1、辽宁科技大学本科毕业生设计 第 I 页经济型数控机床电动机保护器设计摘 要电动机在国民经济中起着举足轻重的作用，电动机能否正常运行直接影响着生产，甚至可使生产中断，故对电动 机的保护就非常重要了。本文介绍了一种以微芯公司的单片机 dsPIC30F6014 为核心的智能电动机综合保护器。本系统主要由电源模块、三相电流取样模块、键盘控制模块 、LED 显示块、及单片机控制模块组成。通过对三相线电流的实时线性取样,实现对电动机过流、过载、欠流、缺相、三相不平衡、接地/漏电、外部故障等进行保护。同时，本系统还具有强大的控制功能和 检测功能。其最大特点是利用微型控制器的存储记忆、逻辑 判断和数值运算等强
2、大信息处理功能,克服模拟式继电保护的不足,实现性能稳定、动 作速度快、灵敏度高、可靠性好的保 护要求和更高的技术指标,提高电动机的工作效率，使其更顺利的工作，更好地服务于生产。关键词:单片机;三相电动机;保护器辽宁科技大学本科毕业生设计 第 II 页CNC Machine Tool Design Motor ProtectionAbstractMotor in the national economy play a decisive role, the motor can directly affect the normal operation of the production, and e
3、ven allows the production interruption, the protection of the motor is very important. This paper introduces a Microchip dsPIC30F6014 microcontroller company at the core of the intelligent motor protector. This system mainly by the power modules, three-phase current sampling module, keyboard control
4、 module, LED display pieces, and SCM control module. Through the three-phase line current in real-time sampling of linear, and the electrical flow, overload, less flow, missing phase, three-phase imbalance, grounding / leakage, such as external fault protection. At the same time, this system also ha
5、s a great control and detection. Its greatest feature is the use of micro-controller of memory, logic and judgement, such as numerical computing power of information processing functions, analog relay to overcome the deficiencies and achieve stable performance, fast action, high sensitivity, reliabi
6、lity and good protection requirements Higher technical indicators, improve the efficiency of motors, the work to make it more successful, better serve the production. Key words: SCM; Three-phase Motors; Protection辽宁科技大学本科毕业生设计 第 III 页目 录1 绪 论 .11.1 数控机床 .11.2 电动机保护器的 概述 .11.3 国内电动机保护器的状况 .21.4 电动机保护
7、器的特点 .32 工作原理及方案确定 .42.1 基本工作原理 .42.2 系统功能特点 .52.3 方案确定 .52.3.1 单片机的确定.52.3.2 三相电流采样回路的确定 .72.3.3 键盘及显示管的确定 .83 电动机的常见故障及其保护 .103.1 过载保护 .103.2 过流、欠流保护原理 .133.3 短路保护 .133.4 缺相和相不平衡保护 .133.5 接地保护 .143.6 欠电压保护 .144 系统的硬件设计 .144.1 三相电流采样部分设计 .144.2 显示部分设计 .174.2.1 移位寄存器 74HC595 芯片的设计 .174.2.2 LED 数 码管设
8、计 .184.2.3 显示电路设计.194.3 控制输出设计 .20辽宁科技大学本科毕业生设计 第 IV 页4.4 控制主板 单片机 dsPIC30F6014 的设计 .214.4.1 dsPIC30F6014 单片机内容概述 .214.4.2 dsPIC30F6014 的硬件组成 .224.4.3 dsPIC30F6014 的内部 EEPROM .264.5 电源电路设计 .274.6 键盘电路设计 .274.7 其它主要元件.284.7.1 光耦合器 PC817 .284.7.2 薄膜电容.294.7.3 肖特基二极管.304.7.4 集成运算放大器.304.7.5 晶体管.315 系统软
9、件设计 .34总 结 .37致 谢 .38参考文献 .39辽宁科技大学本科毕业生设计 第 1 页1 绪 论1.1 数控机床数控机床又称数字控制（Numbercal control，简称 NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。本设计中所涉及到的数控机床是经济型数控机床，这种机床具有经济实用，结构简单，操作方便，价格低廉的特点，它的特控制系统通常采用单片机（8 位、16 位、32 位）作控制器，驱动电机采用步进电动机，多数采用开环控制，由于经济型数控系统具有较高的性能价格比，因而广泛地应用于机床产品的升级换代和普通普通机床的技术改造上。近年来，我国在经济系统
10、的研究开发和生产上投入了大量人力和物力，在经济型数控机床领域里经历了几个五年计划之后已经取得了可喜成果，经济型数控机床在我国机床市场上占有较大比重，成为我国制造业不可或缺的一部分。经济型数控机床是一种利用数控技术，准确地按照事先安排的工艺流程，实现规定加工动作的金属切削机床，它主要由控制介质、数控装置、伺服机构、机床、测量装置。由于该机床的精度比较高，因此其驱动部分的作用显得非常重要，而本机床的驱动电机采用步进电机，所以电机的保护也同样非常重要。1.2 电动机保护器的概述电动机在我们生活的任何领域的应用都非常广泛。在家电行业，我们的洗衣机、空调等都是用电机驱动的；在农业领域，棉花机、粉碎机等，
11、他们都是靠电动机来提供动力的；在工业方面的应用最为广泛，钢厂里炼钢炉的转动，送料机的推动，煤矿里煤的运输，码头集装箱的搬运，电力机车的行走等等都是电动机让他们运行的。如果没有电动机那整个工业都无法运行，电动机直接影响着工农业的生产，所以电动机能否正常的运行关系着生产效率，甚至影响整个生产线的运行。但现实中，由于电机过载、堵转、断相、短相、欠压、过电流等故障造成对电机的损坏，故对电机的保护是十分必要辽宁科技大学本科毕业生设计 第 2 页传统的电动机保护采用继电器,虽结构简单,但由于元件本身特性的差异,精度差、反应慢。随着电子技术的发展,用微处理器来计算负荷不仅能迅速反映电动机各种故障,且很容易加
12、入其他控制条件,如电动机热容量、散热条件等,使它能更准确、及时地反映电动机状况,实施有效保护。本文以 DSPIC30F6014 单片机为核心,对电动机进行全方位的一种智能综合保护器。1.3 国内电动机保护器的状况我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。(1)热继电器、熔断器和电磁式电流继电器。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品,它是利用双金属片热效应工作的。但热继电器存在致命的缺陷,包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等,已无法满足越来越高的要求,因而也就无法避免被淘汰的命运。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功
13、能,有的还有缺相保护,其过载保护具有反时限特性,但其结构复杂,机械制造精度高,价格高且体积庞大,因而目前已被基本淘汰。(2)模拟电子式电动机保护器(电机保护器)。在上个世纪七八十年代,随着半导体模拟器件的兴起及普及,涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器(电机保护器),为电机的可靠运行提供了较可靠的保障,但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷:整定精度不高;采样精度不高;无法实现具有多种保护功能于一体的全保护。鉴于以上原因,纯粹模拟线路的电动机保护器(电机保护器)正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。随着近年来微处理器技术的发展,给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬
14、件平台,使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。 3常规电子式保护器,检测元件一般采用速饱和电流互感器,不存在发热问题,其动作稳定性与热继电器相比有了质的飞跃。但是常规电子式保护器均采用人工可调定时限保护特性,无法实现与电机热过载保护特性曲线相匹配的反时限特性保护,只能实现“单点式”保护,并且该保护装置一般采用定时避开启动电流的措施,以防止正常启动辽宁科技大学本科毕业生设计 第 3 页的保护误动作。但是如果启动过程中出现异常故障,则电机就得不到保护。另外,由于电网电压波动、干扰、自身发热等因素,其故障率也很高。随着电子技术的发展,继电保护技术的数字化、计算机化成为了必然的发展趋势。 热继电器的淘
15、汰为电子式电机保护技术的推广与使用提供了广阔的前景,况且国内的电机保护控制装置由于价格高或产品质量低劣而未能普及,技术水平及在品种和数量上远远满足不了国民经济发展的需要。因此尽快开发新型三相电动机智能保护器,使我国低压电器产品追踪国际最新技术成为当务之急。在这种背景下,以单片机为核心,对电机过压、欠压、过载等故障具有综合检测保护功能的智能保护器应运而生。1.4 电动机保护器的特点这个电动机保护器具有以下特点： (1)数字化技术，保证保护性能的准确可靠。智能型数字化系列电机保护器采用新型单片机为保护系统的硬件核心，集成化程度高，具有高精度、宽温度范围的高稳定性，强抗干扰能力，耗电少，连续工作性可
16、靠，寿命长等优点此外，系统还具有串行通讯功能，便于实现远程显示，易于扩展功能(2)全过程保护方式一启动保护+运行保护。启动保护包括断相、过流、过载、启动时间长、连续频繁启动造成的热积累，过电压、欠电压等多重热保护措施。智能型数字化系列电机保护装置，采用独创的过电流倍率启动时间混合的 AT人工智能反时限保护方式，既能准确避开正常启动电流，又能保证启动过程发生异常时(如断相、过流、过载、启动时间过长、连续频繁启动造成的热积累等)，使电机得到有效的过热保护。同时，根据电机的过载特性曲线和热惰性，采用独创的 AT人工智能双向反时限保护特性对电机运行中出现的断相、过流、过载、连续频繁短时过载造成的热积累
17、等过热故障，实施准确有效的保护。(3)多重保护措施=断相保护+过流保护+过栽保护+过电压、欠电压保护。断相保护：包括电机内部和外部供电引起的各种断相故障，保护特性为定时限。过流保护：包括采样传感器到电机及电机内部的局部短路保护，保护特性为定时限。辽宁科技大学本科毕业生设计 第 4 页过载保护：根据电机额定电流确定保护整定值基于过电流倍率的自动双向反时限特性保护。连续频繁短时过载造成的热积累保护。连续频繁启动造成的热积累保护。过电压、欠电压保护：电网供电过压及欠压引起的故障保护、保护特性为定时限。（4）该产品具有热记忆功能。控制器因过载.堵转过流等故障动作后，在可恢复时间内具有热记忆功能；控制瞬
18、停再启动则在复位时间内具有热记忆功能。2 工作原理及方案确定2.1 基本工作原理电机保护器是最近 10 多年才发展起来的一种新型电子式多功能电动机综合保护装置。它集于过( 轻) 载保护、缺相、过(欠) 压、堵转、漏电、接地及三相不平衡保护等低压保护于一身,具有设定精度高、节电、动作灵敏、工作可靠等优点,是传统热继电器的理想替代产品。它通常是由电流传感器、比较电路、单片机或出口继电器等几个部分组成。其基本原理及工作过程如图 2.1 所示。图 2.1 电动机保护器原理传感器将电动机的电流变化线性地反映至保护器的采样端口,经过整流、滤波等环CT检测参数设置整流滤波 信号调理A/D转换CP U故障判断
19、故障记忆信号显示继电器输出通 讯辽宁科技大学本科毕业生设计 第 5 页节后,转换成与电动机电流成正比的直流电压信号,送到相应部分与给定的保护参数进行比较处理,再经单片机回路处理,推动功率回路,使继电器动作。当电机由于驱动部分过载导致电流增大时,从电流传感器取得的电压信号将增大,此电压值大于保护器的整定值时,过载回路工作,RC 延时电路经过一定的(可调)延时,驱动出口继电器动作,使接触器切断主回路。欠压及缺相保护等功能部分,工作原理基本相同。 62.2 系统功能特点该保护器具有人机交互功能、故障指示和热量记忆功能;具有串行通信接口,可与PC 机组成网络监控系统; 支持在线调试、在线仿真。具有以下
20、功能特点:（1）电流传感器卡式结构具有使用方便、与主回路完全隔离及可靠性高的特点,同时又彻底解决了接线端子发热的问题,且互换性好。安装不需拆卸主回路,提高现场安装效率。（2）整机模块化结构,传感器与主体可组成一体,也可分离安装。主机具有高清晰度 LCD 显示,通电时显示 STOP;检测状态时循环显示 A、B、C 三相电流;保护状态时可记忆显示过流过压、欠压值;设置状态时显示各故障字符及设定值。（3）采样精度高。众所周知,用于电动机保护器采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的 7 倍(因为电动机在堵转情况下会达到 57 倍的额定电流), 但要想使矽钢片做成的电流互感器在很
21、宽的范围内保持线性是非常困难的。而这种电机保护器应用微机和数字处理技术,克服了以上问题,因此测量精度高、线性好、故障分辨准确可靠及整机抗干扰能力强,并具有诊断功能。（4）采用 EEPROM 存储技术 ,可方便设定各种保护参数。如电动机起动时间、额定电流、过流反时限保护动作值、堵转电流对额定电流的倍数、通讯地址号、三相电流不平衡百分比、过压值、欠压值、漏电电流值、短路故障参数等。断电后参数仍保存下来,不需再设定。另外还有追忆功能,可存储近期电机所发生的 3 次故障原因。（5）一机多用,可取代电流表、电压表、热继电器、电流互感器和时间继电器等。2.3 方案确定根据系统功能特点，确定本电动机保护器主
22、要由 CPU、三相采样回路、键盘和数辽宁科技大学本科毕业生设计 第 6 页码管显示等部分组成。2.3.1 单片机的确定当前单片机种类繁多,且性能各异,因此,作为系统枢纽的 CPU 的确是系统方案确定的核心问题。美国微芯公司推出的 dsPIC30F 16 位系列数字信号控制器，采用精简指令集（RISC ） 、哈佛总线结构和 2 级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、功耗低、速度高、体积小、功能强等特点，体现了数字信号控制器发展的一种新趋势，深受广大用户的欢迎 11。dsPIC30F6014 数字信号控制器（DSC）是单片嵌入式控制器，它集成单片机（MCU）的控制功能以及数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力便于数据处理，输入输出端口可以设置，便于应用。因此，我确定选用由美国微芯公司产的 DSPIC30F6014 芯片，如图 2.2 所示，该单片机有 80 个管脚。
