在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務辦公設備，還是在日常生活中的家用電器，都大量的是使用著各種各樣的電動機。根據(jù)資料統(tǒng)計現(xiàn)在有80%以上的動力源來自于電動機，我國生產(chǎn)的電能有60%用于電動機。電動機與人們的生活息息相關(guān)，密不可分。隨著國民經(jīng)濟的日益發(fā)展， 作為電能轉(zhuǎn)化為機械能的重要工具， 電動機在工業(yè)中的應用越來越廣泛。為了使電動機安全可靠的運行， 就需要提供高性能的保護裝置。電動機保護裝置必須能準確無誤地保護電動機， 使電動機在允許的極限負載范圍內(nèi)工作， 減少電動機損壞事故的發(fā)生。電動機和供電線路的短路必須能迅速檢測出來， 使得短路影響減小到最小。對于頻繁起動的電動機， 要能準確地模擬其發(fā)熱和散熱過程。傳統(tǒng)的第一代產(chǎn)品電磁式保護裝置以雙金屬片為敏感元件，雙金屬片受熱或機械碰撞易產(chǎn)生永久變形， 造成保護精度不高， 調(diào)試困難， 分散性大; 第二代產(chǎn)品電子式綜合保護裝置有了很大改進， 它利用電阻電容的充放電模擬電動機的發(fā)熱和散熱， 但精度也不高， 且沒有監(jiān)控、顯示功能。把單片機技術(shù)引入電動機保護裝置， 大大提高了對電動機的保護特性， 保護范圍廣， 性能穩(wěn)定可靠， 顯示直觀、正確、操作方便。

1.2本課題的研究內(nèi)容

電動機的內(nèi)部故障可以分為對稱故障和不對稱故障兩種。對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等;不對稱故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障、三相不平衡等。根據(jù)稱分量原理，當電動機發(fā)生對稱故障時，會出現(xiàn)明顯的過流。因此，可以利用過電流檢測來實現(xiàn)對稱故障的診斷與保護。當電動機發(fā)生不對稱故障時，其定子電流可以分解為正序、負序和零序分量，其中負序和零序電流在電動機正常運行時沒有或很小，一旦出現(xiàn)必然表示出現(xiàn)了故障。因此利用電流中的負序和零序分量來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性，再加之反應對稱故障的檢測電流幅值的方法，就可以構(gòu)成能涵蓋電動機在各種運行環(huán)境下所有類型的故障診斷與保護。

本課題主要研究電動機的漏電保護、斷相閉鎖保護、過載保護、負序電流保護、電壓保護等。

第2章 電動機故障類型及微機保護的特點

三相異步電動機的應用幾乎涵蓋了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個領(lǐng)域，在這些應用領(lǐng)域中電動機常常運行在環(huán)境惡劣的場合（如高溫、高濕、塵埃、腐蝕等），導致電動機的過流、短路、斷相、絕緣老化等事故頻發(fā)，據(jù)調(diào)查全國約有20%的電機因故障被燒毀，近30%的電動機帶缺陷運行，給日常生活和日常維護造成沉重負擔，特別是高壓電動機、大功率電動機，不僅造價高，更因為往往都是應用于大型工業(yè)設備的重要場合，一旦發(fā)生故障所造成的直接或見解經(jīng)濟損失更為慘重。因而對大型電動機的保護問題被人們廣為高度重視。

2.1電動機故障類型分析

電動機常見的故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這類故障對電動機的損害主要是熱效應，使繞組發(fā)熱甚至損壞。此類故障明顯特征是電流幅值的顯著變化。

不對稱故障有：斷相、逆相、相間短路、匝間短路等。這類故障是電動機運行中最常見的一類故障。不對稱故障對電動機的損害不僅僅是引起發(fā)熱，更重要的是不對稱引起的負序效應能造成電動機的嚴重損壞。此類故障明顯特征是電機電流出現(xiàn)負序電流和零序電流。

電動機在發(fā)生不對稱故障時，應用對稱分量法可將三相電流分解為正序、負序和零序分量。電動機在正常運行時負序和零序分量沒有或很小，一旦發(fā)生不對稱故障則將會大幅值出現(xiàn)，因此通過檢測過流幅值、負序和零序電流分量、電流不平衡率，母線電壓為基礎的故障判據(jù)具有很高的靈敏度和可靠性。

保護的影響。

2.2電動機的微機保護類型及特點

計算機保護主要是通過輸入接口檢測、分析計算電力系統(tǒng)及設備的有關(guān)電量和判定系統(tǒng)設備是否發(fā)生故障，決定是否發(fā)出跳閘信號并通過輸出接口送至系統(tǒng)及設備。此外還有記錄故障信息，方便的人機對話等。與傳統(tǒng)的電磁型保護和晶體管保護相比較，微型計算機特別是單片微控制器以其方便、靈活、可靠、經(jīng)濟等獨特的優(yōu)點，為理論研究和實際應用提供了更先進的手段；與傳統(tǒng)的保護裝置相比，微機保護具有如下優(yōu)點：

微處理器具有強大的運算能力、判斷能力，能按要求快速準確的計算，并能進行邏輯判斷。并可將自適應控制，隨機控制及模糊控制等引入保護。

良好的記憶存貯能力，可方便的獲取故障信息并在斷電情況保存故障信息及整定值。信息不丟失。

可與其他微型機組網(wǎng) ，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程診斷及分布式控制、信息網(wǎng)控制。

可靠性高。微機保護通過系統(tǒng)自檢，能及時發(fā)現(xiàn)軟件和硬件故障。

通用性強。微機保護通過改變軟件設計，可實現(xiàn)不同的微機保護，達到不同的特性，具有通用性。

體積小。與傳統(tǒng)的電磁型和晶體管式保護相比，體積要小的多。

經(jīng)濟性好。隨著大規(guī)模集成電路芯片的不斷發(fā)展，微處理器價格不斷下降，功能不斷增強，使經(jīng)濟性不斷提高。

更改整定值容易。微處理器通過外圍設備，使人機對話更加方便容易，可方便的就地或通過集控室更改整定值。

通過上面的分析看到傳統(tǒng)的保護裝置是無法達到微機保護所具有的這些優(yōu)勢。然而，作為一種新技術(shù)，它同樣也存在如下一些缺點。

對抗浪涌、干擾能力較弱。

硬件很快過時，更新、淘汰周期短。

盡管如此，微機保護的前景是光明的，它的發(fā)展趨勢是不可動搖的。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信這些問題會逐漸得到解決。

第3章 單片機的介紹及電動機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路的設計

3.1 8X196KX概述

本系列主要芯片有8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD，它們是Intel公司繼8X9X之后推出的16位嵌入式微控制器。Intel公司推出的MCS196系列單片機主要包括：HSI/O系列、Motor Control系列、EPA系列，本次設計主要應用HSI/ O系列；Intel80C 196KB是美國著名的Intel公司于九十年代推出的新一代單片機，是十六位微控制器。它在MCS-%基礎上結(jié)構(gòu)和功能又有了新的突破，是1%系列中功能較為卓著、應用較為廣泛的一種。由于它性能好、功能全、價格低和用戶使用方便等特點，尤其是高效的處理能力，使其特別適合于工控領(lǐng)域191。同時它采用CHMOS工藝，功耗低，具有節(jié)電的工作方式。

3.1.1 Intel 80C 196KB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Intel 80C 196KB具有64KB字節(jié)的可尋址空間。它的主要部分包括CPU、存儲器、中斷、五個獨立I/0口和一些被嵌入的外設。這些被嵌入的外設包含：1個8通道A/I〕轉(zhuǎn)換器、1個數(shù)據(jù)處理器陣列（EPA）、兩個硬件定時器（定時器1和定時器2）和一個脈寬調(diào)制單元PWM.

（1）中央處理器CPU

Intel 80C 196KB的中央處理器CPU是由寄存器算術(shù)邏輯單元RALU和寄存器陣列組成，它最大的特點是：算術(shù)邏輯單元RALU沒有采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，其操作直接面向256字節(jié)寄存器空間（由232字節(jié)的寄存器陣列和24字節(jié)的專用寄存器構(gòu)成）。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是消除了累加器的瓶頸效應，加速了數(shù)據(jù)交換和更新的能力，提高了CPU吞吐量。同時由于可通過專用寄存器來直接控制UO口，這就加速了輸入和輸出過程。

（2）中斷

Intel 80C 196KB具有靈活而高效的中斷處理系統(tǒng)，80C196KB共提供了28個中斷源，18個中斷向量。其中非屏蔽中斷NMI、軟件陷阱TRAP和非法操作碼中斷是3種特殊的中斷源，各占用1個專門的中斷相量;其余25個中斷源分享另外15個中斷向量。用戶可通過軟件修改中斷控制器的硬件優(yōu)先級，并可人為地屏蔽某些中斷。

（3） 80C196KB被嵌入的外設

Intel 80C I96KB單片機內(nèi)部提供了完成各種應用的外設功能，CPU是通過被嵌入外設的特殊功能寄存器來對它們進行管理的。外設的特殊功能寄存器是（SFR）能通過間接方式或窗口方式尋址，因此它們又可看作是CPU的“累加器”。Intel 80C196KB單片機的片內(nèi)外設功能較為強大和完善，除SFR外還設有定時器和事件處理器陣列（EPA）、脈寬調(diào)制單元（PWM）。 A/D轉(zhuǎn)換器。其中，脈沖調(diào)制輸出（PWM）可提供脈寬調(diào)制信號，作為D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，直接驅(qū)動某些電機;Intel 80C 196KB還具有方便可靠的A/D轉(zhuǎn)換功能，它具有一個8通道的A/D轉(zhuǎn)換器，能完成十位或八位的高速A/D轉(zhuǎn)換。本測控系統(tǒng)就采用Intel 80C196KB單片機自帶的AID轉(zhuǎn)換器進行模擬量的轉(zhuǎn)換，這樣可節(jié)省硬件開支。

（4） 1/O端口

Intel 80C 196KB具有5個獨立的1/O端口，其中PO口是輸入口，與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端共享引腳;P1口是總雙向口;P2口是多功能口;P3和P4可作雙向口或系統(tǒng)總線。此外，高速輸入口和高速輸出口（HSI/HSO ）與時間有關(guān)的特征未利用上時，也可以作額外的110口用。高速輸入/輸出器（HSVHSO）無需CPU干預，它可自動地同時記錄8個事件，并能記憶事件發(fā)生的時刻;而高速輸出器可以按預先規(guī)定的時刻去觸發(fā)某一事件，任何時候，都可以懸掛起8個事件。

（5）豐富的定時單元

系統(tǒng)共有2個16位硬件定時器和4個軟件定時器，其中軟件定時器可以以定時器1或定時器2作為定時標準，同時軟件定時器還可以復用，可以方便地應用于系統(tǒng)多任務定時中，節(jié)省了硬件的開支。同時80C 196KB還有一個16位的監(jiān)視器（Watchdog timer），它可以起到“看門狗”作用，使用極為方便。

3.1.2 指令概述

80C 196KB的指令系統(tǒng)是基于8096BH而形成的，它可以對帶符號數(shù)和不帶符號數(shù)進行操作，該指令系統(tǒng)采用了多種尋址方式其中包括了用于8位、16位數(shù)據(jù)類型的算術(shù)和邏輯運算指令，它的數(shù)據(jù)類型中還包括32位的數(shù)據(jù)類型，即支持16位與16位的數(shù)據(jù)乘法操作，32位與16位的除法操作以及操作數(shù)的移位操作，剩下的32位操作由16位的指令來完成。80C 196KB共有110多條指令，指令系統(tǒng)極為豐富。另外該指令系統(tǒng)的很多指令既可以用雙操作數(shù)，也可以用三操作數(shù)，提高了編程效率。80196KB時鐘頻率可選擇在6MHz與16MHz之間。這個時鐘源可由外界晶體和內(nèi)部電路構(gòu)成的晶體振蕩器產(chǎn)生，也可由外部時鐘直接提供。80C196KB的狀態(tài)周期經(jīng)時鐘信號二分頻后獲得，它是芯片工作的基本時間單位。當選用12MHz

為振蕩器頻率時，80C I 96KB的狀態(tài)周期為167ns，這樣，單片機完成一條指令所需的最短時間就是4個狀態(tài)周期。所以它的執(zhí)行速度快，當在12MHz主頻下，完成16位乘法僅需要2.3us，完成32位除法也只需要4.Ous。

3.1.3 存儲空間分配

80C 196KB可尋址的儲存空間有64K字節(jié)，地址線為16位，每個單元存放一個字節(jié)的信息，除00001. 00FFH和1FFEH-2080H單元有專門用途外，其它單元都可用于存儲程序和數(shù)據(jù)，或用于按存儲器配置的外部設備。

3.1.4 存儲器的地址、數(shù)據(jù)總線

由于Intel 80C 186KB無內(nèi)部存儲器，所以測控系統(tǒng)需要擴展外部存儲器，其中地址數(shù)據(jù)總線的使用可以采用3種方式：第一種是標準16位總線方式，即復用的16位地址線和數(shù)據(jù)線。第二種是8位方式，即使用16位地址線和8位數(shù)據(jù)線。第三種是動態(tài)方式，即在16位和8位方式中隨機地選擇使用。本測控系統(tǒng)采用第一種方式，即16位標準總線方式。

3.1.5 外部存儲器的擴展

根據(jù)系統(tǒng)要求，主控制板擴展了兩片27128作為程序存儲器，兩片6264作為數(shù)據(jù)存儲器，存儲采樣的數(shù)據(jù)以及根據(jù)一定的算法計算的數(shù)據(jù)，存儲器擴展電路如圖3-3所示。其中ICI和IC2為程序存儲器27128， IC3和IC4為數(shù)據(jù)存儲器6264，擴展的程序存儲器的地址范圍是2000H-7FFFH，擴展的數(shù)據(jù)存儲器的地址范圍是8000H-BFFFH o與八位單片機不同的是，80C196KB可以按字或字節(jié)來訪問外部存儲器，但在讀外存時，把16位數(shù)據(jù)同時取入存儲器控制器，在控制器內(nèi)部根據(jù)情況選取1個字節(jié)或1個字，把不用的部分舍棄。因此/RD信號同時選通高位字節(jié)和低位字節(jié)，且AO不與存儲器相連。