浅谈ARMLPC2136在电动机保护装置上的实现

浅谈ARMLPC2136在电动机保护装置上的实现

李田吕建平杨振

李田1,吕建平2,杨振3

(1.皖南医学院,安徽芜湖241002;2.苏州大学,江苏苏州215021;3.安徽鑫龙电气股份有限公司,安徽芜湖241000)

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

中图分类号：TM307.3文献标志码：A文章编号：1000-8772(2009)14-0028-04

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如下：

(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）。其动作条件为：，且

(五)起动时间过长保护

电动机若正常起动，超过起动时间后电动机的电流将在额定值附近，低于电流整定值，则起动过长保护自动退出。如果超过起动整定时间，电动机电流仍在电流整定值以上，则启动时间过长保护跳闸。

其中，IΦmax为相电流最大值，I4为起动时间过长电流整定值，T3为起动时间整定值。

(六)接地保护

针对各种接地故障。电动机接地故障取决于供电系统接地方式。对于中性点不接地的系统，故障电流较小；中性点直接接地的系统中，故障电流数值将很大。本系统接地保护主要针对后者。

其中I0为零序电流，I0dz为保护电流整定值，T0为接地保护动作时间。

(七)过压及欠压保护

过压保护动作条件：其中Uy1为过压保护定值。

欠压保护动作条件：其中Uy2为欠压保护定值。

四、软件设计

软件部分的设计主要采用C语言，在ADS1.2编译环境中进行，结构简洁紧凑，程序执行效率高，大幅度缩短开发时间，方便升级和移植。

其主程序较简单，主要由装置状态和按键状态循环程序构成。系统初始化后，通过装置状态标志位判断装置是否发生变化。如果发生变化就启动相应保护动作子程序，然后再进入按键判断循环；如果装置状态标志位没有发生变化，则直接进入按键判断循环。此时若系统检测有按键按下，就进入按键处理子程序，并进行相应操作。

主要完成定值读写、保护投退、模拟量上送、接收或发送与面板的通讯数据等多项功能。同时，装置还具有与上位主站通讯功能，可完成对本装置各种调试、测试功能，实现无人值守。

五、结语

本文介绍的智能电动机保护器，充分利用了LPC2136内部资源，其结构紧凑，功能强大，具有很高的性价比，搭配简单的外围电路就能对电动机进行较为全面的保护。同时，本保护装置灵活性强，便于推广。对于不同的电动机，系统只需采用不同的电流互感器，并在保护器中设定相应的负载功率即可。本保护装置经过反复试验后投入到实际应用中，取得了预期效果，具有很好的市场应用价值。

参考文献：

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作者简介：李田(1980-)，女，硕士研究生在读，助教，主要从事自动化装置、检测技术研究；吕建平(1953-)，男，硕士研究生，副教授，主要从事信息安全、模式识别研究；杨振(1980-)，男，大学本科学历，助理工程师，主要从事智能电器与现场总线、数字式测控装置研究。