基于ARM9的电机缺相保护装置设计

吴 琴 姚善化 杜 斌

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

0 引言

由于绝缘技术的发展，要求电机在设计上既要增加出力，又要减小自身体积；随着现代生产自动化程度的不断提高，对电机的运行要求越来越高，比如说运行在频繁的启动、制动、正反转以及变负荷等多种方式；另外由于电机的应用面很广，常常需要工作于极为恶劣的环境下，如潮湿、高温等。这些造成了现在的电机比过去更加容易受到损坏，其主要原因是电机缺相、过载、短路等。在没有保护装置的情况下，一旦电机出现这些故障，时间稍长，会烧毁电机。

目前使用的电机保护装置大多数是JDB系列保护器，而该系列综合保护器[3-6]大多是分立元件组成，属于非数字化设备且电路设计较为复杂。其普遍不能直接接入三相380V电源电路并对其电流信号进行直接的处理，而是需要将其转换成0-5V的低电压，对低电压进行相应的处理，然后送入处理器中进行保护参数的判断并给出相应的保护。其通常存在精度较低、自动化程度不高等缺点。针对上述现象，文中设计了一种通过DF783A芯片，需要对三相 380V电源进行预处理的三相相位信号接入DF783A中进行缺相保护的判断，并将结果送入ARM9中，通过ARM9控制RS-485将结果送入控制中心的上位机上显示的电机缺相保护装置。

由于采用了通信模块，使得控制中心的人员能够实时监测电机的运行状态，一旦电机出现故障，第一时间能够停止电机运行，实时地保护电机。

1 系统的硬件设计

本系统选用ARM920T内核的16/32位嵌入式微处理器S3C2410[1]作为最小系统。系统通过来自DF783A的缺相报警信号及时触发继电器开关对电机[2]进行保护等，系统工作的同时还将各种数据通过RS-485通信传动至上位机实现集中监控系统的整个运转状态，方便了数据的统计管理。其整体设计的框图如图1所示。

1.1 S3C2410最小系统

S3C2410为本系统的核心部分，它内部集成有：1个支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏的LCD控制器；内部有8个内存块，每个内存块128MB共1GB，每个内存块都支持SDRAM自动刷新模式；NAND Flash控制器；3个通道的UART(串口)，可以用来实现RS485通信；8通道的10位ADC；触摸屏接口；4个通道的DMA；4个具有PWM功能的计数器和1个内部时钟；I2S总线接口；2个USB主机接口；1个USB设备接口；2个SPI接口；SD接口和MMC卡接口；看门狗计数器；117位通用I/O和24位外部中断源。

1.2 相位信号隔离电路与DF783A电路

DF783A是一种可用来检测三相电压的相序和缺相状态，发出缺相报警信号并对错误的相序进行自动调整。图2相位信号隔离电路中将三相380V电源接入L1、L2和L3，通过变压器降压及光电耦合器进行隔离，其输出端的三相相位信号从IN1、IN2和IN3输入，经过相位处理单元后产生相序检测信号。该检测信号在逻辑判断单元中与给定的输出相序选择信号进行比较，经过延时后，通过输出电路产生两路输出信号QA和QB，用以控制相序的调整；同时输入的三相相位信号经过缺相检测模块处理后，在逻辑判断单元中对电源是否缺相做出判断，并将引脚3的缺相报警输出信号ALM通过电平转换电路后接入S3C2410的GPF2引脚，通过S3C2410做出相应的处理，用来控制电源的开启与切断，达到缺相保护的目的。注意使用该芯片进行缺相判断时，缺相保护允许端口即图2中4引脚必须输入高电平。图2中工作状态指示模块的作用是输出一系列信号，其中 6引脚为输入电源正相序指示端，7引脚为输入电源逆相序指示端，15引脚为输出电源正相序指示端，16引脚为输出电源逆相序指示端，8引脚为延迟状态指示端。

1.3 RS485通信电路

本系统还设有一个RS485转换接口电路，用来和上位机之间进行通讯，以便上位计算机能够实时监测电机运行状态，一旦电机缺相，既可以通过上位机进行切断电源进行电机保护，也可以通过键盘输入切断电源命令进行电机保护。具体电路设计如图3所示。

S3C2410中有 3个UART，此处选用 UART0的 RxD0、TxD0，为了防止干扰，此处设计了光电隔离电路对两路信号进行了光电隔离，之后再连接至485芯片的RO、DI引脚，通过处理器的GPF1引脚来控制信号R/D，此路信号同样需要经过光电隔离电路才能控制485芯片的发送器使能和接收器使能（DE和/RE）引脚。若GPF1信号为高电平，则485芯片的DE和/RE引脚为高电平，即发送器有效，而接收器禁止，此时S3C2410可以向RS-485总线发送数据字节；若GPF1信号为低电平，则485芯片的DE和/RE引脚为低电平，即发送器禁止，而接收器有效，此时S3C2410可以接收来自RS-485总线的数据字节。由此可知，485R芯片中的接收器与发送器不能同时工作，只能有1个处于工作状态。

为了防止干扰，使用B0505S-1W器件可以给出与处理器电路完全隔离的一路电源输出，用于向RS-485收发器电路提供+5V电源。

2 系统的软件设计

本装置用ADS集成开发环境来编写处理程序，为了以后更好地开发以及电机保护功能的齐全性的考虑，首先需要加载bootloader.bin文件，用来初始化外围硬件设备、建立内存空间映射图 （主要是SDRAM、Flash与S3C2410之间的映射关系），从而将系统的软件及硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核做好准备。主程序主要由以下几个部分组成。

（1）S3C2410上电复位运行后进行各种内存单元的初始化，设定其工作参数。实时接收GPF2引脚的信号，若该信号为高电平，则说明电机处于正常工作状态；若该信号为低电平，则说明此时电机缺相。

（2）与上位计算机之间进行通信，将送入处理器的电机缺相报警信号按照RS-485[9-10]总线标准送入上位计算机内，以便上位机进行实时监控管理，在串行口中断中实现。

主程序的设计框图如图4所示。

3 结束语

基于S3C2410处理器控制的电机缺相保护装置完全实现了电机缺相的实时监控，一旦出现电机缺相，即可以在远程上位机上操作进行缺相保护，也可以通过触摸屏上显示的缺相保护按钮进行电机保护操作。而且在此电路基础上，添加相应的数据处理电路还可以进一步实现过载保护、短路保护等。实验证明：该保护装置性能可靠、维护简单，同时本装置中设有RS485接口，可以与上位计算机进行显示及控制。

［1］丁金磊.基于ARM的电动机综合保护装置设计[D].南京理工大学，2008.

［2］DF783A三相相序控制与缺相检测电路[Z].2012.