低壓智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的可靠性設(shè)計(jì)

圖2　電源端未濾波處理的實(shí)驗(yàn)效果 　　　

圖3　電源端濾波處理后的實(shí)驗(yàn)效果

　　上圖為電源端是否使用濾波器，使用瑞士TRANSIENT 2000電磁兼容測(cè)試儀1000V 100KHZ 0.75mS條件EFT群脈沖實(shí)驗(yàn)，從TEXtronix TDS1012B捕抓到的信號(hào)比較，未使用濾波處理的電源輸出端產(chǎn)生了尖峰脈沖，會(huì)導(dǎo)致微處理器復(fù)位，甚至死機(jī)。
2.3  信號(hào)端處理
諧波和電磁輻射干擾會(huì)導(dǎo)致保護(hù)器誤動(dòng)作，使電氣儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，甚至無(wú)法正常工作。在電動(dòng)機(jī)控制回路中產(chǎn)生該類(lèi)干擾源為變頻器和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)講機(jī)。解決的方法有：一是信號(hào)輸入線(xiàn)膠合，膠合的雙膠線(xiàn)能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線(xiàn)電磁感應(yīng)的磁通方向，使其感應(yīng)互相抵消。二是內(nèi)部線(xiàn)路處理。如下圖，采用雙差分輸入的差動(dòng)放大器，具有很高的共模抑制比。在輸入回路中接RC濾波器、信號(hào)的輸入和輸出端使用專(zhuān)用器件、降低輸入輸出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。

圖4 　信號(hào)處理電路

2.4  保護(hù)輸出端處理
輸入輸出端采用光電隔離的方法，也是可以消除共模干擾，同時(shí)在保護(hù)繼電器的的輸出端并接壓敏電阻，有效的提高了繼電器的壽命，也降低了由于外部接觸器動(dòng)作對(duì)內(nèi)部的干擾。考慮到客戶(hù)使用控制電壓的不確定性和接觸器線(xiàn)圈容量，確認(rèn)使用MYG14D821。

圖5　保護(hù)輸出電路

2.5  外部存儲(chǔ)技術(shù)和看門(mén)狗保護(hù)電路
使用外置存儲(chǔ)芯片X25043，SPI接口。微處理器內(nèi)置SPI控制模塊，方便的與該芯片接口，外部存儲(chǔ)技術(shù)保證了運(yùn)行狀態(tài)和事件的記錄。低電壓復(fù)位和外部看門(mén)狗提高了保護(hù)器的可靠性。

圖6　外置存儲(chǔ)器和看門(mén)狗電路

2.6  主體與顯示單元通過(guò)RS485連接

考慮到使用環(huán)境的特殊性和要求的多樣性，主體與顯示單元之間連接也采用RS485 Modbus-Rtu協(xié)議連接，提高了顯示與控制的可靠性。 

3　 軟件可靠性設(shè)計(jì)
3.1  實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度
保護(hù)器起著保護(hù)電動(dòng)機(jī)的重任，對(duì)它的要求是既不能誤動(dòng)，也不能拒動(dòng)，而且必須快速。實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度實(shí)際是通過(guò)時(shí)間片的輪換實(shí)現(xiàn)宏觀上的多任務(wù)效果。對(duì)于保護(hù)器而言，存在著三個(gè)重要的任務(wù)，等間隔的交流采樣，根據(jù)算法得到穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)電量數(shù)據(jù)；根據(jù)得到的數(shù)據(jù)判斷故障，故障計(jì)時(shí)、清零和脫扣輸出；人機(jī)交互界面。下圖以一個(gè)周波T=20mS，32點(diǎn)采樣為例(考慮到快速除法)，32次采樣總時(shí)間為3.2mS，數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間為9.72mS, 計(jì)時(shí)0.36mS,則人機(jī)交互的時(shí)間為6.72mS。這樣的任務(wù)調(diào)度即滿(mǎn)足了保護(hù)實(shí)時(shí)性要求，又較快的響應(yīng)了參數(shù)設(shè)置。
 

圖7　任務(wù)執(zhí)行關(guān)系

3.2  交流采樣、數(shù)字濾波
對(duì)于交流正弦信號(hào)，一個(gè)周期的電壓有效值為

　　根據(jù)電工原理中連續(xù)周期交流信號(hào)的有效值的定義，將連續(xù)信號(hào)離散化，用數(shù)值積分代替連續(xù)積分，從而得到有效值與采樣值之間的關(guān)系。離散化得到

　　同理

　　在對(duì)信號(hào)多次采樣的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件算法提取最逼近真值的數(shù)據(jù)。這種算法計(jì)算連續(xù)的周期的交流信號(hào)，精度高，抗波形畸變能力強(qiáng)。在使用這種算法時(shí)，也可同時(shí)采用連續(xù)平均值法、中值算法等數(shù)字濾波，提高保護(hù)器的抗干擾能力。
3.3  軟件陷阱
程序是固化在微處理器的存儲(chǔ)器中，由編譯器統(tǒng)一安排，但設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員考慮到產(chǎn)品的擴(kuò)展性，一般留有余量，也因此總有些存儲(chǔ)空間會(huì)未被使用。當(dāng)微處理器的PC指針因?yàn)楦蓴_被錯(cuò)置時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)。軟件陷阱就是在不用的存儲(chǔ)空間、中斷入口、子程序后加入強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)指令，讓出錯(cuò)的PC指針恢復(fù)正常。
方法是：NOP
NOP
JSR MAIN

4　 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)低壓智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在實(shí)際使用中遇到的各種電磁兼容問(wèn)題，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面，提出了抗干擾方法，獲得了良好的EMC性能。

　　文章來(lái)源于：《電機(jī)與控制應(yīng)用》2009年第8期。  

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