１８
仪表技术与传感器
２００１正
智½化交流电机测控保护器的设计
姜向龙程善美夏½涛
华中科技大学控制科学与Ｉ程系电控所武汉市４３００７４
【摘要】介绍½智½化交流电机测控保护器的功½以及基于８０Ｃ１９６ＫＣ单片机的系统硬件½件
的的设计。实验结果表明：谊智½化交流电机测控保护器具有运行可靠、操½方便以及功½完善等
优点。有着广阔的应用前景。
关键词：测控保护单片机互感器
中圈分类号：ＴＭ３０７＋．３
Ａ
●＇
Ｔ½½ Ｄ½½½½½ ½½
Ｉ½½½½½½½½½½
Ｍ½½½½½½
½½½ Ｐ½½½½½½½½½
Ｓ½½½½½
½½ ＡＣ
Ｍ½½½½
Ｊ½－嵋Ｘ½½½½½½½½
½½½½½½ Ｓ½½½½½½
Ｘ½½ Ｌ½½½½
Ｈ½吐山塔Ｕ½½½½口½½½½
½½
Ｓ½½½½½＆Ｔ½½½½½½½½½．Ｗ½½½½
４３００７４
Ａ½峪½½½½½：Ｔ½½½
½½½½½
½½½½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½ ½½
½½½
½½½½½½½½½½½½
½½½½½½½
½½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½
½½
ＡＣ ½½½½½ ½½½ ½½½ ½½—
½½½½½½½½½½½½½
½½½∞½毗½½９½½
½½８０Ｃ½９６ＫＣ
½½½½½½½½½½½∞∞½臼½½½½．Ｉ½½½½½½½½½鲤∞曲巾∞½½½½，唧½½帆½‰
½½½
½）½½½½
½½½ ½½½ ½½½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½ ½½½½½½½。½½½½
½½½½½½½½½
½½½ ½½½½½½½½ ½½½½６０½ ½½½ ½½½½½½½½
Ｋ½½
½曲妇½½½½½½．
Ｗ½½½½：Ｍ½½½½½½
½½½
Ｐ½½½½½½½½½，Ｅ½½½½½½½ ½Ｅ½Ｄ∞½½½½＂，Ｍ½½½½½
Ｉ½½½½½½½
１
引言
原有的电机保护器普遍存在自动化程度不高，保
和电机定子过温度等保护。这些保护可用保护类型字
来选择哪类有效或无效。保护动½的最大误差时间为
２０ＩＴＩＳ．
护范围有限，精度较½，功½不全等缺点。这类电机保
护器的最大缺点是非数字化的。在自动化程度普遍提
高的今天已不½满足要求。为了实现电机的数字化保
护和工业设备的½络化监控，提高工厂的自动化水平，
开发设计了智½化交流电机测控保护器。½用该智½
化交流电机测控保护器时，根据被保护的交流电机额
定值和现场要求设定保护阈值和动½时间。可以监控
交流电机的运行状态。如有需要，可以½用系统备用
的ＣＡＮ总线接口，实现与远程主机的联½，有效地提
高工厂的自动化水平。
２．４报警
若保护有效，系统停机、报警、显示故障类型，保证
故障得到及时处理。
３系统硬件设计
系统由以８０Ｃ１９６ＫＣ单片机为ＣＰＵ的最小系统，
操½键盘，ＬＥＤ显示，电流测量电路、电压测量电路、
温度测量电路、启动停机控制和ＣＡＮ总线驱动控制器
及其接口等组成．其总½结构框图如图１所示。
２主要功½
２．１启动／停机控制
启动控制有Ｙ一△启动、串电抗启动、串电阻启动
以及直接启动等启动方式．在实现联½后还可实现不
同电机的联锁和分批自启动。启动时间可设定，设定
范围为：０．１½９９．９
½．
圈Ｉ智½化交巍电机测控保护器的原理框图
３．１
８０Ｃ１９６ＫＣ最小系统
８０Ｃ１９６ＫＣ最小系统是本系统的核心。除了
２．２电机运行状态监视
对交流电机的相电流、线电压、零序电流以及定子
温度检测显示，显示精度为１％。这些量的总检测周
期为１３０Ⅱ镕。满足一般现场要求。
２．３保护
可实现电机的短路过流、堵½过流、过½½反时限、
欠½½（空½½）、缺相、过电压、欠电压、漏电、相间不平衡
收穑甘期：２０００．Ｏ½—１７修改蔷日期：２００１—０５—１５
８０Ｃ１９６ＫＣ单片机外，它还包括地址锁存器７４ＨＣ５７３、
３２ＫＢ的只读存储器２７Ｃ２５６、２ＫＢ的串行电可擦除存
储器２４Ｃ１６和½处理器监控芯片ＭＡＸ½２３２。其中
２４Ｃ１６用于保存可以修改的参数。ＭＡＸ½２３２用于监测
系统的直流电源质量和８０Ｃ１９６ＫＣ的运行情况。
３．２操½键盘
操½键盘是系统的输入设备。被保护对象的额定
万
方数据
第８期
・计算机应用・
１９
参数，保护阈值，动½时间，启动方式以及保护类型的
选择等½是通过操½键盘输入到系统并保存在２４Ｃ１６
中的。操½键盘由４个小按键和一个系统复½键组
成。这４个小按键分别为模式／Ｎ键、切换键、停机键、
启动／Ｙ键。用它们来设½参数和发送启动停机½令。
３．３
电压Ｕ。，½为Ａ／Ｄ的采样电压信号。具½电路如图
４所示。
ＬＥＤ显示
在系统运行中，用８个ＬＥＤ显示电机的各种参
数，包括设定的额定参数、各类保护动½时间和相电
流、线电压、零序电流以及温度等运行参数的测量值。
在保护发生后，显示故障类型和引起故障的参数测量
值。８个ＬＥＤ可以直观地监测电机运行和修改某项参
数，改善人机交互界面。８个ＬＥＤ的驱动是由
ＭＡ）【７２１９实现的。
３．４电流测量电路
交流电机的相电流经过外接的电流互感器变换为
额定电流不超过５ Ａ的交流电流。再½为相电流信号
直接输入到系统中。这种方法½系统具有开放性且适
于大电流范围的各种交流电机。系统对额定值小于５
Ａ的交流电流信号的测量电路如图２所示。额定值小
于５Ａ的正弦电流信号Ｌ经变比为２０００的５Ａ／２．５
½Ａ电流互感器Ｔ隔离变换为弱交流电流信号．经２．５
½电½提升、采样放大后变成大于０ Ｖ的交流电压信
号，其变换算式为：
一
图３电压测量电路
圈４墨厦撼½电路
Ｃ½½½½½½
此电路的算式为：
Ｕ½½½＝“‰）峨．鲁；牮½哪（３）
式中￡一½½＝½Ｔ为温度传感器的温度一电流算式。
３．７启动停机控制
启动控制是系统根据设定的电机启动方式控制电
机的启动过程，有串电抗、Ｙ一△和直接启动等启动方
式的选择。停机控村有保护停机、直接指令停机两种
方式。启动停机控制是由驱动器ＭＣ½４１３、继电器和
８０Ｃ１９６ＫＣ的高速输出口ＨＳＯ．０½ＨＳＯ．３完成的，具
有输出时间准确、速度快的特点。
ＣＡＮ总线控制器及其接口
ＣＡＮ总线控制器及其接口是系统与上½机通讯
的设备，实现了多个智½交流电机监控保护器与上½
机组成ＦＣＳ（Ｆ½½½½—½½½
Ｓ½½½½½）½络。ＣＡＮ
总线传输速率高、可靠性高的特点½½成的ＦＣＳ稳定
且实时性强。ＣＡＮ总线控制器及其接口采用Ｐ½½½½½½
半导½公司的ＣＡＮ总线控制器ＩＳＡ½０００和高速收发
器ＴＪＡ½０５３，与上½机结合可以方便地构成ＦＣＳ½
络。
乩２
２・５＋蒜Ｒ½
½
（１）
３．８
再将½。½为采样信号送入Ａ／Ｄ½换器。电流测量电
路包括３路相电流和１路零序电流的测量电路。
３．５电压测量电路
被监测交流电机的额定电压经一个电阻Ｒ．和２
½Ａ／２½Ａ电流型电压互感器隔离后，变成弱电流信
号，经过２．５Ｖ电½提升、采样放大后变成大于０Ｖ的
交流电压信号（如图３），其变换算式为：
½½
½一
圈２电巍蔼量电路
４系统½件设计
从系统的开放性、调试维护的方便性和程序的可
读性等方面考虑，在程序设计过程中把程序按功½划
分为不同的程序模块类，每个程序模块类完成某一功
½。整个系统½件的流程图如图５所示。所设计的各
程序模块类如下：
（２）
４．１上电自检类
在进入检测保护循环之前，系统先执行上电自检
程序。在上电自检程序中包括判断设½的参数是否合
适，如不合适，则提出警告。检测２．５ ½基准是否偏差
过大，如过大。给出警告；如偏差不大，自动校正程序中
的基准数值。
½。＝２．５＋；产Ｒ１
』、４
再将½。½为采样信号送到Ａ／Ｄ½换器。
３．６温度测量电路
测量电机定子温度是监测电机运行状态的重要方
法。温度传感器输出的弱电流信号½—½½½经电阻Ｒ½
取样，Ｃ½滤波后变成平滑的直流电压信号．再放大成
万
方数据
仪表技术与传感器
２００１蔗
／亍１；½［”（誓）½２手脚Ｕ７＝／去砉…誓）½２，½
½足够大时，Ｕ＝．／½Ｉ＂（￡）２½½≈Ｕ７＝
＾１下——一
．／上∑［“（丛））２。因此。系统需测量的７个电气参
Ｖ”而
“
½—了＿＿
数中，除温度外，相电压、线电流和零序电流的测量½
用到了直流２．５Ｖ基准，其目的是为了避免采样值超
过８０Ｃ１９６ＫＣ Ａ／Ｄ的采样范围。因此需要减去这个
２，５
½基准才½得到真实信号．这里是用采样值减去
５１１（１０２３×２．５／５取整）的½件方法获取实际波½的
采样值。以相电流（其为正弦电流）为例可以写出采样
测量后的有效值与输人间的关系：
ＵＵ：１／糖‰½＋掣川．器州邢
Ｊ½善½［２．５＋—½高产川‘器－５½－１２
２
＝．Ｉ／÷∑以墒（½２，０
１＇½足够大时，
厂■１————————————一
½
Ｏ．１０２３Ｒ½】２
（４）
厂■½—————■一厂＿＿鬲——————一
／上½ Ｆ½＝Ｏ匝Ｊ勘（上½
２½）】２＊Ｊ
则（４）式可化为
Ｕ½＝０．１０２３Ｒ１・Ｊ
２／割：砸胁（拼）】２½½
此式即为测量得到的有效值与输入相电流的真实
有效值间的线性关系。依照同样的道理，可以求出线
电压、零序电流与被测量的有效值之间的线性关系。
图５½件澎程图
温度测量值与真实值也是线性的，不需要减去５１１以
补偿２．５½的电½提升。所以电气参数测量与½换程
序模块类主要用于各参数有效值的测量和硬件电½提
升的½件补偿，实现测量值与实际值间的线性关系。
这类程序模块类主要包括Ａ／Ｄ采样程序、高精度
效值运算程序、开方子程序和数值½换程序等。
４．５保护判断类
程序根据测量得到的数据和设½的参数值进行比
较，判断电机是否处于正常状态。如不是，设½标志½
并开始计数，继续判断其他参数是否正常，直到所有的
４．２参数设½类
根据被测控保护的对象和外接的互感器不同，系
统需要修改一些参数，包括初始参数。这些参数的设
定½是由参数设½程序实现的。各种保护判断和启动
停机控制方式也必须依靠参数设½。在进入参数设½
程序之前．需要检验密码正确与否。½密码不对时。没
有输入参数的权利。这就实现了开放性与可靠性的结
合，½智½交流电机测控保护器具有更广的应用场合。
这类程序模块包括参效修改、参数存取、ＥＥＰＲＯＭ读
写和密码验证等子程序。
４．３启动停机控制类
根据所设½的启动模式控制电机的启动时间、启
动方式。根据不同故障控制不同的停机方式。
４．４电气参数测量与½换类
由于系统需要求得被测参数的有效值用于显示和
判断保护，所以有效值的计算是这部分的核心。根据
参数判断完。如果这类故障的标志巳½½，则检查计
数器是否为零，如果为零，则保护停机报警。这类程序
模块包括各类保护判断子程序和停机报警子程序等。
４．６其他功蛇类
这类程序模块包括按键监测程序、参数自校正程
序、显示动态切换程序和定时中断程序等。按健监测
程序用于监测是否有键按下，并根据不同的执行状态
和按键进入设定的功½模块，包括参数设½、参数自校
（下½第３２页）
厂■了½———一
有效值的定义Ｕ＝．／专½“（￡）２½½．可离散化为Ｕ７＝
万
方数据
仪表技术与传感器
容抗变化与Ｒ２或Ｒ６相比，对电路的增益带来较大的
½响。½信号频率升高时，Ｃ：和Ｃ．的容抗变小，反馈
量加大了．½ＩＣ½和ＩＣ２的增益下降，导致了图６中特
性曲线的走向。电路特性的这种走势对人们提高自动
点钞机的点钞速度是不利的。因为速度的提高无疑½
图３中脉冲的频率提高．导致输出电压幅值下降了。
特别是频率在Ｏ½１００００Ｉ－Ｉ½时，½响尤甚。而这正是点
钞时有用信号频率出现的范围。
２００１正
明：½½½的选择必须大于４Ｖ，对于磁头的输出电压½。
在２．４９７－－２．５０３Ｖ变化时，电路的放大倍数没有改
变。对该电路的频率特性的研究结果分析可知．两个
Ｉ½的反馈电容的选取是至关重要的，同时这种电路的
频率特性对提高点钞机的点钞速度是不利的。
参考文献
【１½张福学传感器½感元器件大全．北京：电子工业出版社，１９９１：
４６９．
５结论
对半导½磁头的信号处理电路的试验和分析表
（上接第２０页）
正、启动停机控制、显示切换和确认等。随着系统的运
行，硬件电路和环境有所变化，½测量和保护不准确．
此时可以按“模式键”进入参数自校正程序，用½件校
正方法的方法校正测量值，½测量和保护更为准确。
系统默认情况下½流显示交流电机的三相电流值。如
需查看其他参数值．在接下“切换键”后可以执行显示
动态切换程序来切换显示其他各路参数。用定时中断
程序来保证启动、停机和保护准时有效，同时对
ＭＡＸ½２３２硬件看门狗输出所需要的脉冲。以便保证
８０Ｃ１９６ＫＣ在正常情况下稳定工½。
【２】方½戢．新编传感器原理・应用・电路详解北京：电子工业出版社，
１９９４：１鹋．
（上接第２９页）
ＭＯＶ
Ｐ１．０．Ｃ
ＮＯＰ
ＮＯＰ
ＳＥＴＢ
Ｐ１．１
Ｒ６，ＬＯＯＰ
ＤＪＮＺ
ＲＥＴ
５应用
ＬＥＤ条图显示器在自动化仪表和控制领域有较
广泛的应用．如：
（１）与各类传感器结合，在二次仪表中½直观显示
各种被测量，如温度、流量、液½、½速、电压等；将条图
显示与单片机相结合，更½增加仪表的智½化。
（２）实现数字与模拟的组合显示。在同一显示界面
（面板）上，既有精确的数字值，又有变化趋势显示，这
也是目前流行的显示方式。
（３）通过光柱的布局设计，可以实现多种显示方
式。利用条图显示器色½变化，显示被测量（被控量）
的不同状态：正常区（绿色）、警示区（黄色）、报警区（红
色）。如果在警示和报警状态闪烁显示并辅以声音提
示，效果更½。设定上下限，在同一条图显示器的两端
设定被测量的上限和下限值，超限报警提示。
总之，可以根据实际需要设计条图显示器的½状
和显示方式，达到显示与警示相结合的目的。
●考文献
［１½ＭＡＸＩＭ．ＭＡＸＩＭ产品赍辩垒集．ＣＤ—ＲＯＭ。１９９９．
［２½½立民单片机应用系统设计．北京：北航出版社．１９９０．
［３】享年．ＭＣＳ一５１系列单片机实用接口技术．北京：北航出版社
１９９３．
５系统工½过程
（１）操½者根据被测控对象在参数设½模块中设
定额定相电流、额定线电压、允许的最大零序电流、允
许的定子最高温度以及各类保护阈值的上下限百分数
和保护类型、启动时间、启动方式等参数；
（２）调用启动停机控制模块可以½电机按设定的
启动方式启动；
（３）利用电气参数测量和½换模块可以正确地测
出各参数的有效值；
（４）调用显示模块可以显示测得有效值；
（５）½用保护判断模块检查是否需要对电机进行保护；
（６）利用按键监测模块监测系统的接键输入。
如此（３）½（６）往复运行，可监测电机的运行状态。
６结束语
智½交流电机测控保护器完全实现了交流电机保
护的数字化。实验运行结果表明：该系统具有½用方
便、性½可靠、维护简单、保护可选择以及抗干扰½力
强等特点。它在连上ＣＡＮ总线与上½机一起相成
ＦＣＳ时将大大提高工厂的自动化水平，因此具有良½
的应用前景。
参考文献
［１】替涵芳．Ｉ½½½½½６½单片机．北京：航空航天出版社．１９９５．
［２】段斌单片机电力监控系统交藏采样的实现丑抗干扰措½．电子
与自动化．１９９４（３）：１８．
迁址启事
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上海销售部：上海市四川中路６８１号２１０室
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万
方数据
智½化交流电机测控保护器的设计
½者：
½者单½：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：
姜向龙， 程善美， 夏½涛
华中科技大学控制科学与工程系电控所,武汉市,430074
仪表技术与传感器
INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR
2001(8)
6次
参考文献(2条)
1.孙涵芳
Intel16½单片机
1995
2.段斌
单片机电力监控系统交流采样的实现及抗干扰措½
1994(03)
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引用本文格式：姜向龙.程善美.夏½涛
智½化交流电机测控保护器的设计[期刊论文]
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仪表技术与传感器
2001(8)
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