信号，因此采用了图3-7的电压极性变换电路，将正弦曲线的零点向上平移了2.5V，因此实际的采样电压信号如图4-3所示。此时各点的采集电压值

2.5V umum- 27 -

uu=U×sin(ωt)+Uc2.5V0t

图4-3 实际采样电压的离散化

4.2.4 故障判别子程序框图

故障判别子程序框图如图4-4所示。开机后先检测是否有漏电故障，有则关电机；接着读取用户设定的该电机额定电流值，根据此检测短路和堵转，同时出现两个故障时显示短路；再根据反时限阶梯图判断电机是否有过电流；然后检测是否缺相和三相不平衡，同时出现两个故障时显示缺相。当出现故障后，读取实时时钟芯片当前时间记录在X5045的E2PROM中以备查询，然后迅速关断电机，显示故障类型。如果没有任何故障，正常显示三相电流值或者当前时间。

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开始电机是否漏电No读取设定的电机额定电流值IeYes显示漏电三相电流最大值Imax>7Ie?Yes显示短路NoYesImax>4Ie?No4Ie>Imax>Ie按反时限阶梯图判断No判断缺相值[(Imax+Imid)/2Imin]>6No[(Imax-Imin)/Imax]>0.3?No显示正常Yes显示不平衡Yes显示过电流显示堵转Yes显示缺相记录故障发生时间，并关电机

图4-4 故障判别子程序框图

4.2.5 显示模块程序设计

本系统采用中文图形液晶显示器。根据前面硬件部分的介绍，对其编程只需对相应的寄存器进行写入操作即可。在程序设计时，采用了串行方式对液晶显示器进行驱动，这样方便了接口，提高了程序运行的可靠性。

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开始ST7920初始化更新显示缓冲区更新显示数据返回 图4-5 数据显示子程序框图

4.2.6 A/D采样子程序设计

对LPC2131的A/D变换的实现主要是通过操作AD0CR和AD0DR两个寄存器来实现。我们采用中断方式来完成A/D转换结果的读取操作。

开始启动AD转换DRDY=1?YN采用交流对交流电压、电流信号进行采样N5次采样完毕?Y求交流电压有效值返回

图4-6 数据采集子程序框图

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4.2.7 数据存储模块程序设计

数据存储模块程序部分见附录B中“X5045相关函数” 部分。

4.2.8 本章小结

本章主要介绍了系统单片机软件设计的思想和方法以及在软件设计中采用的软件算法。单片机软件实现了各种数据采集、处理、显示、存储、控制等功能，具有友好的人机界面，易于操作。

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第5章 系统抗干扰设计

5.1 抗干扰设计必要性

尽管ARM7在智能化仪器仪表领域的应用越来越深入和广泛，有效提高了生产效率，改善了工作条件，提高了控制质量与经济效益。但是，由于ARM7芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控的可靠性等诸多方面也提高了要求。通常系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个很突出的问题。干扰会导致控制误差加大，甚至使系统失灵，而造成巨大损失。尤其本系统是电机保护控制系统，工作环境恶劣，此系统一旦工作不可靠，直接关系到电机能否正常工作，因此抗干扰性能的好坏至关重要。

影响系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些因素对测控系统造成的干扰后果主要表现在数据采集误差加大、控制状态失灵、数据受干扰发生变化、程序运行失常等几个方面。

5.2 硬件抗干扰措施

应用硬件抗干扰措施是一种有效的方法，实践表明，通过合理的硬件电路可以消除或抑制绝大部分干扰。在硬件抗干扰方面主要是从电路设计来考虑的，包括接地、去耦合、布线、屏蔽等措施。

5.2.1 去耦电路

数字电路信号电平转换过程中会产主很大的冲击电流，并在传输线和公用电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。

对于单片机系统，其地址总线、数据总线、控制总线上的信息变化几乎是在同一时刻，在信号变化过程中产主的尖峰电流将给数字系统带来不良影响，它将在电源内阻抗和公共传输线阻抗上产生压降，使供电电压跳动，从而形成一个干扰源。要降低尖峰电流的影响，我们采用在门电路的电源线端和地线端加接电容。

同样由于数字电路的开关动作很快，如TTL电路的动作时间为5～10ns，这样便会产生瞬变电流，在电源内阻抗和公共阻抗作用下，产生所谓开关噪声。开关噪声使电源电压发生振荡，因线路板的噪声容限很低，导致数字电路发生误动作。因此在印刷板的各个集成电路配置去耦电容，

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去耦电容一方面提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的冲放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。通常加去耦电容值为0.01μF。

5.2.2 地线设计

地线是信号电流或电源电流的返回路程。地线只要存在阻抗，就会产生信号压降，形成噪声。在实时控制系统中，接地是抑制干扰的重要方法。本系统中，我们采取了以下两种方法设计地线。

1. 加宽地线宽度。任何导体都有阻抗，当其中流过电流时，导体中便会出现电压压降。在一般系统中可通过采用多点接地方式来降低接地电阻，以抑制这种电位差。在本系统中，我们通过加宽地线宽度以减少地线的电阻达到尽量消除接地点间的电位差的目的。

2. 数字、模拟电路分开。在本保护控制器中既有数字逻辑电路，又有模拟电路，数字逻辑电路主要包括单片机及其外扩的存储器和显示系统等，即系统控制部分；模拟电路主要指电机电流信号输入的通道，即采样模块部分。系统控制部分和采样模块分开制作成两块印刷板，各自成一子系统，则可实现数字、模拟电路分开，避免了它们之间的相互干扰[15]。

5.2.3 布线设计

在完成PCB设计的总体布置，画好电源、地线、器件位置及去耦电容后，具体布线时应遵循下列原则：

(1) 为了防止信号线间的干扰，无论是多层板还是双层板，相邻层的信号线应按相互垂直布线。

(2) 电源线和地线应尽量粗些。所有未使用空间都设计成地线平面，以减少地线阻抗，

(3) 数字系统的的每条信号线应尽量靠近地线，以减少噪声阻抗。然而，对于大量的地址线，数据线来说，不可能都满足这一要求，则尽可能安排好低位地址线、数据线。

(4) 全部布线设计完毕后，再次检查地线，将地线尽量加粗，特别是较细的地线。

5.3 软件抗干扰措施

软件的设计与硬件设计相比，软件的设计显得比较灵活，所以软件抗干扰设计没有固定模式，灵活多样，并且正在不断地发展。各种软件抗干扰措施，能够大大地提高仪器仪表的可靠性。特别是软件滤波技术，它可以使用多个通道共用一个软件“滤波器”以降低硬件成本。而且能方便的改变滤波的特性。在本系统的软件设计中，通过采取以软件抗干扰措施再与必要的硬件抗干扰措施相结合，使控制器的抗干扰能力和可靠性提高到一

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个新的水平[12]。

对现场信号进行处理，可抑制输入通道的干扰，数字滤波对较低频率的干扰有较强的抑制能力，常用的数字滤波算法有程序判断法，中位值滤波，算数平均滤波，递推平均滤波，加权平均滤波。在本系统的设计中，采用了递推平均滤波。递推平均滤波法是把N个测量数据看成一个对付列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉原来的队首的数据，这样在对列中始终有N个“最新”的数据，计算滤波值时只要把对列中的N个数据进行算术平均，就可以算到一个新的平均滤波值。

5.4 本章小结

本章内容阐述了智能控制系统中干扰信号对系统所能引起的各种不可靠现象，引出抗干扰工作在自动控制系统中的重要性。并基于前面的软、硬件设计，集中讨论了各部分模块电路的干扰因素的产生和抑制方法。

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结论

本文研制了一种实用的智能型电机运行监测及其综合保护系统，以减少电机的损坏次数，降低设备故障率，提高工业企业中电机设备运行的可靠性，降低生产成本。

本系统的最大特色是在软件算法上采用交流采样算法，采用该算法提高了监测系统的实时性和测量精度，同时也增加了系统的可靠性。交流采样法的应用必须以高速的处理速度作为保证，由于系统对单路交流信号的一个周期要进行40次的采样，并且每次采样都涉及到开平方运算，即500us内就得完成数据的采集、处理。这种运算速度只有ARM能够做得到。考虑到本保护器的工作环境，在设计中，我们还特别改进了硬件电路和软件设计上的抗干扰能力措施。

本系统的控制核心采用了ARM7系列的LPC2131微控制器，其较高的运算速度和功能丰富的指令集，克服了采用8位单片机存在的数据运算必须通过累加器未实现的瓶颈现象，同时也弥补了16位单片机在运算速度上满足不了对交流信号进行实时采样的缺点。内部的看门狗提高了运算系统运行稳定性，其片内集成A/D转换器，转换速度高，编程简便，节省了系统成本。系统使用数据存储于看门狗功能合二为一的芯片X5045，其低电压检测功能提高了系统的抗干扰能力，内部的E2PROM有利于故障信息数据的存储。我们在系统中还增加了实时时钟模块内部RTC，便于记录电机故障发生的时间以备查询。E2PROM和实时时钟的结合使得操作者不但可以查询故障，而且可以查询故障发生的时间，这是多数电机保护系统所没有的。

本系统还设计了电机三相电流实时显示及故障类型显示功能，便于操作者对电机进行监控，系统采用了LCD显示器作为人机界面，系统的当前状态可从显示器上一目了然的看到。使系统的操作难度大大降低。这是采用LED作为显示器的系统所不具备的特点。为了实现远程通讯和上位机监控，在电路中加入了RS485通讯模块，并采用VB编写上位机与下位机的通讯控制程序，进而实现了真正的集散测控系统。

- 35 -

致谢

本论文的选题、课题的研究、实验器材的提供及论文的撰写工作是在导师房国志副教授的悉心指导下完成的。房国志老师谦虚严谨的治学态度、渊博的理论知识、敏锐的思维和对学术前沿深邃的洞察力，使我倍受启发，值得我一生去学习。在房老师的指导下，我不仅在学术上有所收获，而且逐步培养了自己分析问题和解决问题的能力。在此，向我的恩师表示崇高的敬意和衷心的感谢。

在本文的撰写过程中，得到了陈宝远老师热情的指导和无私的帮助，在此表示诚挚的感谢。同时也对测控03-7班的同学们表示深深的感谢，感谢他们四年来对我无私的帮助。

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参考文献

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2 朱桂荣，戴苏明．交流异步电机保护器的可靠性及抗干扰设计．苏州

丝绸学院学报，2000，20（4）：51~53

3 郝迎吉．智能型电机保护仪的研制．西安科技学院硕士论文，2002：

13~14 4 磨少清．交流采样电量变送器工业实用技术探讨．广西大学硕士学位

论文，2002：44~45 5 李刚．现代仪器电路—电路设计的器件解决方案．科学技术出版社，

2002：173~182

6 于海生等．微型计算机控制技术.清华大学出版社，1998：32 7 Xicor．X5043/X5045 Data Sheet．Xicor,Inc．2001

8 Texas Instruments．DS12C887 Data Book．Texas Instruments Inc．2002 9 Joyce Van de Vegte．Fundamentals of Digital Signal Processing．2003，

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10 潘留占，杨杰慧，熊中朝．单片机控制的三相电机保护器．洛阳师范

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12 郑军奇．单片机软件的抗干扰方法．北京航空航天大学出版社，

2001，1

13 康尔良，赵大伟．交流采样在电机测试中的应用．中小型电机，

2001，28（3）：52~53

14 徐峰, 王金辉．多功能三相低压断路控制技术研究.电子技术应用，

2001，11：27~29

15 王福瑞等．单片微机测控系统设计大全［M］．北京航空航天大学出版

社，1999：3

16 钱金川、金林升：电子式电动机保护器浅析．机床电器，2004．2期 17 吴斌，刘沛，陈德树．继电保护中的人工智能及其应用．电力系统自

动化，1995，4

18 黄群，邓慧．基于PIC16单片机的发电机保护装置[J]．计算机与数字

工程，2000，28(5)：52~

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附录A 智能电机保护控制器电路原理图

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123456水泥电阻 J1commonC61uF100pFR131.2KOC12041uF1.2K203R111.2K202OC41.2KR10OC3OC2R12MCC SA5.0220KT1A相10M地电源D205DT2B相10M17161514131211109876321T3C相1.2K1uF330K大功率10MA相输入N相D1C130.1uFDISPLAY2CC4112345671011E31000uFI4D278052GND37.5V/70mA1外接线101-111E41000uFI3I2I11VinE2100uF2FUSE7.5V/300mARUNPOWER12GND3456710 3- 39 -

VoutC10.01uF+5V3E51000uFC70.1uFR23520Q1K1AAPA3319K2AAPA3319D2Q2520+5VR24P19012R2500P29012344R3520R14520R19520R20520R6500BK2BK1BRS485继电器输出公共端+5VBJ7外接线210-201109876321205204203202D3+5VD1+5V1234567R5500R4500R1500RXTXA+5V763NC21A1256 附录B 电机保护器源程序

#include \"config.h\" #include \"stdio.h\"

#define DDRAM_0 0x80 //显示回位 #define off_cursor 0x0c //关闭光标 #define on_cursor 0x0e //开光标 #define wda 0xa0 //写地址 #define rda 0xa1 //读地址

#define SID 1<<7 //串行数据输入端 lcd #define SCK 1<<8 //同步时钟输入端 lcd const uint8 tab []={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'}; const uint8 tab1[]={'+','-',}; uint8 k;

uint8 count; //对采样次数计数 uint32 store,store1,store2;

uint32 ADC_Data,ADC_Data1,ADC_Data2; uint32 squ,squ1,squ2,squad,squad1,squad2;

uint32 uo; //平方寄存器和平方和寄存器 uint16 N, i;

uint32 tmp, ttp; // 结果、循环计数 uint16 gw,gw1,gw2; uint16 sw,sw1,sw2; uint16 bw,bw1,bw2; uint16 qw,qw1,qw2;

//******************************************** /*函数名称:delayns()*/

//******************************************** void delayns(uint32 dly) {

uint32 i;

for(;dly>0;dly--) for(i=0;i<5000;i++); }

//************************************ //短时间延迟子程序

//************************************ void delay(void) { uint8 i;

for (i = 0;i != 0xff;i++); }

void wait(void) { uint8 j;

for (j = 0;j != 0x2f;j++); }

//*******************以下为液晶驱动程序 //************************************

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//串行传送一字节数据

//************************************ void sendBYTE(uint8 dat) { uint8 i;

IO0DIR=0X00000180; for (i=0;i<8;i++) {

IO0CLR = SCK; //SCK=0 wait();

if((dat & 0x80)!=0) {

IO0SET = SID;

wait();} //SID=1 else {

IO0CLR=SID;

wait(); //SID=0 }

IO0SET=SCK; //SCK=1; wait();

dat = dat<<1; } }

//************************************ //写控制指令

//************************************ void sendCMD(uint8 dat) {

sendBYTE(0xf8); sendBYTE(dat & 0xf0); sendBYTE((dat<<4)&0xf0); }

//************************************ //写显示数据；也可以写一个单字节字符 //************************************ void sendDAT(uint8 dat) {

sendBYTE(0xfa);

sendBYTE(dat & 0xf0); sendBYTE((dat<<4)&0xf0); }

//************************************ //写汉字到LCD屏指定位置 //x_add 显示RAM 地址 //dat/dat1显示汉字编码

//************************************ void display(uint8 x_add,uint8 dat,uint8 dat1) {

- 41 -

sendCMD(x_add); sendDAT(dat); sendDAT(dat1); }

//************************************ //初始化LCM

//************************************ void initlcm(void) {

//delay();

sendCMD(0x30); //功能设置:一次送8 位数据,基本指令集 sendCMD(0x04); //点设定 sendCMD(0x0f); //显示设定 sendCMD(0x0f); //显示设定

sendCMD(0x01); //清DDRAM，清除显示

sendCMD(0x02); //*DDRAM 地址归位，位址归位 }

//********************************************** //标题显示

//********************************************** void send_title()

{ sendCMD(DDRAM_0); //DDRAM sendCMD(off_cursor); //关光标

//********************************************** display(0x80,0xa3,0xc1); //A display(0x81,0xcf,0xe0); //相 display(0x82,0xb5,0xe7); //电 display(0x83,0xc1,0xf7); //流

sendDAT(':'); //:最大为5A

sendDAT(tab[qw]);sendDAT('.');sendDAT(tab[bw]); sendDAT(tab[sw]);sendDAT(tab[gw]); sendDAT('A'); display(0x90,0xa3,0xc2); //B display(0x91,0xcf,0xe0); //相 display(0x92,0xb5,0xe7); //电 display(0x93,0xc1,0xf7); //流

sendDAT(':'); //:最大为5A

sendDAT(tab[qw1]);sendDAT('.');sendDAT(tab[bw1]); sendDAT(tab[sw1]);sendDAT(tab[gw1]); sendDAT('A'); display(0x88,0xa3,0xc3); //C display(0x,0xcf,0xe0); //相 display(0x8a,0xb5,0xe7); //电 display(0x8b,0xc1,0xf7); //流

sendDAT(':'); //:最大为5A

sendDAT(tab[qw2]);sendDAT('.');sendDAT(tab[bw2]); sendDAT(tab[sw2]);sendDAT(tab[gw2]); sendDAT('A'); display(0x98,0xb5,0xe7); //电 display(0x99,0xbb,0xfa); //机

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display(0x9a,0xd4,0xcb); //运 display(0x9b,0xd7,0xaa); //转 display(0x9c,0xd5,0xfd); //正 display(0x9d,0xb3,0xa3); //常 sendDAT('!'); //!*/ }

/**************************************/ /*对三相电流进行同时采样*/

/**************************************/

void __irq IRQ_Timer0(void) //__irq 表示中断

{ AD0CR = (1<<0) | //SEL=0,选择通道0,p0.27 ((Fpclk/1000000 -1)<<8) | //转换时钟频率为1MHZ

(0<<16) | //BURST=0，软件控制转换操作 (0<<17) |

(1<<21) |

(0<<22) | (1<<24) | (0<<27) ;

AD0CR |=1<<24; //P0.27

while((AD0DR&0x80000000)==0); //通道0进行数据转换 squad=AD0DR; //读取adc结果 squad=(squad>>6)&0x3ff;

squad=squad*2480; //满额电压

squad=squad/1024; //10位ad转换，1024级 if(squad>996)

squad=squad-996; //996为参考电压值 else

squad=996-squad;

//***********************************

AD0CR = (1<<1) | //SEL=1,选择通道0,p0.28 ((Fpclk/1000000 -1)<<8) | //转换时钟频率为1MHZ

(0<<16) | //BURST=0，软件控制转换操作 (0<<17) | //CLKS=0，使用11clock转换

(1<<21) | //PDN=1， 正常工作模式（非掉电工作模式） (0<<22) | //TEST1.0=00；正常工作模式 (1<<24) | //START=1，直接启动ADC转换 (0<<27) ; //直接启动adc转换,此位无效*/ AD0CR |=1<<24;

while((AD0DR&0x80000000)==0); //通道0进行数据转换 squad1=AD0DR; //读取adc结果 squad1=(squad1>>6)&0x3ff;

squad1=squad1*2480; //满额电压

squad1=squad1/1024; //10位ad转换，1024级 if(squad1>996)

squad1=squad1-996; //996为参考电压值 else

- 43 -

squad1=996-squad1;

// ***********************************/

AD0CR = (1<<2) | //SEL=2,选择通道2,p0.279 ((Fpclk/1000000 -1)<<8) | //转换时钟频率为1MHZ

(0<<16) | //BURST=0，软件控制转换操作 (0<<17) | //CLKS=0，使用11clock转换 (1<<21) | //PDN=1， 正常工作模式 (0<<22) | //TEST1.0=00；正常工作模式 (1<<24) | //START=1，直接启动ADC转换 (0<<27) ; //直接启动adc转换,此位无效*/ AD0CR |=1<<24;

while((AD0DR&0x80000000)==0); //通道0进行数据转换 squad2=AD0DR; //读取adc结果 squad2=(squad2>>6)&0x3ff;

squad2=squad2*2480; //满额电压

squad2=squad2/1024; //10位ad转换，1024级 if(squad2>996)

squad2=squad2-996; //参考电压值 else

squad2=996-squad2;

//*********************************** k++;

squad=squad*squad; //采样值乘方,A_通道 squad1=squad1*squad1; //采样值乘方,B_通道 squad2=squad2*squad2; //采样值乘方,C_通道

squ=squ+squad; //对数据进行求平方和运算 squ1=squ1+squad1; //对数据进行求平方和运算 squ2=squ2+squad2; //对数据进行求平方和运算 //***********************************

if(k==40) //对40个数据进行开平方运算 { //0.5ms采样一次 store=squ/40; //将平方和求平均值 store=sqrt_16(store); //对其进行开平方运算 squ=0;

store1=squ1/40; //将平方和求平均值 store1=sqrt_16(store1); //对其进行开平方运算 squ1=0;

store2=squ2/40; //将平方和求平均值 store2=sqrt_16(store2); //对其进行开平方运算 squ2=0; k=0;

count++; //计数器加一 }

if(count==100) //2S采样一次 {

ADC_Data=store;

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ADC_Data1=store1; ADC_Data2=store2; qw=ADC_Data/1000;

bw=(ADC_Data%1000)/100;

sw=(ADC_Data-qw*1000-bw*100)/10; gw=ADC_Data-qw*1000-bw*100-sw*10; qw1=ADC_Data1/1000;

bw1=(ADC_Data1%1000)/100;

sw1=(ADC_Data1-qw1*1000-bw1*100)/10; gw1=ADC_Data1-qw1*1000-bw1*100-sw1*10; qw2=ADC_Data2/1000;

bw2=(ADC_Data2%1000)/100;

sw2=(ADC_Data2-qw2*1000-bw2*100)/10; gw2=ADC_Data2-qw2*1000-bw2*100-sw2*10; initlcm(); //LCD初始化

send_title(); //LCD显示,初始值已写入内存。 count=0; }

T0IR=0x01; //清除中断标志

VICVectAddr=0x00; //通知VIC中断处理结束 }

/**************************************/ /*函数名称:main()*/

/**************************************/ int main(void)

{ PINSEL0=0x00000000; //连接GPIO

IO0DIR=0X00000180; //设置数据、时钟端为输出 initlcm(); //LCD初始化

send_title(); //LCD显示,初始值已写入内存。

PINSEL1=0x100000; //ADC模块初始设置,选定通道AIN0~AIN3 delayns(10); //短暂延迟 IRQEnable(); //IRQ中断使能 /**************************************/ /*定时器0初始化************************/ /**************************************/ T0TC=0; //定时器设置为0 T0PR=0; //时钟不分频

T0MCR=0x03; //设置T0MR0匹配后复位T0TC，并产生中断标志 T0MR0=Fpclk/2000; //0.5ms 定时(0.5s采样一次) T0TCR=0x01; //启动定时器

VICIntSelect=0x00; //所有中断设置为IRQ中断

VICVectCntl0=0x20|0x04; //设置定时器0中断通道分配最高优先级 VICVectAddr0=(uint32)IRQ_Timer0; //设置中断服务程序地址 VICIntEnable=1<<0x04; //使能定时器1中断 PINSEL0=0X00000005; //引脚连接串口 while(1); //等待中断 return 0;}

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附录C 英文原文

A-C GENERATOR AND MOTOR ROTECTION

1.MOTOR PROTECTION

This section deals with the protection of attended synchronous motors, induction motors, synchronous condensers, and the motors of frequency converters. Motors in unattended stations must be protected against all harmful abnormal conditions.1 The protection of very small motors is not specifically described, although the same basic principles apply;this subject is treated in detail in the National Electrical Code.3 The practices described here for large motors are at least equal to those covered by the Code, and are generally more comprehensive. However, it is recommended that the Code be consulted whenever it applies. The protection of fire-pump motors is not included here, because it is completely described elsewhere.4

2. SHORT-CIRCUIT PROTECTION OF STATOR INDINGS

Overcurrent protection is the basic type that is used for short-circuit protection of statorwindings. The equipment for this type of protection ranges from fuses for motor voltages of 600 volts and lower, through direct-acting overcurrent tripping elements on circuit breakers, to separate overcurrent relays and circuit breakers for voltages of 2200 volts and higher.

Protection should be provided against a fault in any ungrounded conductor between theinterrupting device and the motor, including its stator windings. Where fuses or direct-actingtripping devices are used, there must be one protective element in each ungrounded conductor. Where relays and current transformers are used with so-called “a-c tripping” from the output of the current transformers, a CT and relay are required for each ungrounded conductor. However, if battery or capacitor tripping is provided, three current transformers with two phase relays and one ground relay will suffice for a three-phase circuit whether or not the source neutral is grounded.

Motors Other than Essential Service. For all except “essential-service”

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motors, it is the practice to provide both inverse-time and instantaneous phase and ground overcurrent relays for automatic tripping. The inverse-time phase relays are generally adjusted to pick up at somewhat less than about 4 times rated motor current, but to have enough time delay so as not to operate during the motor-starting period. The instantaneous phase relays are adjusted to pick up a little above the locked-rotor current. The inverse-time ground relays are adjusted to pick up at no more than about 20% of rated current or about 10% of the maximum available ground-fault current, whichever is smaller. The instantaneous groundrelay pickup should be from about 2.5 to 10 times rated current; this relay may be omitted if the maximum available ground-fault current is less than about 4 times rated current, or if the pickup has to be more than about 10 times rated current to avoid undesired tripping during motor starting or external faults. If a CT, like a bushing CT, is used with all three phase conductors of the motor circuit going through the opening in the core, a very sensitive instantaneous overcurrent relay can be used that will operate for ground faults within about 10% of the winding from the neutral end. Percentage-differential relaying is provided for large motors. It is the practice of manufacturers2 to recommend such protection for motors of the following ratings: (a) 2200 volts to 4999 volts, inclusive, 1500 hp and higher; (b) 5000 volts and higher, 501 hp and higher. The advantage of percentage-differential relaying is that it will provide faster and more sensitive protection than overcurrent relaying, but at the same time it will not operate on starting or other transient overcurrents.

References to excellent articles on the subject of industrial-motor protection are given in the Bibliography.49

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Essential-Service Motors. For essential-service motors, the inverse-time phase overcurrent relays are usually omitted, leaving the instantaneous phase relays, and the inverse-time and instantaneous ground relays, or the differential relays if applicable. The reason for the omission is to trip the motor breaker automatically only for short circuits and not to trip for any other reason. This is because the tripping of such a motor may force a partial or complete shutdown of a generator or other service with which the motor is associated, and hence any unnecessary tripping must be avoided. As will be seen when we consider stator overheating protection, supplementary protection against phase overcurrents less than locked-rotor values is provided.

3.STATOR-OVERHEATING PROTECTION

All motors need protection against overheating resulting from overload, stalled rotor, or unbalanced stator currents. For complete protection, three-phase motors should have an overload element in each phase; this is because an open circuit in the supply to the power transformer feeding a motor will cause twice as much current to flow in one phase of the motor as in either of the other two phases, as shown in Fig. 21. Consequently, to be sure that there will be an overload element in the most heavily loaded phase no matter which power-transformer phase is open-circuited, one should provide overload elements in all three phases. In spite of the desirability of overload elements in all three phases, motors rated about

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1500 hp and below are generally provided with elements in only two phases, on the assumption that the open-phase condition will be detected and corrected before any motor can overheat.

Single-phase motors require an overload element in only one of the two conductors. Motors Other than Essential Service. Except for some essential-service motors, whose protection will be discussed later, it is the practice for motors rated less than about 1500 hp to provide either replica-type thermal-overload relays or long-time inverse-time-overcurrent relays or direct-acting tripping devices to disconnect a motor from its source of supply in the event of overload. Which type of relay to use is largely a matter of personal preference.Other things being equal, the replica type will generally provide the best protection because, as shown in Fig. 22, its time-current characteristic more nearly matches the heating characteristic of a motor over the full range of overcurrent; also, it may take into account the heating effect of the load on the motor before the overload condition occurred. The inverse-time-overcurrent relay will tend to “overprotect” at low currents and to “under protect”at high currents, as shown in Fig. 22. However, the overcurrent relay is very easy to adjust and test, and it is self-reset. For continuous-rated motors without service factor or short-time overload ratings, the protective relays or devices should be adjusted to trip at not more than about 115% of rated motor current. For motors with 115% service factor, tripping should occur at not more than about 125% of rated motor current. For motors with special short-time overload ratings, or with other service factors, the motor characteristic will determine the required tripping characteristic, but the tripping current should not exceed about 140% of rated motor current. The manufacturer’s recommendations should be obtained in each case.

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The overload relays will also provide protection in the event of phase-to-phase short circuits, and in practice one set of such relays serves for both purposes wherever possible. A survey of the practice of a number of power companies45 showed that a single set of longtime inverse-time-overcurrent relays, adjusted to pick up at 125% to 150% of rated motor current, is used for combined short-circuit and overload protection of non-essential auxiliary motors; they are supplemented by instantaneous overcurrent relays adjusted as already described. Such inverse-time overload relays must withstand short-circuit currents without damage for as long as it takes to trip the breaker. Also the minimum requirements as to the number of relays or devices for either function must be fulfilled. Motors rated higher than about 1500 hp are generally provided with resistance temperature detectors embedded in the stator slots between the windings. If such temperature detectors are provided, a single relay operating from these detectors is used instead of the replica-type or inverse-time-overcurrent relays. Also, current-balance relays capable of operating on about 25% or less unbalance between the phase currents should be supplied. If the motor does not have resistance temperature detectors, but is provided with current-balance relays, a single replica-type thermal overload relay may be substituted for the resistance-temperature-detector relay.

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Specially cooled or ventilated motors may require other types of protective equipment than those recommended here. For such motors, the manufacturer’s recommendations should be obtained.

Reference 50 gives more useful information on the subject of industrial-motor protection. Essential-Service Motors. The protection recommended for some essential-service motors is based on minimizing the possibility of unnecessarily tripping the motor, even though such practice may sometimes endanger the motor. In other words, long-time iverse-time-overcurrent-relays are provided for all motor ratings, but they merely control an alarm and leave tripping in the control of an operator. Then, for motors that can suffer locked rotor,supplementary instantaneous overcurrent relays, adjusted to pick up at about 200% to 300% of rated motor current are used, and their contacts are connected in series with the contacts of the inverse-time-overcurrent relays to trip the motor breaker automatically. The instantaneous relays should be of the high-reset type to be sure that they will reset when the current returns to normal after the starting inrush has subsided. The protection provided by this type of equipment is illustrated in Fig. 23.

For essential-service motors for which automatic tripping is desired in addition to the alarm for overloads between about 115% of rated current and the pickup of the instantaneous overcurrent relays, thermal relays of either the replica type or the resistancetemperature-detector-type should be used, depending on the size of the motor. Such relays permit operation for overloads as far as possible beyond the point where the alarm will be sounded, but without damaging the motor to the extent that it must be repaired before it can be used again. 4.ROTOR-OVER HEATING PROTECTION

Squirrel-Cage Induction Motors. The replica-type or the inverse-time-overcurrent relays, recommended for protection against stator overheating, will generally protect the rotor except where high-inertia load is involved; such applications should be referred to the manufacturer for recommendations.

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Where resistance-temperature-detector relaying is used, a single replica-type or inverse-time-over current relay should be added for rotor protection during starting.

Wound-Rotor Induction Motors. General recommendations for this type of motor cannot be given except that the rotor may not be protected by the stator-overheating protective equipment that has been described. Each application should be referred to the manufacturer for recommendations.

Synchronous Motors. Amortisseur-overheating protection during starting or loss of synchronism should be provided for all “loaded-start” motors. (A loaded-start motor is any motor other than either a synchronous condenser or a motor driving a generator; it includes any motor driving a mechanical load even though automatic unloading means may be employed.) Such protection is best provided by a time-delay thermal overload relay connected in the field-discharge circuit.51 Amortisseur-overheating protection is not required for “unloaded-start” motors (synchronous condensers or motors driving generators). An unloaded-start motor is not likely to fail to start on the application of normal starting voltage. Also, loss-of-synchronism protection that is provided either directly or indirectly will provide the necessary protection. An exception to the foregoing is a condenser or a motor that has an oil-lift pump for starting.

Where stator-overheating protection is provided by current-balance-relaying equipment,the amortisseur is indirectly protected also against unbalanced phase currents. Protection against field-winding overheating because of prolonged over excitation should be provided for synchronous motors or condensers with automatic voltage regulators without automatic field-current-limiting features. A thermal overload relay with time delay or a relay that responds to an increase in the field-winding resistance with increasing temperature may be used. In an attended station, the relay would merely control an alarm.

5. LOSS-OF-SYNCHRONISM PROTECTION

All loaded-start synchronous motors should have protection against loss of

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synchronism,generally arranged to remove the load and the excitation temporarily and to reapply them when permissible. Otherwise, the motor is disconnected from its source.

For unloaded-start motors except the synchronous motor of a frequency converter, the combination of under voltage protection, loss-of-excitation protection, and the d-c generator over current protection that is generally furnished will provide satisfactory loss- of-synchronism protection. Should additional protection be required, it can be provided by

an inverse-time-over current relay energized by the current in the running connection and arranged to trip the main breaker. Usually, automatic resynchronizing is not required. All frequency converters interconnecting two systems should have loss-of-synchronism protection on the synchronous-machine side. With synchronous-synchronous sets, protection may be required on both sides. The protective-relaying equipment should be arranged to trip the main breaker on its side.

6. UNDERVOLTAGE PROTECTION

All a-c motors except essential-service motors should have protection against under voltage on at least one phase during both starting and running. For poly phase motors larger than about 1500 hp, poly phase under voltage protection is generally provided. Wherever possible, the protective equipment should have inverse-time-delay characteristics.“Under voltage release,”which provides only temporary shutdown on voltage failure and which permits automatic restart when voltage is re-established, should not be used With such equipment as machine tools, etc., where such automatic restart might be hazardous to personnel or detrimental to process or equipment.

7.LOSS-OF-EXCITATION PROTECTION

All unloaded-start synchronous motors that do not have loss-of-synchronism protection as described elsewhere, and that do not have automatic voltage regulators, should have lossof-excitation protection in the form of a low-set, time-delay-reset undercurrent relay whose coil is in series with the field winding.

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If a motor has loss-of-synchronism protection, amortisseur-over-heating protection, and stator-over heating protection, these equipments indirectly provide loss-of-excitation protection.

8. FIELD GROUND-FAULT PROTECTION

The same equipment as that described for generators may be used if the size or importance of the motor warrants it.

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附录D 中文翻译

交流发电机及马达保护

1.马达保护

这一部分主要涉及的是在有人监管的情况下同步电机，异步电机，同步调相机，变频电机的保护。电机在无人监控的情况下必须采取保护措施防止一切有害的、非正常的情况的发生。关于及小型号的电机保护的描述并不是很明确，尽管基本原理对它同样适用，但是在国家电气代码中对这向课题在细节上是有特殊要求的。在这里所举的关于大型电机事例是满足代码所规定的范围。而且适用更加广泛。然而，这个代码还是适合随时参考的。消防泵电机的保护并不属于这里所描述的范围，因为它在其他地方已经被说明的很详细了。 2.定子绕组的短路保护

过流保护是用于定子绕组短路保护的基本形式。这种形式的电机保护器通过电阻丝能够在电机的工作电压低于600V或高于2200V时起到保护作用。根据断路开关中的直接过流跳闸原理，当电压高于2200V时，将过流继电器与断路开关短开。

这种保护装置应防止干扰设备与电机包括定子绕组间的所有非地导线间的引起的故障。在使用保险丝和直接跳闸装置的地方的非地导线必须安装相应的保护元件。在使用由继电器和直流变压器构成的那种叫做“交流跳闸”地方，从输出端的直流变压器、CT、继电器间的使用非地线是必须的。然而，如果为其提供电源或电容扼流，则带有双向继电器和单地继电器的三电流变压器都能够满足于三相电路的要求而无论其中性源端是否接地。 特殊型电机。对于所有除了普通型外的电机，为自动跳闸装置提供反时限继电器、瞬时相位继电器和接地过流继电器也是一种有效的措施。反时限相位继电器吸和电流要求是稍低于4倍电机额定电流，但是存在着很长的延迟在电机启动时妨碍其运转。瞬时相位继电器的吸和电流是稍高于止转转子电流。反时限接地继电器的吸和电流是额定电流的20%或最高接地电流的10%中的电流最小的数值。瞬时接地继电器吸和电流是额定电流的2.5倍到10倍，当电机启动或外部故障时如果最大有效接地电流低于4倍的额定电流，或者如果要求吸和电流必须高于10倍的额定电流避免不期望的吸和的情况可能被继电器所忽视。如果一个CT，像套管式CT被用于所有的电机电路的三相导体中通过其中心开口，非常敏感的过流瞬动继电器可以被使用。可以使电机在从中性端开始的绕组在有10%发生鼓掌的情况下仍能正常运转。微分型继电器可以用于大型电机。以下是厂商提供的电机保护器的等级参数：（a）2200V—4999V包括1500hp或者更高；（b）5000V以上，501hp以上。微分型继电器的优点是它比过流继电器具有更快

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的预定时间和更加敏锐的保护，但是与此同时当它在启动时或者出现瞬时过流时它将不能正常运转。

在书目中给出了及好的关于工业电机保护的论文。

图21 过流保护的具体说明

3.定子过热保护

所有马达需要对因过负荷、转子停转、或定子电流不平衡引起的过热进行保护. 为全面的保护,三相电机应该在每一相都应该有过载成分; 这是因为，在一相开路的变压器供电给马达将引起流过马达其中一相的电流是流过其他两相的2倍，如图21所示。 因此, 可以肯定不论供电变压器的哪一相开路都会有一个过载成分,而且它应该在所有相中提供过载成分。 不管在三相中过载成分的需求，电动机额定约1500马力及以下通常只提供两相电,假设开相条件下在电机过热之前将会被发现和纠正.

图22.反时限电机过流保护 ，典型的电机过热时延曲线特性A：电机B：复制接力，

C：反时限继电器

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一旦超负荷. 使用哪种中继很大程度上是个人喜好. 其他因素不变,将复制类型提供最佳的保护,因为一般来说，显示无花果。22 其时电流特性更接近比赛加热特性的马达较全面超过电流; 另外，它可考虑加热效果的负荷超载的车前状况发生. 逆时间过接力将趋于\"保护\"，并在低电流的\"保护下\"高水流 图.22.所示。 不过,很容易就过电流继电器测试和调整,是自我复位. 连续额定马达没有服务因素或短时超负荷评级 继电保护装置的还是要通过调整行程在不超过电机额定电流的115%左右。电机服务系数为115%,应跳闸大约发生在不超过125%的电机额定电流。对有特殊电机短时超负荷评级,或与其他服务的因素电机特性将决定所需跳闸特性、 但跳闸电流不应超过额定电机电流约140%. 制造商的建议,应在取得每次。电动机额定高出约1500惠普提供电阻温度探测器通常嵌入定子槽之间 绕组。如果这种温度探测器提供单从这些探测器是接力作业青色的复制式或反时限过电流继电器。 另外,目前负债经营能力转播约占25%之间不平衡或少于应相电流供应。 如果汽车不抵抗温度探测器，而是提供电流平衡继电器、 单一复制型热过载继电器可替代的电阻温度探测器接力。特意通风冷却或其他类型的马达防护设备可能需要比这里推荐。 这种马达，厂商的建议应得到。

让更多有用的资料参考50主题工业电机保护. 对于在职马达. 推荐一些必要的保护服务是以最小马达可能性不必要的跳闸电机 尽管这种做法有时危及发动机. 换句话说,长期超时电流继电器是供所有汽车评级 但他们只是控制了警钟离开绊倒在控制操作. 那么,能受苦锁定马达电机、补充瞬时过电流继电器、 调整后回升约200%至300%的电动机额定电流使用 与他们的接触与交往是串联的逆时间继电器过电流断路器自动汽车行至. 瞬时继电器应高复位式是相信他们会在这次重新申报 正常启动后突有所缓和. 提供的保护则说明这种设备如图23.

基本服务电动机自动跳闸,就是想要除警钟超重之间的约115% 额定电流和瞬时过电流继电器回升, 热继电器无论种类或复制电阻温度探测器型应用 视乎大小的汽车。 经营许可证继电器等超重尽可能超越地步将敲响警钟, 但汽车损害的程度,必须修复才能再次使用。 4.转子过热保护

鼠笼异步电动机.复用型或逆时过电流继电器通常用来进行定子的过热保护，一般除非在高惯性负载的情况下才保护转子; 此类申请应参见生产商的意见. 凡电阻温度检测器,单一复用型或逆时间过流继电器应当在启动时进行转子保护. 绕线异步电动机，对于这种型号的电动机，一般不建议进行定子的过热保护。 每项申请应参考厂商的推荐。

同步电动机.在同步启动或损失过热保护期间,应提供\"加载启动\"发动机. (装载起动马达是不是比任何其它电动机或同步电动机驱动发电机冷凝器; 它包括任何电机驱动一个机械负载，即使自动卸载方式可能解除). 这种保护最好 提供一个延时过载热继电器连接在外地放电电路。

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电机的过热保护,无须\"卸下启动\"马达(同步电动机驱动发电机或冷凝器)。 卸下了起动电机很可能导致在启动时启动电压不正常。同时,失损同步保护提供了直接或间接提供了必要的保障。 上述情况是冷凝器或燃油泵发动机的一个例外。

凡定子过热保护提供电流平衡继电设备,也针对间接保护相电流不平衡.对于带自动调压器无自动场限流特点的同步电动机或冷凝器，因长时间过励磁需要进行场绕组过热保护。带时间延迟的超负荷继电器或随着场绕组温度的增加而相应的继电器.在有人看管的车站，这种继电器仅仅被用来控制一个警铃。 5.同步保护

所有装载启动同步电动机应有同步免受损失保护,一般要求移出负荷和暂时激励、当容许时能够重新激发它们。否则,汽车将失去动力。

为了卸下起动马达除有同步电动机变频器、欠压保护结合器、失磁保护 和直流发电机过流保护,一般都将提供令人满意的失损同步保护。额外保护是应该需要的, 它可由一个反时限过电流继电器通过控制运行连接端子控制主闸。通常,自动识别是不需要的。 所有变频器在同步机互联两制要有亏损的同步保护。带着同步设备, 在两侧可能需要保护。 延迟防护设备应该被安排在行程的主要断路器一侧。 6.欠压保护

所有交流的马达，除了必要服务的外，都还应有针对启动和运行时的各个阶段的保护措施。大于1500hp的多相电机，普遍应该提供负压保护。任何可能的地方，保护装置都应该有逆时滞特点。能提供在电压故障时暂时断电及在电压恢复时自动重启的“负压保护”不应该使用。使用那样设备的机器，在自动重启时可能损害人员、程序或设备。 7.失磁保护

所有卸载启动同步但没有同步保护措施并且没有自动调压器的电动机应该有低开、延时复位继电器线圈与实缠绕的失磁保护。

如果电动机有非同步保护，过热保护、定子过热保护，这些设备间接提供了失磁保护。

8．现场接地故障保护

如果电动机的规模和重要性保证的话，上述描述的用在发电机上的相同设备可以应用。

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