CN207650594U - 一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，包括模拟电子切换开关U2、运算放大器U4、反相比例运算放大电路和基准电压电路，所述模拟电子切换开关U2的型号为TS3A5017，所述单片机的型号为STM32，所述基准电压电路的输出端并联有电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12，电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12的另一端分别连接模拟电子切换开关U2的第3、4、5和6引脚，模拟电子切换开关U2的第11、12、13引脚通过反相比例运算放大电路与运算放大器U4连接，所述运算放大器U4的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极连接+3.3V电源。本实用新型节省了器件成本，提高了可靠率，增加了低通滤波器功能，极大地提高了自动量程切换电路的实用性。

Description

一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路

技术领域

本实用新型涉及电动机技术领域，更具体地说，特别涉及一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路。

背景技术

随着自动控制技术及智能制造的不断发展，三相异步电动机已成为主要动力来源，确保电动机的安全控制和经济运行就显得尤为重要，电动机保护测控装置(以下简称保护装置)因此也越来越普及起来。保护装置主要是依靠对电动机实际工作电流的采集来判断电机的状态及进行保护动作。

实际运行中，电动机的运行电流通常会在额定电流附近，但是在启动过程中会出现6-8倍于额定电流的起动电流，同时故障状态下也会出现数倍于额定电流的故障电流，这就对保护装置的电流测量范围及精度提出了较高的要求，测量范围大了精度就会下降。为此申请人于2008年发明了一种电动机保护的设备的电流输入量程自动切换电路，专利号ZL200820215852.2。但是在应用过程中也逐渐发现了其局限性，主要表现为这种电路必须采用±5V的双电源供电，现在的电子系统设计中往往采用的是数字式设计，通常不会使用到负电压电源，为了支持这种量程自动切换电路电源系统必须设计额外的负电压电源，造成了电源系统体积增大且实际增加成本，增加额外一条电源回路也会导致产品可靠率降低；此外这种量程自动切换电路将电流切换回路和电平抬高分成了两个电路模块，各自使用了一个运算放大器，器件越多意味着可靠性越低，也增加了成本。所以这种量程自动切换电路越来越不适合现在整体式设计思路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，在实现宽范围、高精度的基础上，采用了单电源供电的方式，只使用了一个集成运算放大器，有效地节省了器件成本，极大地提高了可靠率，增加了低通滤波器功能，极大地提高了自动量程切换电路的实用性。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，包括模拟电子切换开关U2、运算放大器U4、反相比例运算放大电路和基准电压电路，所述模拟电子切换开关U2的型号为TS3A5017，所述单片机的型号为STM32，所述基准电压电路的输出端并联有电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12，电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12的另一端分别连接模拟电子切换开关U2的第3、4、5和6引脚，模拟电子切换开关U2的第11、12、13引脚通过反相比例运算放大电路与运算放大器U4连接，所述运算放大器U4的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极连接+3.3V电源。

进一步地，所述反相比例运算放大电路包括电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述模拟电子切换开关U2的第13引脚依次通过串联的电阻R3、电阻R4和电阻R5后与运算放大器U4的输出端连接，模拟电子切换开关U2的第11引脚连接在电阻R4和电阻R5之间，模拟电子切换开关U2的第12引脚连接在电阻R3和电阻R4之间，模拟电子切换开关U2的第10引脚连接在运算放大器U4的输出端，模拟电子切换开关U2的第9引脚通过电容C3后连接在运算放大器U4的输出端，模拟电子切换开关U2的第9引脚还与运算放大器U4的反相端连接。

进一步地，所述运算放大器U4的型号为OPA337。

进一步地，所述基准电压电路包括型号为LM431的稳压芯片U1和电阻R6，稳压芯片U1的阳极与电阻R6连接，稳压芯片U1的控制端与其阴极连接后接地。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型利用电子模拟开关及运算放大器组成自动量程切换电路，此电路采用单电源供电的方式，使得电流切换电路、滤波电路、电平抬高电路巧妙地集成于一个电路，使得电路体积、成本大大减小，增强了电路的可靠性，具备功耗低、切换速度快等优势，在拓宽测量范围的基础上保证了测量的精度，极大地提高了自动量程切换的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的量程自动切换电路的电路图。

图2是本实用新型的基准电压电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实用新型的采样电路的主要分为四个功能：第一功能作用是电流通道切换，其主要作用是对前端采集到的交流电压信号进行比例放大增益，其增益倍数可通过控制引脚的高低电平来选择切换；第二功能作用是电平抬高，由于交流电压信号为正负交变的交流信号，而采用的运算放大器是单电源供电，再加之后端AD转换器是单极性的，所以必须把交流信号波形抬高到零伏以上。第三功能作用是低通滤波，电流互感器输出的信号富含高频率噪声信号，而实际有用的基波为50Hz，所以有必要滤除噪声信号提高抗干扰特性；第三功能作用是电压信号输出限幅，采样电路输出信号超过后端AD转换器满量程有可能会损坏转换器，所以有必要对输出信号进行限幅。

本实用新型的单片机控制电路，主要作用为通过AD转换器判断采样值的大小，同时判断采样值的大小后，利用IO口输出来控制模拟电子开关调控量程切换电路的增益，实现量程自动切换。此部分由STM32单片机完成。下面将具体介绍一下本实用新型电路工作原理。

参阅图1、图2所示，本实用新型提供一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，包括模拟电子切换开关U2、运算放大器U4、反相比例运算放大电路和基准电压电路，所述模拟电子切换开关U2的型号为TS3A5017，所述单片机的型号为STM32，所述基准电压电路的输出端并联有电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12，电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12的另一端分别连接模拟电子切换开关U2的第3、4、5和6引脚，模拟电子切换开关U2的第11、12、13引脚通过反相比例运算放大电路与运算放大器U4连接，所述运算放大器U4的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极连接+3.3V电源。

本实用新型中采样电路中使用的模拟电子切换开关U2采用了一片TI公司的TS3A5017，此种开关原理相当于双刀四掷的电子开关，开关接通哪一通道由控制输入的2位地址码IN1、IN2决定，其真值表见表1。其切换时间在5ns左右，导通时接触电阻在10Ω左右。

FUNCTION TABLE

为得到不同比例的电流增益，我们在运算放大器的反相端构建了反相比例运算放大电路，如图1所示，本实用新型采用了R3＝20K,R4＝40K,R5＝80K，组成电阻网络。

所述反相比例运算放大电路包括电阻R3、电阻R4和电阻R5，R3＝20K,R4＝40K,R5＝80K。

所述模拟电子切换开关U2的第13引脚依次通过串联的电阻R3、电阻R4和电阻R5后与运算放大器U4的输出端连接，模拟电子切换开关U2的第11引脚连接在电阻R4和电阻R5之间，模拟电子切换开关U2的第12引脚连接在电阻R3和电阻R4之间，模拟电子切换开关U2的第10引脚连接在运算放大器U4的输出端，模拟电子切换开关U2的第9引脚通过电容C3后连接在运算放大器U4的输出端，模拟电子切换开关U2的第9引脚还与运算放大器U4的反相端连接。

同时把单片机的控制引脚IRang_N1、IRang_N2接入电子开关的U2的IN1、IN2，用以选择模拟电子开关的输出通道，根据叠加定理，此时假设运算放大器的同相输入端接地即输入为0，得出此时的运算放大器的输出情况如下表：

通过以上表格可知，已经实现了量程增益的控制切换。

模拟电子开关TS3A5017的导通接触电阻典型值为10Ω，其与R3、R4、R5共同构成放大倍数在2、4、6倍下的运算放大器反馈电阻，其导通阻值远远小于与之串联R3、R4、R5的阻值，可以完全忽略也能满足测量千分之一的精度要求，当然这部分的偏差也能在后续软件校验时修正掉。所以在选择组建其它放大倍数的同时，一定要选择R3、R4、R5的阻值远远大于模拟开关的导通接触电阻，使其能够满足测量精度要求。

所述运算放大器U4的型号为OPA337。

下面将具体介绍本实用新型中采样电路电平抬高原理，对于AD转换器而言，输入信号必须在0～3.3V之间，所以必须必须将输入的交流采样电压信号抬高到0V以上，本实用新型进行了合适的电阻匹配，抬高电压固定在1.6V；因此在运算放大器的反相端构建了同相比例运算放大电路，如图1所示，本实用新型采用了R8＝13K,R9＝6.81K,R10＝3.65K,R12＝562Ω，R13＝1K，组成电阻网络。单片机的控制引脚IRang_N1、IRang_N2接入电子开关的U2的IN1、IN2，用以选择模拟电子开关的输出通道，根据叠加定理，此时假设运算放大器的反相输入接地即输入为0，得出此时的运算放大器的输出情况：

通过以上表格可知，已经实现了在输出信号中添加了直流信号，即使得信号电平抬高。

模拟电子开关TS3A5017的导通接触电阻典型值为10Ω，远远小于R8、R9、R10、R12，因此可以忽略不计，但后续的软件采样算法中滤除添加的直流信号，只要采样信号抬高后不超过AD转换器的满量程即可不需要那么精确。

以上，分别单独计算出了电流切换电路反相比例运算放大电路的输出结果和电路电平抬高电路的结果，假设此时电路输入的信号为Ui，根据叠加定理，我们得出本实用新型的采样电路输出情况为：

由以上表格可知，已经实现了量程增益的控制切换和电平抬高。

电流互感器输出的信号富含高频率噪声信号，而实际有用的基波为50Hz，所以为了滤除噪声信号提高抗干扰特性，我们在运算放大器的输出端和反相输入端并联了一只电容，与反馈电阻一道构成了低通滤波器。其截至频率计算公式为：

在本实用新型中，电容C3＝2.2nf，可计算出在不同的电流量程时可以满足f_p＜5Khz。

在本实用新型中，为防止较大的噪声信号通过运算放大器的输出端进入损坏AD转换器的输入脚，引起AD的转换器损坏，在运算放大器的输出端和AD转换器的输入脚之间上拉了二极管D2，如图1所示,二极管D2的阴极连接电源正极，阳极连接AD转换器的输入脚，限制了AD转换器的输入最大为3.6V左右，保护了AD转换器。

在本实用新型中，为了获得精准的抬高电平，所涉及的基准电源也同样重要，采用了一只稳压芯片LM431搭建了基准电压电路

如图2所示，所述基准电压电路包括型号为LM431的稳压芯片U1和电阻R6，稳压芯片U1的阳极与电阻R6连接，稳压芯片U1的控制端与其阴极连接后接地。其输出2.5V的基准电压供采样电路使用。

本实用新型经过大量的实验测试，其精度、测量范围均达到预期效果，并在新一代电动机保护产品中得到了运用。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本实用新型的权利要求所描述的保护范围，都应当在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，其特征在于：包括模拟电子切换开关U2、运算放大器U4、单片机、反相比例运算放大电路和基准电压电路，所述模拟电子切换开关U2的型号为TS3A5017，所述单片机的型号为STM32，所述基准电压电路的输出端并联有电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12，电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R12的另一端分别连接模拟电子切换开关U2的第3、4、5和6引脚，模拟电子切换开关U2的第11、12、13引脚通过反相比例运算放大电路与运算放大器U4连接，所述运算放大器U4的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极连接+3.3V电源。

2.根据权利要求1所述的电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，其特征在于：所述反相比例运算放大电路包括电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述模拟电子切换开关U2的第13引脚依次通过串联的电阻R3、电阻R4和电阻R5后与运算放大器U4的输出端连接，模拟电子切换开关U2的第11引脚连接在电阻R4和电阻R5之间，模拟电子切换开关U2的第12引脚连接在电阻R3和电阻R4之间，模拟电子切换开关U2的第10引脚连接在运算放大器U4的输出端，模拟电子切换开关U2的第9引脚通过电容C3后连接在运算放大器U4的输出端，模拟电子切换开关U2的第9引脚还与运算放大器U4的反相端连接。

3.根据权利要求1所述的电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，其特征在于：所述运算放大器U4的型号为OPA337。

4.根据权利要求1所述的电动机保护装置的电流输入量程自动切换电路，其特征在于：所述基准电压电路包括型号为LM431的稳压芯片U1和电阻R6，稳压芯片U1的阳极与电阻R6连接，稳压芯片U1的控制端与其阴极连接后接地。