CN104617555A - 智能电动机保护器 - Google Patents

Abstract

智能电动机保护器，属于自动化控制和电动机保护技术领域。本发明包括电机参数测量控制部分、电机参数显示部分及电源模块；主控制器模块与模拟量输出模块相连，电机信号调理模块的输出端与电机信号测量模块的输入端相连，电机信号测量模块的输出端与主控制器模块的输入输出端口相连；开关量输入模块及开关量输出模块分别与主控制器模块相连，远程通信模块的输入端与主控制器模块的通信端口相连；从控制器模块分别与LCD显示模块、LED显示模块及键盘模块相连，主控制器模块与电机参数测量控制部分的主从机通信模块相连，从控制器模块与电机参数显示部分的主从机通信模块相连，两个主从机通信模块通过串口相连；电源模块为整个系统供电。

Description

智能电动机保护器

技术领域

本发明属于自动化控制和电动机保护技术领域，特别是涉及一种智能电动机保护器。

背景技术

电动机保护器是提供全面的电动机保护控制的装置。由于生产自动化的提高，电动机会频繁的切换于起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等状态，此外，由于电力技术的进步，电动机在较小的体积下设计成更大功率，导致电动机热容量减小，过负荷能力减弱。故对电动机保护器提出了更高的要求。

目前，市场上主流的数字电动机保护器较之模拟电子式电动机保护器有了质的飞跃，但仍有种种不足，比如：测量的精确度和实时性还有待改善，启动方式不够多样化，有待与工业总线连接，实现网络化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可实现电机控制网络化、智能化的智能电动机保护器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种智能电动机保护器，包括电机参数测量控制部分、电机参数显示部分及电源模块；

所述的电机参数测量控制部分包括电机信号调理模块、电机信号测量模块、主控制器模块、远程通信模块、模拟量输出模块、主从机通信模块、开关量输入模块及开关量输出模块；

所述的电机参数显示部分包括从控制器模块、主从机通信模块、LCD显示模块、LED显示模块及键盘模块；

主控制器模块的输入输出端口与模拟量输出模块的输入端相连接，电机信号调理模块的输出端与电机信号测量模块的输入端相连接，电机信号测量模块的输出端与主控制器模块的输入输出端口相连接；开关量输入模块的输出端及开关量输出模块的输入端分别与主控制器模块的输入输出端口相连接，远程通信模块的输入端与主控制器模块的通信端口相连接；从控制器模块的输入输出端口分别与LCD显示模块的输入端、LED显示模块的输入端及键盘模块的输出端相连接，主控制器模块与电机参数测量控制部分的主从机通信模块相连接，从控制器模块与电机参数显示部分的主从机通信模块相连接，两个主从机通信模块通过串口相连接；

所述电源模块为整个系统供电。

所述开关量输入模块和开关量输出模块与主控制器模块之间通过光电耦合器隔离。

所述主控制器模块与电机信号测量模块通过SPI总线相连接。

所述电机参数显示部分为即插即用设备，供电方式为：电源模块为电机参数测量控制部分供电，电机参数测量控制部分为电机参数显示部分供电。

所述远程通信模块采用RS485接口和CAN通信协议。

本发明的有益效果：

本发明的智能电动机保护器可实现电机控制的网络化、智能化。构成了一个集成度高、功能完善、性能优良的实用系统。为实现电机保护和控制装备低成本开发和更新换代提供了一条切实可行的途径。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的硬件结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的主控制器模块的电路原理图；

图3为本发明的一个实施例的电机电压信号调理模块的电路原理图；

图4为本发明的一个实施例的电机电流信号调理模块的电路原理图；

图5为本发明的一个实施例的电机信号测量模块的电路原理图；

图6为本发明的一个实施例的开关量输入模块的其中一路的电路原理图；

图7为本发明的一个实施例的开关量输出模块的其中一路的电路原理图；

图8为本发明的一个实施例的模拟量输出模块的电路原理图；

图9为本发明的一个实施例的远程通信模块的电路原理图；

图10为本发明的一个实施例的电机参数测量控制部分的主从机通信模块的电路原理图；

图11为本发明的一个实施例的电机参数测量控制部分的电源模块的电路原理图；

图12为本发明的一个实施例的从控制器模块的电路原理图；

图13为本发明的一个实施例的LED显示模块和键盘模块的电路原理图；

图14为本发明的一个实施例的LCD显示模块的电路原理图；

图15为本发明的一个实施例的电机参数显示部分的主从机通信模块的电路原理图；

图16为本发明的一个实施例的电机参数显示部分的电源模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种智能电动机保护器，包括电机参数测量控制部分、电机参数显示部分及电源模块；电机参数测量控制部分作为主控制器，实现采集电机参数、计算电机参数、远程通信及向下位机发送数据等功能，是整个电动机保护器的中心部分；电机参数显示部分作为从控制器，实现通过串口与主控制器进行通信、显示各电机参数、显示运行状态及键盘输入等功能。电机参数显示部分为即插即用设备(PNP)，其供电部分采用主机向从机通过串口进行供电的方式，即供电方式为：电源模块为电机参数测量控制部分供电，电机参数测量控制部分为电机参数显示部分供电。本发明的串口采用DB9口，则可以利用串口中无用的端口，将主机的电源通过串口引到从机上完成供电。

所述的电机参数测量控制部分包括电机信号调理模块、电机信号测量模块、主控制器模块、远程通信模块、模拟量输出模块、主从机通信模块、开关量输入模块及开关量输出模块；

所述的电机参数显示部分包括从控制器模块、主从机通信模块、LCD显示模块、LED显示模块及键盘模块；

主控制器模块的输入输出端口与模拟量输出模块的输入端相连接，电机信号调理模块的输出端与电机信号测量模块的输入端相连接，电机信号测量模块的输出端与主控制器模块的输入输出端口相连接；开关量输入模块的输出端及开关量输出模块的输入端分别与主控制器模块的输入输出端口相连接，远程通信模块的输入端与主控制器模块的通信端口相连接；从控制器模块的输入输出端口分别与LCD显示模块的输入端、LED显示模块的输入端及键盘模块的输出端相连接，主控制器模块与电机参数测量控制部分的主从机通信模块相连接，从控制器模块与电机参数显示部分的主从机通信模块相连接，两个主从机通信模块通过串口相连接；

所述电源模块为整个系统供电。

电机信号调理模块由电机电压信号调理模块和电机电流信号调理模块组成，将电动机的电压和电流信号通过互感器TVA1421调理为弱电信号；其中，电压信号为三相三路UA、UB、UC，电流信号为三相四线IA、IB、IC、IN。

电机信号测量模块采用美国ADI公司的高精度三相多功能电能计量芯片ADE7878作为测量模块的核心部分。ADE7878为高精度、三相电能计量芯片，采用串行接口，并提供三路可配置的中断输出。其内部包含7个二阶∑-Δ型模数转换器(ADC)、数字积分器、所有必需的信号处理电路以及基准电源电路，实现总(基波和谐波)有功、无功、视在功率测量和有效值计算，以及基波有功、无功功率测量和有效值计算。

经电机信号调理模块后的电压和电流信号进入电机信号测量模块的ADE7878中进行电信号的测量。测量完成后，将数字信号经SPI总线输出。ADE7878的SPI始终作为通信从机接受主机命令。主控制器模块与电机信号测量模块通过SPI总线相连接。

主控制器模块采用了一片STM32F103VET6作为系统的主控芯片。主要完成对电机信号测量模块数据的采集和处理，并完成通信工作。

远程通信模块采用RS485接口和CAN通信协议(控制器局域网络，Controller AreaNetwork)。通过远程通信模块可以实现远程通信终端对系统的控制、信息处理以及数据通信功能。

模拟量输出模块主要用来进行远程通信，4～20mA电流环是工业现场常用的一种模拟通信方式，其技术成熟，稳定可靠，这种电流环是用20mA表示信号的满信号，4mA表示零信号，而各种故障则用高于20mA或低于4mA的信号表示。本发明用STM32F103VET6内部自带的DAC产生电压，电压经过电压电流转换集成电路AM462，转化为模拟电流输出。

开关量输入模块有八路信号：启动方式1选择输入(常开)、启动方式1运行状态输入(常闭)、启动方式2选择输入(常开)、启动方式2运行状态输入(常闭)、停车输入(常开)、复位输入(常开)、紧急停车输入(常开)及预留可编程输入。当选择开关量输入作为远程通信方式时，通过这些开关量的输入就可实现对电动机运行的控制。

开关量输出模块有四路信号：启动方式1控制输出、启动方式2控制输出、故障报警输出及预留可编程输出，用于控制电机的启动和报警，可以通过设置选择开关量输出的状态实现电动机的各种启动方式，如直接启动、正反转启动。

电源模块为整个系统提供稳定的电压，为保证系统的稳定运行，电源模块采用集成开关稳压电源，该电源输入为220V/50Hz，输出功率可达100W，输出电压纹波小，能够满足快速瞬变脉冲的抗干扰要求。该集成开关稳压电源输出为24V和5V两路，24V供给继电器和模拟电流输出部分使用，5V电压通过芯片LM1086转换为3.3V为主控制器模块和ADE7878电机信号测量模块供电。

从控制器模块选用STM32F103RBT6单片机，实现对键盘模块、LCD显示模块、LED显示模块和通信部分的控制。在键盘模块中，按键通过导线直接连接在从控制器模块的单片机I/O口上。在显示功能中，按键主要完成上、下、确定、取消等功能，同时也可以控制与主控制器模块相连的电机的正转和反转。

LCD显示模块主要显示主控制器模块采集并处理得出的当前电机的各状态参数。LCD屏与从控制器模块的单片机通过I/O口直接相连。

为保证本发明的安全性，所述开关量输入模块和开关量输出模块与主控制器模块之间通过光电耦合器隔离；24V开关量输入信号通过光电耦合器转换为3.3V开关量信号，再通过反相器输入到主控器模块单片机的I/O口。

电机参数测量控制部分的主从机通信模块与电机参数显示部分的主从机通信模块使用串口进行通信。电机参数测量控制部分可以通过串口向电机参数显示部分发送需要显示的电机参数数据，同时电机参数显示部分可以通过串口向电机参数测量控制部分发送电机控制信号。

本发明的具体电路连接关系如下：

主控制器模块的电路原理图，如图2所示。单片机STM32F103VET6的51～59号引脚连接至电机信号测量模块，通过SPI总线与ADE7878进行通信；其15、34～36号引脚连接至开关量输出模块的输入端，用于控制继电器的状态；其38～45号引脚连接至开关量输入模块的输出端，用于外部开关量的输入；其68、69号引脚连接至电机参数测量控制部分的主从机通信模块，用于主从机通信；其70、71号引脚连接至远程通信模块，用于远程通信；其29号引脚连接至模拟量输出模块。

电机电压信号调理模块的电路原理图，如图3所示。UA、UB、UC为三相电压输入，UN为电源地。其中，T1、T2、T3为三个TVA1421-01电流式电压互感器，PTr1、PTr2、PTr3、PFr1、PFr2、PFr3为六个接线端子。PFr1、PFr2、PFr3短接形成星形连接，PTr1、PTr2、PTr3形成角形连接，VAP、VBP、VCP为调理后输出，连接至电机信号测量模块。

以UA路星形连接为例，在互感器初级侧，输入电压经电阻RA1与地形成回路。在互感器次级侧，感应电流经电阻RA2、RA3和RA4组成的回路接地，并将互感电压在VAP端引出；其中，电容CA1起滤波作用。UB和UC两路与此类似。

电机电流信号调理模块的电路原理图，如图4所示。电路输入端IA+、IA-，IB+、IB-，IC+、IC-为三相电流输入输出，IN+、IN-为零线电流输入输出。T4～T7为TVA1421-01电压式电流互感器，IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN、INP、INN为调理后输出，连接至电机信号测量模块。

以IA+、IA-电流输入输出为例，在互感器中心孔穿一匝母线作为输入线圈，电流在输入线圈内流过，在S1、S2端形成互感电流。电流流经电阻RA5和RA6与地回路，并分别经过RA7、CA2和RA8、CA3组成的滤波网络，其输出即为IAP、IAN。IB+、IB-，IC+、IC-，IN+、IN-三路与此类似。

电机信号测量模块的电路原理图，如图5所示。图中，ADE7878为电能计量芯片，其7～9、12～16、19、22、23号引脚连接至电机信号调理模块的输出端；其36～39号引脚连接至SPI总线，与主控制器模块通信；其33～35号引脚为功能配置引脚，连接至主控制器模块以配置功能，29、32号引脚为中断请求引脚，连接至主控制器模块，以在故障发生时快速响应。

开关量输入模块的其中一路的电路原理图，如图6所示。一共有八路开关量输入，这里以其中一路为例，另七路与此类似。

开关量输入信号10.1经电阻R17进入光电耦合器TLP127，在光电耦合器中将外部24V电压与单片机工作的3.3V电压隔离。其中，光电耦合器的输入端1脚作为开关量输入，3脚接24V的GND；在输出端，6脚经一个上拉电阻R27与3.3V电源连接，4脚接3.3V的GND。转化的3.3V开关量信号，通过反相器74HC14输入到单片机I/O口引脚；其中，5脚作为反相器的输入端与光电耦合器的6脚相连，反相器的输出端6脚与单片机的39脚相连，反相器的14脚和7脚分别接3.3V电源和GND。

开关量输出模块的其中一路的电路原理图，如图7所示。开关量输出信号一共有四路，分别为启动方式1控制输出、启动方式2控制输出、故障报警输出及预留可编程输出；可以通过设置选择开关量输出的状态实现电动机的各种启动方式，如直接启动、正反转启动。以第二路为例，开关量输出信号MCU_DO2经单片机引脚输出，接入反相器74HC14的9脚，再经反相器的8脚输出，并驱动光电耦合器TLP127，开关量信号通过继电器DSP1a-DC24V后输出。

模拟量输出模块的电路原理图，如图8所示。4～20mA电流环是工业现场常用的一种模拟通信方式，这种电流环是用20mA表示信号的满信号，4mA表示零信号，而各种故障则用高于20mA或低于4mA的信号表示。本发明用STM32F103VET6内部自带的DAC产生电压，电压经过电压电流转换集成电路AM462，转化为模拟电流输出。在图8中，芯片AM462A的INP引脚与单片机的DAC1引脚(29脚)相连，电压转电流信号在IOUT引脚输出，输出电流IOUT通过外接的三极管T1驱动，为了能够在电源接反的情况下保证电路完好，输出信号接入二极管D6，信号经电阻RO5输出至IOUT网络，并经过电阻RL后接地。

远程通信模块的电路原理图，如图9所示。其中，CANL、CANH分别与远程通信终端连接。CTM8251是一款通用CAN通信隔离收发器，CANL、CANH与接线端子连接，CAN_TX、CAN_RX与单片机对应引脚连接。

电机参数测量控制部分的主从机通信模块的电路原理图，如图10所示。主控制器模块与从控制器模块之间通过串口进行通信，RSM232是一款通用串口通信隔离收发器。单片机的U1_TX、U1_RX引脚(68、69脚)与RSM232的TXD、RXD脚相连，RSM232的数据输出TOUT引脚与串口的2脚相连，数据输入RIN引脚与串口3脚相连，数据收发地RSGND与串口的5脚相连。由于电机参数显示部分为即插即用设备，需要电机参数测量控制部分为其供电。因此，串口的1脚与电机参数测量控制部分的5V_232(5V电源)网络相连，9脚与电机参数测量控制部分的GND网络相连，实现电机参数显示部分的供电。

电机参数测量控制部分的电源模块的电路原理图，如图11所示。使用AC-DC电源模块ZY0JGB24D-25W将交流电转为24V直流电。使用DC-DC电源模块ZY_WHBD-5W将24V直流电转为5V直流电。LM1086为线性稳压器，将5V直流电转为3.3V直流电。

从控制器模块的电路原理图，如图12所示。STM32F103RBT6单片机的8～10、14～17、20～26号引脚接到LCD显示模块中；其42、43号引脚接到电机参数显示部分的主从机通信模块；其51～53号引脚连接到LED显示模块；其57～59、61、62号引脚连接到键盘模块。

LED显示模块和键盘模块的电路原理图，如图13所示。LED显示模块中，发光二极管D2、D3、D4的负极接GND，正极分别串联电阻R4、R5、R6后，与单片机对应引脚相连。键盘模块中，按键一端与GND连接，另一端与单片机对应引脚连接，并串联电阻后与3.3V电源网络连接。

LCD显示模块的电路原理图，如图14所示。LCD1为单排20脚排座以供LCD显示屏插在排座上使用。其中，DB0～DB7为LCD的8位数据线，与单片机的PA0～PA7引脚连接；RS、RW、E、CS1、CS2、RST为LCD控制线，与单片机PC0、PC1、PC2、PC4、PC5、PB0引脚连接；GND、LEDK引脚连接DGND，VDD、LEDA引脚连接3.3V电源网络。另外，VEE引脚和3.3V电源网络分别接电位计两端，V0引脚接电位计的调节端，以调节LCD显示屏的背光度。

电机参数显示部分的主从机通信模块的电路原理图，如图15所示，其与电机参数测量控制部分的主从机通信模块类似，不再介绍。

电机参数显示部分的电源模块的电路原理图，如图16所示。LM1086为线性稳压器，将5V直流电转为3.3V直流电。

Claims (5)

1.一种智能电动机保护器，其特征在于包括电机参数测量控制部分、电机参数显示部分及电源模块；

所述的电机参数测量控制部分包括电机信号调理模块、电机信号测量模块、主控制器模块、远程通信模块、模拟量输出模块、主从机通信模块、开关量输入模块及开关量输出模块；

所述的电机参数显示部分包括从控制器模块、主从机通信模块、LCD显示模块、LED显示模块及键盘模块；

主控制器模块的输入输出端口与模拟量输出模块的输入端相连接，电机信号调理模块的输出端与电机信号测量模块的输入端相连接，电机信号测量模块的输出端与主控制器模块的输入输出端口相连接；开关量输入模块的输出端及开关量输出模块的输入端分别与主控制器模块的输入输出端口相连接，远程通信模块的输入端与主控制器模块的通信端口相连接；从控制器模块的输入输出端口分别与LCD显示模块的输入端、LED显示模块的输入端及键盘模块的输出端相连接，主控制器模块与电机参数测量控制部分的主从机通信模块相连接，从控制器模块与电机参数显示部分的主从机通信模块相连接，两个主从机通信模块通过串口相连接；

所述电源模块为整个系统供电。

2.根据权利要求1所述的智能电动机保护器，其特征在于所述开关量输入模块和开关量输出模块与主控制器模块之间通过光电耦合器隔离。

3.根据权利要求1所述的智能电动机保护器，其特征在于所述主控制器模块与电机信号测量模块通过SPI总线相连接。

4.根据权利要求1所述的智能电动机保护器，其特征在于所述电机参数显示部分为即插即用设备，供电方式为：电源模块为电机参数测量控制部分供电，电机参数测量控制部分为电机参数显示部分供电。

5.根据权利要求1所述的智能电动机保护器，其特征在于所述远程通信模块采用RS485接口和CAN通信协议。