基于单片机的低压马达保护装置

3 硬件电路设计

该低压马达保护装置以TI公司16位单片机MSP430作为控制核心。它集成了微处理器、60 kB的FLASH存储器、1kR的RAM、12位的A/D模块和看门狗定时器，结构简单，功能强大，具有运算速度快，处理能力强，片内资源丰富，开发环境高效等特点。此外还具有一定的抗干扰能力，监视电动机故障，具有成本低、性价比高、可靠性强的优点。其内部两个不同时钟信号，可以在指令的控制下关闭或打开，从而能够轻易地选择作用于不同的工作模式。片内集成了边界扫描的JTAG调试接口，可以实现核心仿真调试功能，便于在线编程和调试。采用矢量中断时，用中断将单片机从马达故障中唤醒反应很快。这样一旦发生故障，可以对外部请求做出快速响应。

监控电路能够监控电源电压故障和CPU的工作状态，故障时能及时发出复位信号。故障显示和报警电路包括跳闸输出、报警指示灯和故障复位按钮，跳闸信号迅速控制马达的工作状态以实现保护。通讯接口电路采用基于MODBUS协议的RS-485通讯方式与上位机进行通讯，实时传递和记录故障信息，以供测试和监测保护装置的状态，以组网实现遥测、遥控和遥信功能。保护装置的硬件结构电路设计如图1所示。

先分别通过电压和电流互感器采集马达的三相电压和电流信号，经由电流电压变换器及放大转化为合适的电平。装置通过键盘接口能够设定马达的工作参数、保护参数和通信设置参数。利用MSP430内部的A/D转换和采样功能，可直接将电平送到CPU进行保持和转换。转换后的数据经MSP430分析处理后，通过与原设定值进行比较，判断马达是否出现过载、堵转、短路、断相、接地、不平衡等故障。一旦出现故障信号后，单片机将根据故障类型进行延时处理，然后给出信号，通过输出口送至继电器，断开继电器常闭触点，切断马达的控制线路电流，同时指示灯报警并指示故障类型，使马达停止工作，从而达到保护低压马达的目的。

4 软件设计

系统软件是在开发环境下用C语言编写调试完成，采用模块化设计，程序维护方便，运行可靠，包括数据的采样和处理、参数设定、保护子程序、显示子程序等。参数设定模块是设定系统保护参数的，其功能的实现主要由键盘接口、LCD显示器和编写的程序来共同完成。系统先进行初始化后，单片机进行A/D转换，完成采样，采用同步采样多次求得平均值滤波的方法来提高系统的抗干扰性能，然后通过傅里叶算法进行计算参数。根据采样得到的马达的电流值等参数判断此时马达是否处于运行状态，若此时马达已经开始运行，就进入保护子程序。显示子程序可通过按键来查看当前马达的电流值;在马达正常运行时有按键动作的情况下，显示与按键功能相应的数值;若发现马达运行不正常，则立即识别故障，根据故障类型进行处理，输出保护动作并显示出故障信息并带有指示灯报警，接着执行相应的跳闸环节。软件设计主程序流程图如图2所示。

5 结束语

本文所介绍的低压马达保护装置，是以MSP430单片机为核心研究设计的，由于MSP430单片机具有丰富的片上外围模块，大大简化了系统硬件电路的设计，系统的数据处理功能强大，而自带A/D模块能够实现12位精度的模数转换，使保护装置的可靠性大大提高。其内部集成的看门狗定时器，保证了系统的工作稳定。监视低压马达故障，此保护装置具有精度高、保护参数设定方便简单和数字化、智能化、网络化等优点;可在线调试和编程等，实现软件的在线升级;成本低、性能价格比高，自适应能力很强，动作可靠性较高，使得保护更加灵活完善。实验经编程调试，对于出现的常见故障能及时、准确地进行识别和处理，适合低压马达保护的需要。