裝置由信號(hào)檢測模塊、核心控制置板以及輸出控制模塊三個(gè)部分構(gòu)成，系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示。
圖1
信號(hào)檢測模塊主要包括輸入電壓過零信號(hào)檢測，三相異步電動(dòng)機(jī)電流過零信號(hào)檢測,電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)電參數(shù)檢測。驅(qū)動(dòng)模塊包含晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)責(zé)接收控制信號(hào)，并將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)晶閘管的控制端。控制模塊是本裝置的核心，主要功能是獲取信號(hào)檢測模塊檢測的各種信息，判斷電動(dòng)機(jī)是否有故障狀態(tài)，包括缺相、過流等信息,同時(shí)還需要判斷電動(dòng)機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，調(diào)用電壓調(diào)節(jié)的算法，找到一個(gè)能讓電機(jī)工作在效率較高的導(dǎo)通角，進(jìn)行處理之后，控制器可以通過RS485總線將電機(jī)的狀態(tài)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。
電流過零檢測電路
三相異步電動(dòng)機(jī)是典型的感性負(fù)載，所以流過電機(jī)的電流信號(hào)是滯后于輸入的電壓信號(hào)的，而品閘管是半控型的電力電子器件，通過控制信號(hào)只能控制晶閘管的導(dǎo)通，而關(guān)斷要靠電流信號(hào)的過零來實(shí)現(xiàn)，考慮到三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過程中會(huì)因?yàn)樗鶐ж?fù)載不同導(dǎo)致功率因數(shù)不同，面且不同型號(hào)的電動(dòng)機(jī)的額定功率因數(shù)也不同，為了實(shí)現(xiàn)裝置的通用性，檢測電動(dòng)機(jī)的電流過零信號(hào)是必須的。圖2所示的電路為第一相的電動(dòng)機(jī)電流過零檢測電路，其中A和OUT-A信號(hào)是晶閘管的兩個(gè)瑞點(diǎn)，信號(hào)經(jīng)過限流電阻和整流電路之后變成直流信號(hào)，整流后的直流信號(hào)通過光耦6N139,將過零信號(hào)提供給微處理器檢測。當(dāng)晶閘管沒有導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)通過限流電阻經(jīng)過整流橋到6N139的控制端，6N139導(dǎo)通，此時(shí)6N139的6引腳會(huì)輸出低電平；當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，由于晶閘管上的管壓降非常小，所以幾乎沒有電流流過整流橋，所以6N139不會(huì)導(dǎo)通，6引腳輸出高電平。所以6引腳輸出的下降沿便是電動(dòng)機(jī)的電流過零點(diǎn)。
圖2
電動(dòng)機(jī)電參數(shù)檢測
在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，需要對電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)電參數(shù)進(jìn)行檢測，例如電壓電流有效值，有功功率，無功功率等，這些參數(shù)通過液晶屏顯示，可以直觀的看到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)這些參數(shù)也通過RS485發(fā)送到上位機(jī)上便于監(jiān)控?？紤]到通過微處理器直接測量這些參數(shù)計(jì)算較為麻煩，精度也不會(huì)很高，從實(shí)用性和精確性的角度觸發(fā)，本裝置選用專門為三相電能計(jì)量設(shè)計(jì)的專用芯片ATT7022b,該芯片內(nèi)部集成了六路二階sigma-deltaADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值等測量電路。該芯片支持純軟件較表，無需對硬件進(jìn)行改動(dòng)，經(jīng)過校準(zhǔn)后可以達(dá)到較高的測量精度。電動(dòng)機(jī)的三相電壓和三相電流信號(hào)經(jīng)過電壓互感器和電流互感器之后接到ATT7022b芯片上，該芯片與微處理器的接口通過SPI通信接口實(shí)現(xiàn)，微處理器可以很方便的讀取到電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)電參數(shù)信息。ATT7022b的部分硬件電路如圖3所示。
圖3 ATT7022b部分硬件電路圖
晶閘管驅(qū)動(dòng)電路
本裝置的輸出模塊選用的是雙向晶閘管，所以總共只需要三路控制信號(hào)即可。晶閘管驅(qū)動(dòng)電路由MOC3052構(gòu)成，MOC3052是可控硅輸出的光電耦合器，在其內(nèi)部不僅有發(fā)光二極管，還有一個(gè)小功率的雙向可控硅，其中一路的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。每一路的驅(qū)動(dòng)由兩個(gè)MOC3052級聯(lián)構(gòu)成，提高了驅(qū)動(dòng)電路的耐壓等級，其中MOCIN-A信號(hào)為微處理器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，光耦隔離放大輸出信號(hào)為A-G，接到雙向晶同管的門級。由于晶閘管在關(guān)斷時(shí)電流的變化很大，會(huì)產(chǎn)生過壓導(dǎo)致晶閘管損壞，在晶閘管驅(qū)動(dòng)電路中還増加了RC阻容電路和壓敏電阻來進(jìn)行過壓保護(hù)。
圖4 MOC3052晶閘管驅(qū)動(dòng)電路
其他電路
1)通訊電路：通訊部分采用MAX1348(7EESA)實(shí)現(xiàn)微處理器TTL電平到RS485差分電平的轉(zhuǎn)換，和普通的485轉(zhuǎn)換芯片相比，該芯片通過硬件自動(dòng)控制數(shù)據(jù)流向，不需要通過編程控制，簡化了程序的設(shè)計(jì)。該芯片與微處理器的異步串行通信接口UART相連。
2)人機(jī)交互：本裝置在人機(jī)交互方面使用的是按鍵＋LCD的方式。其中LCD液晶屏采用的是COG12864液晶，控制芯片為ST7565p。該控制芯片在并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ较轮С?080總線，鑒于微處理器提供了FlexBus靈活總線接口，可以兼容ST7565p使用的8080總線，因此，可將該液晶的控制線和數(shù)據(jù)線與微處理器的FlexBus接口對接，通過總線操作液晶屏幕5，數(shù)據(jù)和命令的傳輸由硬件實(shí)現(xiàn)，和操作GPIO的方式相比數(shù)據(jù)傳輸?shù)男矢摺?/p>
軟件設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)需要完成電流電壓過零信號(hào)檢測，晶閘管控制信號(hào)輸出，電動(dòng)機(jī)電參數(shù)讀取，按鍵掃描，液晶菜單顯示，與上位機(jī)通信等多項(xiàng)任務(wù)。為了提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，在軟件設(shè)計(jì)的過程中使用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQX,所有的任務(wù)都是在MQX操作系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā)的。
MQX是一款主要面向工業(yè)控制、消費(fèi)電子、汽車電子等領(lǐng)域的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)、可搶占，快速中斷響應(yīng)，擁有多種任務(wù)同步機(jī)制，兼容可移植操作系統(tǒng)接口（Portable Operating System Interface，POSIX)，具有可裁剪、組件模塊化、運(yùn)行效率高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。系統(tǒng)一共調(diào)度8個(gè)任務(wù)，兩個(gè)中斷，主要完成人機(jī)交互，與上位機(jī)通訊以及電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)檢測和調(diào)壓控制等功能。
圖5系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)圖