基于ATMEGA16单片机的矿用变频器漏电监测系统设计.pdf

2 0 0 9 年第6期 煤矿机 电 1 3 基于 A T ME G A 1 6单片机的矿用变频器 漏 电检测系统设计 王夺， 石勇， 许森祥 煤 炭科学研究 总院 上海分院 ， 上海 2 0 1 4 0 1 摘 要 采用附加电源直流检测方法， 对采煤机用变频器的原漏 电检测系统进行改进 ， 提 出了一 种基于 A T ME G A 1 6单片机的漏电检测系统的设计方法。经实际应用， 该系统检测准确、 可靠， 满足 了产品在实际中使用的需要。 关键词 矿用变频器；漏电检测； A T ME G A 1 6单片机 ； 采煤机 中图分类号 T N 7 7 3 ； T D 6 1 4 ． 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 - 0 8 7 4 2 0 0 9 】 0 6 0 0 1 3 0 3 De s i g n o f E l e c t r i c L e a k a g e D e t e c t i n g S y s t e m o f Mi n i n g I n v er t er Ba s e d on ATMEGA1 6 Mi C r O C O n t r O I ler WANG Du o，S HI y 0 ，XU S e n x i a n g S h a n g h a i B r a n c h o f C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B y a d d i t i o n a l DC p o w e r d e t e c t i o n me t h o d，i mp r o v e s o ri g i n a l l e a k a g e d e t e c t i n g s y s t e m o f mi n i n g e q u e n c y c o n v e e r i n s h e a r e r a n d p r o p o s e s a de s i g n me t h o d o f l e a k a g e d e t e c t i o n s y s t e m b a s e d O H AT MEGA1 9 mi c r o c o n t r o l l e r ．B y p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n，t h e s y s t e m d e t e c t i o n i s a c c u r a t e a n d r e l i a b l e， me e t s t h e n e e d o f p r a c t i c al Use． K e y wo r d s mi n i n g i n v e r t e r ；e l e c t r i c l e a k a g e d e t e c t i n g ；A T ME GA1 6 mi c r o c o n t r o l l e r ；s h e a r e r 本文对天地科技上海分公司制造的采煤机用变 频器 的漏 电检 测进行 改进， 提 出了一种基 于 A T - ME G A 1 6单片机的漏电保护系统。该系统能够实时 检测绝缘电阻， 并能进行 自校正 ， 从而提高了漏电保 护动作的可靠性 。 1 基本原理 我国目前煤矿井下常用的漏电检测方法有附加 直流电源检测和零序功率方 向检测两种， 其 中前者 保护全面， 具有对地电容电流补偿、 动作值整定简单 的特点。该方法传统上采用模拟电路设计 ， 经过 电 压采样 、 滤波等一系列电路处理后 ， 通过比较器电路 比较 ， 如果发生漏电就翻转 ， 驱动后级执行电路动作 进行保护。该电路虽在实际使用中也能满足要求， 动作实时性也能保证 ， 但由于变频器是一种高频、 高 脉冲的设备 ， 很容易对检测 回路造成电磁干扰 ， 干扰 采样电压， 引起误动作保护 ， 且执行电路的保护没有 选择性 ， 往往直接停机保护 ， 严重时引起变频器频繁 断电甚至造成设备损坏， 影响了采煤机的生产使用。 据此原理 ， 对原采煤机用变频器的漏电保护 系统做 了改进 ， 采用了基于 A T ME G A1 6单片机的数字化检 测方法。其检测回路原理如图 1 所示。 由图 1 所示 ， 漏电检测 回路为 自附加直流电源 正极 ， 通过 电容、 电感滤波、 限流 电阻、 零序电抗器、 三相电网经大地到采样电路回到电源负极。正常工 作时， 如果其中一相电路发生漏电， 采样的电压信号 输入到单片机 中， 经过 A ／ D转换处理后 ， 驱动执行 机构对变频器进行急停保护。 2 单片机主控系统 1 硬件设计 漏电检测 回路的主控 系统是以 A T ME G A 1 6单 片机为核心的控制系统 ， 能确保检测和动作的快速 性。其硬件框图如图2所示。 1 4 煤矿机电 2 0 0 9年第6期 图 1 漏电检测原理 图 Ar MEGA l 6 I 按键 指令I- - - - - - - - j 匝 鳖橱匾 蟹】 叵 I E E P ． o M I l匕 圈 图2 主控系统原理框图 由图 2所示 ， 主控系统主要功能为 采样信号 A ／ D转换处理、 按键指令相应、 控制显示及通讯等。 考虑到系统 的总体功耗 ， 采用 了高性能单片机 A T ME G M6 ， 其体积小、 功耗低 、 控制 和处理能力强大 、 性价比高 ， 数据吞吐率高达 1 MI P S ， 大多数指令执行 时间为单个时钟周期。1 6 K字节的可擦写一万次的 系统内可编程 F l a s h ； 5 2 1字节 的 E E P R O M， 可掉 电 保存数据 ； 单片机本身带 有八路 十位 的 A D C， 可以 精确完成采样信号的模数转换 ； 2个 8位定时／ 计数 器和 1个 1 6位定时／ 计数器 ， 很好地满足了设计要 求。 采样 电路 中， 原绝缘电阻不固定 ， 为了保证检测 阻值的实时性和准确性 ， 电路使用 了 A V A G O公司 的固态继电器 ， 用于切换采样 电阻的大小 ， 使其随着 检测电阻的大小进行改变， 保证了采样 电压在正常 的检测范围， 在一定绝缘程度下确保绝缘阻值 的准 确性 。检测电阻采样 回路见于图 3 。实际电路中采 用三路固态继电器 ， 形成了四种档位的采样电阻， 检 测的绝缘电阻值可达到7 0 M Q以上， 检测阻值的误 差在 5 ％ 以内。L E D显示 电路由数码管组成 ， 用 于 实时检测电阻和采样电压 ， 便于出厂调试。通讯功 能中， 通过单片机本身的串行通讯 口 U S A R T 经外 部硬件 电路转换变为 4 8 5通讯 ， 将检测到的阻值及 功能代码传送给采煤机的主控器。按键指令电路是 一 些开关量输入 ， 主要是对检测系统的功能操作 ， 控 制指令执行电路包括了对变频器进行的控制和故障 急停保护功能。 。 绝缘电阻 R x ． 采 样 量 三 _ __ 【 面 固态继 电器 ； 7 图 3 检测电阻采样 回路示意图 2 软件设计 漏 电检测系统的软件编程分为主程序和子程序 两部分 ， 主程序采用循环扫描的方式。根据实际需 要 ， 划分 了不同的功能模块。其软件 流程如图 4所 示 。各模块的主要功能如下 1 主程序模块功能 a ．初始化模块 。主要完成对 A T ME G A1 6端 口 的设定 ， 变量的初始化定义 ， 定时器 0和定时器 1中 断的设定 ， E E P R O M初始化及 A ／ D转换和串行 u A ． S A R T的设定等。 b ．定时器 0中断模块 。中断过程 中采用动态 扫描的方式驱动 L E D数码管 ， 用于显示检测 的绝缘 阻值、 采样电压等数据。 e ．定时器 1中断模块。对 A ／ D采样 的结果进 行软件滤波处理， 可提高采样数据的可靠性。 初始化 启动定时、A／ D器转等， 开中断 定时器 1 中断l I漏电判断卜 ． ． 1 l 定时器 0中断 A ／ D采样结果处理l I按键扫描I I l 数据显示处理 中断返回 l串行通讯I l 中断返回 圭 堡 望旦 图4 软件流程框图 2 子程序 根据 A ／ D采样处理的结果， 进行绝缘阻值的计 算和漏电的判断； 按键扫描子程序用于查询按键 ， 执 行相应的指令功能 ， 对变频器进行相关控制 ； 串行通 讯模块完成漏电检测系统与采煤机主控器之间的数 据通讯， 实时传送相应的数据信息和功能代码。 2 0 0 9 年第6期 煤矿机电 l 5 全数字永磁 同步电机控制系统研究 吕振 ， 姚琳琳 辽宁工程技术大学， 电气与控制工程学 院， 辽 宁 葫芦岛 1 2 5 1 0 5 摘 要 以T I 公司的高性能控制芯片 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A为控制核心， 利用模型参考 自适应方法对 永磁同步电机 的转子位置和转速进行估算， 设计 了永磁 同步电机为广义控制对象的控制 系统。通 过仿真工具 Ma t l a b ／ S i m u l i n k对控制 系统进行建模仿真， 验证 了系统具有 良好的动、 静态性能。 关键词 D S P数字信号处理器；永磁同步电机 ；无传感器；模型参考 自适应 中图分类号 T M 3 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 9 0 6- 0 0 1 5- 0 3 Re s e a r c h o n t h e Co n t r o l S y s t e m o f Di g it a l P e r ma n e n t Ma g n e t Sy n c h r on o u s Mo t o r L V Zh e n．M 0 L i n l i n F a c u l t y o f E l e c t ri c a l a n d C o n l r o l E n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， H u l u d a o 1 2 5 1 0 5 ， C h i n a A b s t r a c t Wi t h T I ，s h i g h p e ff o n n a n e e c o n t r o l c h i p s T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A a s t h e c o n t r o l c o r e ，b y t h e me t h o d o f Mo d e l Re f e r e n c e Ad a p t i v e．e s t i ma t e s t h e r o t o r p o s i t i o n a n d s p e e d o f p e r ma n e n t ma g ne t s y nc h r o n o u s mo t o r ， a n d d e s i g n s t h e c o n t r o l s y s t e m t a k i n g t h e p e r ma n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s a s g e n e r a l i z e d c o n t r o l o b j e c t ．T h e c o n t r o l s y s t e m i s s i mu l a t e d i n mo d e l i n g b y t h e s i mu l a t i o n t o o l s o f Ma t l a b ／S i mu l i n k t o v e r i f y t h e s y s t e m h a s a g o o d d y n a mi c a n d s t a t i c pe rfo rm a n c e ． K e y w o r d s D S P d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ；p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r ； s e n s o r l e s s c o n t r o l ；MR A S m o d e l r e f e r e n c e a d a p t i v e s y s t e m - 概 述 笺 薯 景 霉 永磁同步电动机的驱动系统需要机械传感器来 的测速发电机等 。机械传感器的存在增加了控制系 3 其它 考虑到矿井工况恶劣， 设备在使用过程中性能 会发生一定的变化 ， 故软件 中对漏电检测加入了 自 校正功能。若采煤机在使用过程中因一些恶劣因素 造成检测不准确 ， 则可对其阻值进行 自校正补偿， 以 保证检测的准确性。 了产品在实际中使用的需要。该系统在现场使用过 程中， 没有发生保护误动作现象， 实时检测的绝缘电 阻值误差在 5 ％ 以内， 该方法也为 以后公司产 品的 升级、 更新提供了良好的实践基础。 参考文献 [ 1 ] 韩炳兴 ， 等．交流变频调速装置漏 电保护研究f J ] ．煤矿机 电， 1 9 9 9 5 ． 3 应 用效果 [ 2 ] 卢恩贵． 浅谈漏电保护技术的研究与发展[ J ] ． 煤矿安全 2 0 0 7 2 ． 基于 A T M E G A 1 6单片机的矿用变频器的漏电 检测系统现已成功地应用于天地科技上海分公司生 产的采煤机产品中， 与原有的检测系统相比， 大大简 化了电路的设计 ， 提高 了检测 的准确性和保护动作 可靠性和及时性 ， 降低了设备的故障率 ， 很好地满足 [ 3 ] 吴双力， 等． A V R - G C C 与 A V R单片机c语言开发[ M ] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 作者简介 王夺 1 9 8 1 一 ， 男， 助理工程师。2 0 0 6年毕业于福州大 学控制理论与控制工程专业， 现主要从事采煤机械 电气的研发工作 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 3 ； 责任编辑 姚克