摘 要

本文介绍了一种利用单片机技术检测的智能电动机保护控制系统，使用单片机的长处是其体积微小、重量很轻、价格低廉且功能齐备，而且利用对单片机的编程可以实现对电动机全方位的精确保护。本文主要讲述了一种基于单片机的智能电动机保护控制器的设计方法。设计电路对电动机运行参数进行实时采集，采集后利用单片机进行数据处理与系统总控，利用数码管进行故障显示。本文详细介绍了电路的设计方法，电路由电源电路、数据采集电路、按键电路、显示电路、处理器电路、保护控制电路、程序下载电路组成。本次设计以STC12单片机为核心，利用电压互感器与电流互感器采集电动机信息，采集的信息经过降级滤波处理之后送到STC12单片机数模转换接口，单片机对采集数据进行分析处理，由数码管显示故障代码，同时还有人工控制电动机运行的按键模块。本文通过对电动机保护器的功能分析，对电动机的安全运行以及调整提供了可行的办法。

关键词：电动机保护、单片机、智能控制器

Abstract

This paper introduces a kind of intelligent motor protection control system using single-chip microcomputer technology. The advantages of using single-chip computer are its small size, light weight, low price and complete functions. Moreover, the program of single-chip computer can realize all-round precise protection of motor. This paper mainly describes a design method of intelligent motor protection controller based on single chip computer. The circuit is designed to collect the motor operation parameters in real time. After acquisition, MCU is used for data processing and system control, and digital tube is used for fault display. This paper introduces the design method of the circuit in detail. The circuit consists of power supply circuit, protection control circuit, data acquisition circuit, processor circuit, display circuit, key circuit and program download circuit. This design takes STC12 MCU as the core, uses voltage transformer and current transformer to collect motor information. The collected information is sent to the digital-to-analog conversion interface of STC12 MCU after degraded filtering. The collected data are analyzed and processed by MCU, and the fault code is displayed by digital tube. At the same time, the key module of manual control motor operation is also used. Through the function analysis of motor protector, this paper provides a feasible method for the safe operation and adjustment of motor.

Key Words：motor protection; microcontroller; intelligent controller

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1热继电器、熔断器和电磁式电流继电器 1

1.2.2模拟电子型电动机保护器 2

1.2.3电子型电动机保护器 3

1.3本课题的研究内容 3

1.4小结 3

第2章 电动机保护的原理以及故障分析 4

2.1三相异步电机运行原理 4

2.2电动机故障类型 4

2.3对称分量法 5

2.4短路故障保护及判断依据 6

2.5堵转故障保护及判断依据 6

2.6断相故障保护及判断依据 6

2.7过载故障保护及判断依据 7

2.8欠压过压故障保护及判断依据 8

2.9小结 8

第3章 电动机保护控制器硬件电路设计 9

3.1硬件的选择 9

3.2硬件模块及设计 9

3.2.1处理器模块 9

3.2.2程序下载接口 12

3.2.3显示与键盘模块 13

3.2.4数据采集模块 16

3.2.5保护控制模块 18

3.2.6电源模块 18

3.3小结 19

第4章 电动机保护控制器软件设计 20

4.1 程序设计语言选择 20

4.2 软件系统整体设计 21

4.3 主程序设计 22

4.4人机对话模块程序设计 23

4.5 数据采集模块程序设计 25

4.6 软件开发环境 26

4.7小结 28

第5章 系统抗干扰设计 29

5.1干扰的分类 29

5.2干扰造成的危害 29

5.3硬件抗干扰设计 29

5.4软件抗干扰设计 30

5.5小结 31

第6章 结论 32

参考文献 33

致 谢 34

第1章 绪论

1.1选题背景与意义

电动机是将电能转换为机械能的机械设备，最早的电动机原型是1821年由法拉第制作的。1873年，第一台大功率电动机由格拉姆发明出来，由此电动机开始大规模进入工业生产。

电动机是工业农业工作系统中极其重要的组成部分，在我国民经济中占有着至关重要的地位，它的使用渗透到了现如今的各行各业，对工业、农业以及国防建设与民生都有着极其重大的影响。在不完全统计的情况下，每年有数亿度的电量因为电动机的损坏而损失，电动机烧毁二十万台以上，因维修而造成的修理费用高达二十亿元，因电机损坏而造成的工业停产损失更是无法估计。所以确保电动机的正常运行有着重要的意义。

电动机保护器是用来给电动机进行保护的装置，可以保护电机在断相、过载、过流、堵转、相间短路、单相接地等等故障情况下损坏^[1]。

1.2国内外研究现状

1.2.1热继电器、熔断器和电磁式电流继电器

热继电器最早是从前苏联传到我国，在我国热继电器使用了相当长的一段时间，热继电器已经发展了3~4代，价格很低而且使用方便。热继电器中有可以发生电流热效应的发热元件，一般的热继电器内部发热元件是经过高强度的机械碾压，使两种线性膨胀系数不相同的金属片结合在一起。这样形成的金属片在通电发生电流热效应时，会因为两种金属片的线性膨胀系数不相等而导致膨胀向膨胀系数小的一边弯曲，因此可以带动触点工作，使其完成保护动作。膨胀系数高的金属片称作为主动层金属片，膨胀系数低的金属片称作为被动层金属片^[2]。当需要进行重复保护动作或者电动机发生多次短时超载时，热继电器起不到很好的实用效果，而且热继电器性能单一，在面对多种类型的电动机故障时，热继电器几乎执行不了保护功能。

而熔断器是人们最早用来保护电动机工作的保护器，熔断器是由熔体和熔管两部分和其它填充材料所组成的^[1、2]。当需要用熔断器来进行电动机保护时，要把熔断器串联进需要进行保护的线路中。若是线路电流超过安全值一段时间，熔断器内部发热使熔体熔断，从而使线路断开，实现保护动作^[3、13]。熔断器是一种简单且极其容易操作的保护器件，但是它只能对线路短路的情况进行保护，当发生其它故障时，熔断器并不能保护到电器运行，因此熔断器通常不能单独作为保护器使用，需要搭配其它类型的保护器才能实现比较好的功能。

图1 热继电器

1.2.2模拟电子型电动机保护器

二十世纪七八十年代间，因为半导体器件的发展与应用，发展出了一批性能不错、功能很多的模拟电子电动机保护器，其中以韩国三和技研株式会社的产品为代表，他们的产品丰富多元，品类齐全，提供了过流、断相、短路、接地、相位不平衡等等的功能，但是依然存在一些无法克服的缺陷，包括：

（1）定位精度不高，模拟的电子电动机保护器的额定电流设定是通过电位器实现的，所以要使电位器滑动臂的角度与阻值实现比较好的线性关系还是很困难，在复杂电磁环境下，由于其繁杂的各个元器件之间的线路布局，让它极易被干扰，对温度也十分敏感，另外对于操作者来说，定位误差也是难以避免的^[16]。

（2）采样精度低，因为电流互感器的非线性问题一直以来都是模拟线路所不能克服的，使用其他方法矫正也会让线路变得非常复杂，甚至说导致其无法使用，因此提高电流互感器的线性也成为了大多数厂家所采用的办法，然而现实中想做出在一个较宽的范围内实现线性的矽钢片电流互感器非常困难。采样电路本生也会存在非线性问题。

（3）不能实现多种保护功能集于一体的全方位保护，伴随工业要求和社会发展，人们对电机保护的要求的已经不再是从前的那样，现在人们希望电动机保护器的功能更加多元化，希望保护器的价格低廉、性能优越、更好操作、更加微型等等，而这已经是模拟电子电动机保护器所不能达到的了。

1.2.3电子型电动机保护器

电子电动机保护器以前是晶体管，后来是集成电路，现在已经是微处理芯片厚模电路，微处理器电路下的保护器具备了体积小、耐摔耐冲击、能耗小、可重复使用、寿命长、操作性好、功能齐全、精度高、识别速率高等优势，而且此类保护器通常具备大部分电动机故障类型的识别与保护。

（1）电动机保护器（电机保护器）通过对电流和电压信息的检测（其中包括对三路电流及三路电压的检测，以及零序电流和负序电流的检测），从而实现对过载、断相、堵转、欠压、过压、过热等问题的检测与保护。

（2）智能保护是指不同于以往的机械式保护，现在的保护器可以通过软件的判别来识别电动机出现的断相、短路、过压、欠压等等故障问题进行控制与保护，有些还能显示电流值电压值、显示时间、故障记忆、远程报警等等功能。

1.3本课题的研究内容

本课题研究基于单片机技术、电机学、电子科学与技术、计算机控制技术、检测技术等等的学科内容。利用现在单片机体积小、重量轻、功能多等条件，为电动机提供智能化的保护。

（1）对电动机的一些故障进行分析并提供保护

（2）以单片机为核心的硬件电路，包含有按键、数据采集、错误显示等电路。

（3）设计了电动机保护的程序方案，对电机断相、单相接地、相间短路、过载等故障进行保护。

1.4小结

本章主要介绍了电动机保护方案从过去到现在的种种发展与进步，对目前的保护器情况进行了一定的分析之后，适当的提出了本篇论文所要设计的保护器的各种要求与属性。

第2章 电动机保护的原理以及故障分析

要能够进行合理的设计，我们需要对电动机保护的实际原理进行透彻的理解，本章对研究对象的特性以及分析方法进行了系统阐述，让之后对电动机保护提出的实际方案有据可依，具体分析办法在本章内进行了详细说明。

2.1三相异步电机运行原理

日常生活中以及工业农业生产作业中，我们常用的电动机大部分为交流电动机，而交流电动机又可以分为异步电动机与同步电动机。我们使用其中的异步电动机比较多 ^[4]。异步电动机和同步电动机的工作原理均是利用了电流磁效应，只不过两者之间的差别在于转速是否与同步速同步。异步电动机是指其转子在电磁力作用下的转速小于同步速，所以叫异步电动机。电动机原理图如图2.1所示.

图2.1 三相异步电机等效原理图

2.2电动机故障类型

电动机运行过程中可能发生很多故障，与电动机的使用方法、使用环境、工作时间、维护状况有关，故障原因也很多，具体故障原因要对应进行具体分析。电动机的非正常运行状态包含：断相、过载、接地、堵转、短路等等[5]。这些故障状态可能会导致电动机定子电流过大超过额定电流。电动机长期工作在故障状态下，会严重损害使用寿命甚至导致危险情况发生，例如长时间的过载会导致电动机烧毁，异或是短路也可能引发安全事故等等。面对电动机的保护与控制措施势必不可少的。

图2.2 电动机对称故障

电动机的故障主要可分为对称故障与不对称故障两大类^[5、15]。堵转、三相短路、对称型过载等等属于对称故障，特征就是三相对称，电流增大，对电机的危害是电流过大引发的热效应。因此我们可用电流检测来反应对称故障，也可以用热继电器来简单保护。

三相不平衡、相间短路、断相等等问题属于不对称故障。这类故障特点是一定会产生零序或是负序电流，从而对电机运行产生危害，一旦出现零序或负序电流，则电动机必然产生了非对称故障，具体故障原因可对各电流电压分量值进行检测，从而对电机各种非对称情况故障进行检测与保护。

2.3对称分量法

在电力工程对称系统当中，经常会用到一种基础分析方法，叫做对称分量法^[6、11]。所谓对称分量法，就是用来分析比如电动机，变压器等等的三相对称电器的分析方法，在面对不对称问题时，使用对称分量法来进行分析定性，往往能取得不错的效果。而且对称分量法原理简单，使用场景广泛，所以我们在此也使用对称分量法来分析电动机故障问题。

2.4短路故障保护及判断依据

电动机短路是一种后果十分严重且比较容易发生的故障。相间短路和单相绕组匝间短路都是短路故障，相间短路可能会引起电动机本身损坏，影响工作的顺利进行，匝间短路后，由于电机的绕组有一部分发生了短路，电机内部产生的磁场与正常磁场不同，此时可能会产生比较大的剩余电流，电机的运行振动也变大，但是出力减小，电流增大，严重时烧毁电机，严重影响施工作业。

由于短路的最明显特征是出现大电流，所以我们可以设置最大电流限制通常来说取电动机额定电流的8倍到10倍。当检测到电动机的电流超过了最大电流限制，控制器立刻发出信号控制继电器断开电动机供电，从而实现短路保护。

2.5堵转故障保护及判断依据

电机堵转是在电机转速为零时依然输出扭矩的情况，由于电机负载过大、拖动的机械故障、轴承损坏扫堂等原因引起的电机无法启动或停止转动的现象。电动机堵转时的电流最高可达额定电流的7倍，堵转时间过长就会烧毁电动机^[12]。

判断堵转时依然可以根据电流值进行判断，当线电流超过额定电流一定时限使，即刻进行断电保护。堵转电流的保护值定为额定电流值的4到7倍。当我们设置堵转保护方案时，要充分考虑到，电机启动电流也能达到额定电流的4到7倍，所以我们设置时限应当将电机的启动时间排除出去，通常来说，电机启动时间可能为8秒到16秒，所以若我们将堵转保护时限设置为16秒，即可避开电机启动时间，较好的完成堵转保护。

2.6断相故障保护及判断依据

断相不同于之前讨论的堵转或是短路，通常来说断相并不会显著的引起电流幅值变化。所以我们不再能用检测电流是否超额的办法来进行保护。断相产生不对称电流对电机损害极大，断相时产生的负序电流，会极大的增加电机发热，转子振动，力矩降低等等问题，从而导致电动机的损坏。

三相电机运行时间长时，常常会有缺相问题的出现，导致电机损坏或烧毁，从而造成财产损失或发生危险事故，因此我们对电机断相原因进行了分析总结如下所述：

（1） 熔断器开路。

（2） 闸刀接触不良。

（3） 接触器受热变形卡死或主触点烧损。

（4） 负载太大导致电动机短路烧毁器件。

（5） 闸刀质量不好，使用时间太长

对于断相故障，可以人为定期检查闸刀情况，尽量避免集中大电量的用电来减少断相故障的发生。我们对断相类型以及断相现象或是断相时的电路特性进行分析测试后，总结的断相电流值表如下。

表1 电动机断相电流值表

从表中我们可以看出，对Y形接法的电动机，不论是断相发生在何处，均会导致故障相的线电流为零，△接法的电动机，外部断相会导致故障相的线电流为零，内部断相会导致故障相的相电流为零。根据以上分析，对于电动机断相的保护我们可以检测电流是否平衡来判断故障类型，若是出现线电流为零的状况，则是出现了Y形接法断一相或是△接法断一线的故障。对于△接法断一相的故障，我们可以检测负序电流与正序电流的比值来判断，一般来说这个比值为正序相电流比负序相电流比值为2。

2.7过载故障保护及判断依据

电动机都有自己安全运行的功率，称其额定功率，如果是电动机在超过了了其额定功率的实际功率下工作，我们称其为电动机的过载。电机过载主要有以下症状：

1.电机发热量变大；

2.电机转速下降，最多可能下降到零；

3.电机有低鸣声，振动变大；

4.如果负载发生了很大的改变，将导致电动机的转速出现波动；

对于电动机的过载故障，我们可以通过设置温度传感器来进行温度过高时的报警，因为通常过载会导致电动机出现极大的发热增加，所以我们可以设置温度保护从而保护过载。

2.8欠压过压故障保护及判断依据

欠压：顾名思义就是电压不够的意思。对任意的电器设备来说，都有一个电压额定值，但在实际生活中，电器不一定能在额定电压下工作，可能会是高于额定电压也可能是低于额定电压，但通常不会超出或是低于额定电压百分之十五，当电器的实际工作电压高于额定电压百分之十五时，我们将其称作过压，当电器的实际工作电压低于额定电压百分之十五时，我们将其称作欠压。所以我们通过检测电压值的办法来进行欠压过压故障的保护，若是某一相或某几相的电压长时间低于额定值或长时间高于额定值，我们即可以判断其为欠压或是过压，从而进行断电保护。

2.9小结

本章主要分类分析讨论了电动机运行原理，电动机各类故障发生的原因现象以及判断依据，从而进一步提出可行的保护方案，包括对于三相电机保护理论来说极其重要的对称分量法理论等等我们都进行了系统的阐述。

在原理分析之后，我们也介绍了电动机保护器的各个功能模块，包括短路、堵转、过载、欠压、过压模块。

第3章 电动机保护控制器硬件电路设计

硬件是电子器件的骨架，因此要想设计一个实用的产品，我们需要将其硬件设计得比较全面。本章对电动机智能保护器的硬件电路进行讨论与分析，硬件系统以STC12单片机为核心，其它电路配合单片机完成整体功能。

3.1硬件的选择

我们在选择电路所使用的硬件时，我们要考虑好硬件的整体性，对于本次的电动机保护器设计，我们将其硬件电路划分为处理器模块、显示模块、键盘模块、数据采集模块、以及保护控制模块和电源模块。

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