关键词：AVR； ProfiBUS-DP； 电动机； 控制； 保护
电动机是工农业生产中最广泛应用的动力设备，国内每年因电动机过载、短路、堵转、缺相、漏电、三相不均衡、起动时间过长、欠压、过压等故障，造成数十万台电动机损坏，经济损失巨大，甚至引发重大安全事故, 因而做好电动机的保护十分重要。当前电动机保护一般采用热继电器、低压断路器、熔断器等作为保护装置[1]，该类保护装置功能单一、能耗大、性能差，并且不具备联网能力。随着自动化程度的提高,工业网络的广泛应用，不仅对电动机的控制保护装置功能有着很高的要求,而且要求具有很强的通信功能,因此智能化、网络化、功能多样化、小型化、模块化的电动机控制和保护装置具有极大的发展和应用空间，能够适应保护的可靠性、监控的实时性要求。
本文采用AVR Atmega64高性能单片机作为控制核心，设计具有ProfiBUS-DP现场总线的电动机智能控制和保护装置，实现对电动机的起动、停止、制动、Y-△起动、远地、近地等控制，并能实现电动机的过载、短路、缺相、漏电、三相不均衡、相序、欠电压、过电压等保护，具有声音报警、故障记忆、电流、电压显示等功能。该装置适合工业现场环境需要、性能可靠、性价比高，方便现场设备之间以及与监控计算机的信息交换，满足企业综合自动化的需要。
1 工作原理
电动机智能控制和保护装置工作原理简图如图1所示。装置由控制单片机，电动机参数采集、分析、计算电路，ProfiBUS-DP协议电路、其他外围输入输出电路构成。由于电动机运行参数多，处理复杂，为了减轻控制单片机的负担，采用单独智能芯片实时分析、处理电动机的运行参数。
三相电动机的电压、电流信号经过互感器变换为采集电路规定范围数值，参数采集、分析、计算电路对采集参数进行分析计算，得到电路的三相电流、电压等参数值，并传送给高速控制单片机，控制单片机按照预定参数值判断电动机的工作状态，同时将工作状态参数实时存储，当发生过载、短路、缺相、漏电、不均衡、相序错、欠电压、过电压等故障时，控制单片机按照故障判断规则送出相应的控制和指示信号到外围电路，实现电动机的停止、制动，发出声光报警信号，送出故障代码，使电动机得到有效保护。通过按键输入电路能够设置电动机的工作参数、保护参数和通信设置参数，电动机控制输入电路可以近地直接起动、停止、制动、 Y-△起动电动机，输出电路实现保护信号、控制信号放大和执行。工作参数、保护参数、控制信号通过ProfiBUS-DP电路、现场总线与远端监控计算机实现信息交互，并能够实现电动机的远程控制。
2 硬件设计
为适应高速数据处理和网络通信的需要，装置以ATmega64为控制单片机。ATmega64单片机采用Harvard结构，具有单周期的RISC指令系统，内部具有硬件乘法电路，数据处理速度快;I/O端口可直接驱动较大电流负载;具有读、写及地址所存允许控制引脚，方便扩展和使用外部接口、外部存储空间；支持在线编程（ISP）及在线应用编程（IAP），方便现场修改和调试程序；具有支持主从机模式的SPI串行通信接口，可以方便连接主机/从机模式的串行通信单元[2]。为满足通信和数据高速处理的需要，单片机采用16 MHz晶振。
2.1 ProfiBUS-DP通信电路设计
ProfiBUS是由SIEMENS等公司组织开发的现场总线标准，协议由ProfiBUS-DP、ProfiBUS-PA、ProfiBUS-FMS 3个兼容部分组成。其中，ProfiBUS-DP协议结构特别适用于传感器和执行器级的高速数据传输[3]，本装置采用ProfiBUS-DP协议结构，由ProfiBUS-DP协议芯片SPC3、地址设定电路构成Atmega64型控制单片机网络通信接口，从而可实现控制保护装置与上位控制计算机的远程通信，简化了控制系统结构。其电路如图2所示。
SPC3是SIEMENS公司的ProfiBUS-DP通信协议芯片，该芯片集成了全部ProfiBUS-DP协议，SPC3的控制核心是内部微序列器，它控制整个SPC3的工作过程。SPC3能自动识别总线的9.6 Kb/s~12 Mb/s通信波特率，通过内部1.5 KB的双端口RAM实现与总线的通信，控制单片机通过11位地址总线、8位数据线直接访问SPC3内部双口RAM[4]。SPC3通信前，需要控制单片机按照规则对SPC3内部的寄存器、数据区进行初始化，之后SPC3自动与总线进行通信。采用SPC3通信协议芯片减轻了控制单片机的数据处理压力，SPC3为ProfiBUS智能节点设计提供了廉价、方便的配置方案。
ProfiBUS-DP通信物理层采用RS485标准。为了提高系统的抗干扰性能，SPC3内部电路与通信总线采用高速光电耦合器进行电气隔离[5],再通过RS485驱动器、物理接口与ProfiBUS-DP总线连接。另外,电源也要采用隔离措施，可以采用隔离变压器或DC-DC变换模块实现。装置的地址由拨码开关设定，并通过总线收发器74HC245传送给控制单片机。
2.2 电动机参数采集、分析及计算电路设计
该部分电路主要由专用电能计量芯片ATT7028A、电路互感器、电压互感器组成，此芯片与控制单片机及其他电路接口简单,使用方便,其电路如图3所示。为了减轻控制单片机的负担，加快单片机处理其他问题的速度，电动机的三相电流、三相电压参数经过互感器传送给ATT7028A，由ATT7028A对模拟量进行A/D变换，对参数进行采集、分析、计算，获得电动机的三相电流、三相电压、相序等参数，之后将数据处理结果传送给控制单片机，按预定规则判断电动机运行情况。
ATT7028A芯片由6通道16位模/数转换、数字信号处理、通信等部分构成[6]。电流、电压信号经过互感器输入,各通道存在增益、相位方面的误差，ATT7028按照预定校正数据对误差进行校正，各路模数转换信号经过运算电路处理后，得到24位的参数输出，电流、电压有效值精度优于0.5 %，非线性测量误差低于0.1 %。由ATT7028A测量的三相电压、三相电流、相序信号经过串行通信接口SPI传送给控制单片机，误差校正数据也通过串行通信接口由控制单片机传送给ATT7028A。
2.3 单片机其他外围输入输出电路设计
除总线接口电路、参数采集与处理电路外，控制单片机还有功能按键输入、电机运行状态输入、电动机控制输出、蜂鸣器输出、LCD输出、信号灯输出、编程接口等其他输入、输出电路，如图4所示。
Atmega64型单片机接口内部具有可编程上拉电阻，按键输入电路可不用外部上拉电阻；功能选择按键用于装置的功能与参数设定，由功能选择、参数加/减调整、确定、取消5个按键构成。另外，利用功能选择键可以设定电动机的远控/近控、起动等状态。电机运行状态由起动、停止、制动3个输入按键实现对电机的手工近地控制，方便系统调试和运行。Atmega64型单片机I/O口驱动能力很强，采用端口直接驱动光电耦合器发光二极管负载。而且I/O端口也可接上拉电阻，以提高单片机端口驱动能力，电机控制输出电路实现电动机的起动、制动、Y-△起动等控制输出。蜂鸣器、信号灯对电机运行状态进行声光指示，显示部分采用1602B字符型液晶显示模块，显示设置参数、采集参数、功能代码、故障代码等，液晶模块采用半字节分2次传送8位显示参数，以便节省单片机I/O口资源。
3 电机故障参数处理原则
过载、堵转、三相短路、起动时间过长等都属于对称故障，其特点是三相电流对称、出现过电流。过电流大小反映了故障的严重程度，采用过电流程度来判断此类故障。过载故障电流在(1.5～5)IN之间，采用反时限跳闸方式保护；堵转故障电流在(5～7)IN之间，采用短时限跳闸保护；短路故障电流在(8～10)IN之间，采用速断时跳闸保护；过载、堵转、短路保护应躲过电动机起动电流，防止电机起动时跳闸，但是当电机起动时间超过规定时间后，应当跳闸保护[7]。
断相、相间短路、匝间短路、三相不平衡运行、漏电等故障属于不对称故障，可采用对称分量法进行数据处理。该类故障的特点是三相电流不对称，出现负序电流分量、零序电流分量。采用负序电流分量、零序电流分量作为判别标准，根据负序电流分量、零序电流分量大小采用短时限跳闸或速断保护。
相序保护是防止因电机反转而损坏设备的一种保护，利用微处理器通过判断三相电流的相序是否正常来实现，当A相电流正向过零时, C相电流应大于零，则相序正确，否则相序错。本装置中采用ATT7028A专用芯片直接判断相序，而后送控制单片机处理。
电网电压影响电动机的电磁转矩,电网电压变化时,电动机的电磁转矩相应发生变化，影响定子电流的变化，导致电动机工作不正常。电网电压降低时，电磁转矩下降，定子电流增加，容易烧坏绕组，或引起电机起动困难，应采用欠压保护；当电网电压在一定时限内低于整定值时，则进行断电保护。电网电压过高，易造成电机绝缘损坏，缩短电机寿命，应采用过电压保护；当电网电压在一定时限内高于整定值，则应断电保护。
4 系统软件设计
控制系统软件由初始化程序、键盘处理程序、参数设定程序、加载参数初始值程序、SPC3芯片参数修改程序、ATT7028A芯片参数修改程序、数据采集程序、数据处理程序、中断服务程序、通信程序、报警程序等构成。系统流程如图5所示。
编制程序时设定参数默认初始值，装置初次工作或选择恢复出厂设置功能时，自动加载参数初始值，可通过功能按键根据被控制对象及实际要求修改电动机保护参数设定值，由控制单片机实现对ATT7028A芯片、SPC3芯片参数按要求修改；控制单片机从ATT7028A芯片获得电动机运行数据、并按照预定规则进行数据处理，显示选定参数，同时判断电动机是否存在故障，有故障则发出声光报警信号，产生相应的电动机控制信号；无故障则电动机按预定指令正常运行。控制单片机通过SPC3芯片实现与其他ProfiBUS总线设备进行数据交换。
本文介绍的电动机智能控制和保护装置,采用Atmega64型高性能单片机为主控制芯片,以专用电能计量芯片ATT7028A实现电动机参数的采集，以ProfiBUS协议芯片SPC3实现装置的联网通信，同时结合其他输入、输出电路，实现对电动机的智能控制和保护，装置设计简洁、性价比高、功能强，便于组网，适合企业综合自动化的需要，有利于提高企业的自动化水平，具有良好的市场应用价值。
参考文献
[1] 黄世泽,郭勤学. 基于PIC16F716微处理器标准型电动机保护器的设计[J].低压电器，2006(11):26-29.
[2] 刘成俊,王善永,周劲鹰. ProfiBUS-DP智能从站通信接口的研究和设计[J].工业控制计算机,2007(1):11-12.
[3] Atmel Corp. .Atmega64(L) manual[Z]. 2003.
[4] SIEMENS Corp. .SPC3 hardware description[Z]. 2003.
[5] 珠海炬力集成电路设计有限公司. ATT7028A用户手册[Z]. 2005.
[6] 李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2006：102-132.
[7] 李宏任. 实用继电保护[M]. 北京：机械工业出版社，2002.