浅谈ARMLPC2136在电动机保护装置上的实现

   摘 要：电动机保护器以ARMLPC2136芯片为主控核心，充分利用LPC2136强大的功能，以采样电流及采样电压为判据，对电动机是否异常和故障类别进行正确的判断和处理。介绍该保护器总体设计方案、采用的保护逻辑、系统硬件电路的构成及特点，并给出软件工作流程。此保护装置经反复试验后投入实际应用，取得了预期效果，具有良好的市场前景。

    关键词：电动机保护器;LPC2136;故障检测

    随着我国电力工业迅猛发展，电动机的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证。因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。但是在实际使用过程中，由于电网、电动机本身质量及工作环境等多种因素，电动机会出现过压、欠压、电流不平衡、欠载及过流等故障，并由此带来了巨大的经济损失。因此，智能型电动机保护装置的开发与研制势在必行。

    目前多数电动机保护装置仍在使用8/16位的单片机，由于此类单片机大部分缺少SPI接口、I2C总线及A/D转换口等功能模块。如果要进一步提高电动机保护装置的性能，则需要通过添加相应的芯片进行扩展。这无形中增加了系统制造成本，降低了系统的可靠性，同时产品的体积将随着芯片的增加而增加。与此相比，本文采用的ARM单片机由于采用了新型的32 位ARM核处理器，使其在指令系统、总线结构、调试技术、功耗以及性价比等方面远远超过了传统的8/16位单片机。同时ARM单片机在芯片内部集成了大量的片内外设, 使其功能和可靠性大大提高。

    一、系统功能特点

    本文设计的智能电动机保护器采用了飞利浦公司生产的嵌入式LPC2136芯片为主控核心。LPC2136属于ARM7系列处理器，是一个支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S核微处理器，其体积小、功耗低，性价比高。它使用了0.9MIPS/MHz的三级流水线结构，有效地提高了处理器的利用率；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。而Thumb超精简指令集可以在芯片性能基本不受影响的情况下，使程序代码减少30%。加上其指令大部分在寄存器中执行, 从而进一步提高了系统运算速度。同时其丰富的片上资源，可以很好得满足用户的使用要求。

    正是由于本保护器使用了LPC2136芯片，使得本保护装置在完成传统保护功能的前提下，还具有以下特点：

系统具有强大的数据处理能力，可以对电动机的电压和电流进行实时跟踪采样，快速计算出采样量的有效值。并根据有效值和保护值比较结果，能迅速对电动机工作状态和故障类别进行正确的判断和区别处理。极大地提高了电动机保护系统的可靠性、速动性。

    先进的网络通讯功能。系统支持MODBUS-RTU总线协议，具有RS-485远程通讯接口。通过通讯接口可将保护器与上位机相连，既能实现各个保护单元的资源共享，又可以实现远程控制和集中控制，从而为电动机构筑了有效的保护测控网络。

    二、硬件设计

    本系统采用模块化设计，主要分为六个部分：处理器LPC2136、信号采集模块、显示模块、通讯模块、控制模块和按键模块。图1为电动机保护器硬件结构图。

    (一)信号采集模块
    一方面，为了及时监控电动机的运行状况，需实时对电动机的电压和电流进行采样。同时考虑到电动机多用于环境恶劣的现场，周围存在大量的干扰信号。因此，本系统在保护器前端采用了抗干扰性能较强的互感器对电流和电压信号进行采集。这样在不影响主回路的情况下即实现了强电与弱电的完全隔离，又进一步提高了系统的可靠性。

    对电流信号，本保护器采用了穿芯式三相电流互感器进行采集。电流互感器为定做产品，需根据所要保护的电动机额定功率的不同进行选择。本装置所选用的互感器比值分别为6.3A:10mA，25A:10mA，100A:10mA，400A:10mA。电流采样电路如图2所示。

    其中Ia为电流互感器输出的二次电流值，+1.65V为基值电压，IaP为保护通道，IaM为测量通道。因LPC2136集成的A/D转换器电压工作范围为0-3.3V，所以必须对电流互感器输出的二次电流值进行一定的转换。为此，系统采用+1.65V的基准电压并结合运放将其转换为0-3.3V之间的电压信号，然后再将其送至A/D通道。B相电流、C相电流采样结构与上图相同。

    对剩余电流的保护，本系统采用了两种方法。一种方法是直接将三相电流互感器输出的二次电流值连接到系统内部运放，计算电流矢量和。其结构如图3所示。其中Ia、Ib、Ic分别为电流互感器输出的二次电流值，运放则是作为加法器使用。这种方法成本较低，但是准确性不高。另一种方法是需外接一个剩余电流互感器，此种方法检测的电流灵敏度较高，它是保护器增选功能。

    对电压信号，本保护器选用了电流型电压互感器对一路线电压进行采集。
    其中+1.65V为基值电压，电流型电压互感器配比为1:1，原电流值为2mA，二次电流值为2mA。信号经运放转换后送入LPC2136的AD通道。基准电压选择的原因与电流采样相同。

    (二)通讯模块
    本系统具有RS485物理接口，遵循国际标准的MODBUS通讯协议，可以实现遥控、遥测等功能。通讯部分采用了周立功公司开发生产的通讯集成模块RSM3485CHT。该模块内部集成电源隔离、电气隔离、RS-485收发器及总线保护器件于一身，具有很好的抗干扰性能。

    LPC2136具有两个符合16C550工业标准的通用异步收发器接口，图中应用了P0.0管脚及P0.1管脚分别与RSM3485CHT模块的TXD及RXD相连。模块的A管脚和B管脚分别与外部装置相连。

    (三)按键模块
    按键模块分为参数设置键和复位键。其中参数设置键由上翻、下翻、返回和确认四个键组成，通过这些按键可以进行面板菜单操作，实现参数设定。复位键用于故障解除后的复位或者在紧急停车时使用。图5为复位电路图。

    智能保护器中，电动机数据如电动机型号、额定电压、额定电流、历史故障、从站地址、主站地址、识别号等，在断电的情况下应保持。因此系统中采用了CAT1025芯片。它将2K 位的串行E2PROM 和用于掉电保护的系统电源监控电路集于一体，具有I2C串行接口，支持串行总线协议。其串行口SCL、SDA分别于LPC2136的P0.2、P0.3相连接。同时，它还兼有复位功能，其RESET 管脚或者独立的复位输入管脚MR都可以用作手动按键复位输入。本系统采用了手动复位。

    三、保护逻辑条件

    本装置通过对电动机正序电流、负序电流、零序电流，及电压进行检测，使其与相应的设定值进行比较，根据比较结果对电动机实施保护动作。系统具体保护逻辑条件：

    (一)电流速断保护
    对电动机严重短路故障包括相间短路和三相短路采用电流速断保护。如果任一相电流大于速断电流定值至整定时间，保护就报警或动作。
    其中，IΦmax为相电流最大值，Isd为速断电流定值，T1为速断时间定值。

    (二)堵转保护
    电动机发生堵转时，电流呈上升趋势，且要求发生时间很短，为此本系统采用正序短时限保护。当任一相电流大于堵转电流定值至整定时限，保护就报警或动作。
   其中，IΦmax为相电流最大值，Idz为堵转电流定值， 为堵转时间定值。

    (三)过负荷保护
    主要防止由过负荷、不对称过负荷引起、定值断线等引起的电动机过热。过负荷保护是在各种运行情况下，建立电动机发热模型，为电动机提供保护。可根据正、负序电动机对电动机热效应的不同，采用正序和负序电流的等效电流 来模拟电动机的发热效应
    其中，I1为负序电流，I2为正序电流，K1为正序电流发热序数，在起动时间内为0.5，起动结束后为1；K2为负序电流发热序数，一般取为6。
    其中，T为过热保护动作时间， 为电动机热积累常数，Ieq为热等效电流，Is为保护整定动作电流。    

    (四)负序反时限保护
    负序反时限保护主要针对各类非接地性不对称故障，包括断相、匝间短路、相间短路、转子开焊等。其故障主要特征就是会出现较大的负序电流，负序电流在转子中产生2倍工频的电流，使转子发热大大增加，危及电动机的安全运行。

    负序反时限保护具有和过负荷保护相似的特性，其运行时间－电流曲线数学模型  
    其中T为动作时间，I2为负序电流，IS2为保护整定电流。
    本装置采用两段式定时限负序电流保护作为电动机断相、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组匝间短路的主保护：
    第一段具有高整定值I21（负序电流Ⅰ段电流定值），短延时T21（负序电流I段时间定值）。
    第二段具有低定值（负序电流Ⅱ段电流定值），长延时T22（负序时间n段时间定值）。