專利名稱：：電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，屬于電動機(jī)保護(hù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著國內(nèi)電子控制領(lǐng)域的不斷發(fā)展，越來越多的新型保護(hù)裝置正在逐步的普及起來。電動機(jī)保護(hù)器將電動機(jī)的測量、保護(hù)、控制、通訊等功能集于一體，取代了常規(guī)的熱繼電器、電流互感器、中間繼電器、變送器等常規(guī)電器元件。它正在以它高科技的優(yōu)勢逐步替代傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)常規(guī)器件。而電動機(jī)保護(hù)器主要是依靠對電動機(jī)實(shí)際工作電流的采集來判斷電機(jī)的狀態(tài)及進(jìn)行保護(hù)動作。實(shí)際運(yùn)行中，電動機(jī)的運(yùn)行電流通常會在額定電流附近，但是在起動過程中會出現(xiàn)68倍于額定電流的起動電流，同時在故障狀態(tài)下也會出現(xiàn)數(shù)倍于額定電流的故障電流，這就對該裝置的電流測量范圍及精度提出了較高的要求，測量范圍大了精度就會下降。而目前現(xiàn)有解決方案主要有兩種一是只測量2倍額定電流以下的電流值，對于2倍以上電流不做計(jì)量，精度較高。第二種就是可以測量到10倍的電流，但是在額定電流時，測量精度只能達(dá)到2%左右。所以針對此類矛盾，必須找到一種既保證在額定電流下采樣精度，又使得測量范圍可以達(dá)到1%1000%的測量方法。既然測量范圍需要達(dá)到額定電流的1%1000%，且需要保證在100%以下的電流保持0.2%的測量精度，需要選用一種可以進(jìn)行量程自動切換的電路，保證在不同大小的電流下，由裝置自動進(jìn)行量程切換，這樣不僅能滿足寬量程的需要，還可以達(dá)到較高的采樣精度。目前對于量程切換電路大多使用繼電器開關(guān)或者電子模擬開關(guān)投切方式。其中繼電器開關(guān)雖然其導(dǎo)通電阻極小，在電路實(shí)現(xiàn)上比較簡單，但由于自身體積大、成本高、功耗大、動作速度慢等缺點(diǎn)，一般常用在中型以上測量儀表內(nèi)。電子模擬開關(guān)優(yōu)勢在于其體積小、功耗小、動作速度快，但其最大的缺點(diǎn)在于導(dǎo)通電阻偏高，這會直接導(dǎo)致切換的效果很差。目前有部分芯片廠商研制出低導(dǎo)通阻抗的電子模擬開關(guān)，伹由于其價格居高不下，導(dǎo)致除少數(shù)高端測量儀表外很少被采用。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于嵌入式平臺、電子模擬開關(guān)以及放大器組成的電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入自動量程切換電路。此專利在實(shí)現(xiàn)寬范圍、高精度的基礎(chǔ)上，極大地節(jié)省了器件成本，極大地提高了自動量程切換電路的實(shí)用性。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的-一種電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，包括電流互感器和采樣電路，所述電流互感器的輸出連接采樣電路的輸入；其特征在于所述的采樣電路包括量程切換電路、電壓整流抬高電路和單片機(jī)控制電路三個模塊，所述的量程切換電路由標(biāo)準(zhǔn)同相比例放大電路和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)為單刀八擲電子開關(guān)，連接在標(biāo)準(zhǔn)同相比例放大電路中的運(yùn)算放大器的反相輸入端，在運(yùn)算放大器的輸出端與地之間串聯(lián)有4個電阻，電子開關(guān)的4個輸出端引腳分別接在四個電阻之間及運(yùn)算放大器的輸出端上，形成選擇性接入電阻電路，電流互感器的輸出連接運(yùn)算放大器的輸入端；運(yùn)算放大器的輸出端連接電壓整流抬高電路，所述的電壓整流抬高電路為基本的運(yùn)算放大器加法電路；所述的單片機(jī)控制電路包括單片機(jī)，電壓整流抬高電路的輸出連接單片機(jī)的輸入，單片機(jī)的一個輸出引腳連接顯示裝置，另兩個輸出引腳連接電子開關(guān)的控制引腳。前述的電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，其特征在于所述的單片機(jī)，其引腳上連接有去耦電容。前述的電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，其特征在于所述的單片機(jī)，其引腳上連接有由電容、電阻和晶振組成的標(biāo)準(zhǔn)晶振電路。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型利用嵌入式平臺、電子模擬開關(guān)以及放大器組成自動量程切換電路，使得量程切換電路的體積大大減小，功耗降低、切換速度加快，成本大幅度地降低，在拓寬測量范圍的基礎(chǔ)上保證了測量的高精度，極大地提高了自動量程切換電路的適用范圍。圖1是標(biāo)準(zhǔn)同相比例放大電路示意圖2是在運(yùn)算放大器反相輸入端接入電子開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)同相比例放大電路示意圖3是本實(shí)用新型的量程切換電路的接線示意圖；圖4是本實(shí)用新型的電壓整流抬高電路接線示意圖；圖5是本實(shí)用新型的量程切換電路和電壓整流抬高電路連接示意圖；圖6是本實(shí)用新型的單片機(jī)控制電路示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作具體的介紹如下。在本實(shí)用新型中，作為電流采樣，首先是通過電流互感器對一次側(cè)電流進(jìn)行比例采樣變換，得到一個較小交流電壓信號供給后端采樣電路使用。本實(shí)用新型的采樣電路可分為三個模塊第一模塊是量程切換電路，其主要作用是對前端采集到的交流電壓信號進(jìn)行比例放大增益，其增益的倍數(shù)可通過控制引腳的高低電平變化來切換。第二模塊是電壓整流抬高電路，由于后端的采樣AD為單極性AD，無法對反相電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所以必須對交流電壓波形進(jìn)行抬高處理。第三模塊為單片機(jī)控制電路，主要作用為利用AD轉(zhuǎn)換器采集交流信號并計(jì)算采樣值的大小，同時在判斷采樣值大小后，利用10口輸出來控制第一模塊的量程切換電路的增益比例，實(shí)現(xiàn)量程的自動切換。此部分由MSP430單片機(jī)完成。下面我們就來具體介紹一下各模塊的工作原理。對于第一模塊，目前現(xiàn)有的切換電路通常是采用繼電器開關(guān)或者電子開關(guān)作為切換器件。而器件選擇上，繼電器開關(guān)雖然其自身導(dǎo)通電阻極小，但其動作時間較長以及消耗能量較大這兩個主要問題是由繼電器本身的結(jié)構(gòu)原理造成的，無法通過電路設(shè)計(jì)改善。所以要滿足低功耗、快響應(yīng)的設(shè)計(jì)需求，采用繼電器開關(guān)的方式來設(shè)計(jì)自動切換電路是很難實(shí)現(xiàn)的。然而普通的電子開關(guān)雖然克服了傳統(tǒng)繼電器開關(guān)的兩大缺點(diǎn)，但其所帶來的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻值較大，通常能達(dá)到1000歐姆左右且隨器件個體差異較大。這個缺點(diǎn)勢必使得利用切換電阻電路來實(shí)現(xiàn)增益變換變得很困難。新型的電子開關(guān)其導(dǎo)通電阻可以做得極小，但其成本花費(fèi)也是不得不考慮的重要因素。0MR0N公司新推出的一款M0SEFT電子開關(guān)G3VM系列，其導(dǎo)通電阻最小可達(dá)到0.1歐姆以下，但其價格單片往往超過50元，而普通的電子開關(guān)單片售價在1元左右。針對測量表計(jì)的設(shè)計(jì)，對成本要求較高，采用新型的電子開關(guān)，難以達(dá)到其低成本的控制。對于以上問題，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了一種建立在普通的電子開關(guān)設(shè)計(jì)方向基礎(chǔ)上的新型電路設(shè)計(jì)。此種新型電路可以在低成本的基礎(chǔ)上，達(dá)到高精度及快速低功耗的增益切換。本實(shí)用新型使用的電子開關(guān)U2為TI公司的CD4051,此種電子開關(guān)原理相當(dāng)于一個單刀八擲電子開關(guān)。開關(guān)接通哪一通道，由控制端輸入的3位地址碼ABC來決定，其真值表見表l。其切換時間在30ns左右，導(dǎo)通時接觸電阻在470歐姆1000歐姆。其輸入輸出信號既可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號，其工作電壓最高可達(dá)到15V。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本模塊中前端的輸入信號為交流電壓信號，此時該交流電壓信號進(jìn)入由電子開關(guān)U2以及運(yùn)算放大器U1A組成的同相比例放大電路中。標(biāo)準(zhǔn)的同相比例放大電路(如圖1)，通過運(yùn)算放大器UlA的虛短和虛斷原理可以分析出在運(yùn)算放大器U1A的正相輸入和反相輸入之間流過的電流極小，而且可以得出公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>在這里正是利用這一原理，我們修改了電路(見圖2)，在運(yùn)算放大器U1A的反相輸入端接入電子開關(guān)U2,對于電子開關(guān)U2所帶來的導(dǎo)通電阻我們在圖2上以電阻R4表示，由于同相比例放大電路反相輸入流過的電流極小，所以在電阻R4上所產(chǎn)生的壓降可以忽略，所以公式l仍然成立。通過以上電路原理，基本解決了電子開關(guān)U2所帶來的導(dǎo)通電阻的問題。同時，我們可以通過在電子開關(guān)U2輸出端串聯(lián)一系列電阻，再由電子開關(guān)U2的控制引腳進(jìn)行通道切換，得到不同的比例增益。如圖3，我們采用了R2=4K，R3=2K，R4=1K，R5-1K，組成電阻網(wǎng)絡(luò)。同時把單片機(jī)U3的QH1、QH2引腳與電子開關(guān)U2的A、B控制引腳連接，用以控制電子開關(guān)U2的導(dǎo)通引腳。結(jié)合電子開關(guān)U2的控制真值表以及公式1，我們得出以下對應(yīng)表格:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由以上表格，我們已經(jīng)通過該模塊實(shí)現(xiàn)了量程增益的控制切換。在第二模塊中，我們使用了基本的運(yùn)算放大器加法電路，如圖4所示。根據(jù)上述原理圖，我們通過運(yùn)算放大器基本原理可以得到對于單片機(jī)U3的AD來說，輸入信號必需在03.3V之間。所以在此處，本實(shí)用新型將輸入的交流電壓信號參照圖4，選取合適的電阻搭配，進(jìn)行抬高。其輸出電壓值可以通過公式2計(jì)算出來。f/0=-，+i.67由于Ui為IV左右交流信號，其最大幅值在1.4V左右，所以Uo正好可以滿足后端AD的輸入信號要求。第三模塊單片機(jī)控制電路為該電路的核心控制模塊。由單片機(jī)MSP430片內(nèi)集成的高精度12位AD,對處理過的交流電壓信號進(jìn)行實(shí)時采樣，同時計(jì)算出AD采樣交流信號的值。然后對采樣值再乘以軟件比例的系數(shù)，得到最終的實(shí)際值，輸出給顯示裝置。針對于最終的實(shí)際值的大小，我們對采樣量程進(jìn)行了劃分。設(shè)一次側(cè)100%輸入電流為1A，測量范圍上限為1000%。AD器件采樣范圍為04095，見表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由上表可以看出，由于AD的采樣范圍是固定的，利用該量程切換電路，可以使得AD在125y。，250%，500%，1000%這4個點(diǎn)分別達(dá)到采樣原始值的最大值，這樣就使得測量精度得到很大程度上的提高。軟件切換程序可以通過AD采樣原始值來設(shè)定切換規(guī)則，再由輸出的10引腳來控制量程切換電路的不同增益系數(shù)。如AD>4000時量程加一，AD〈2000時量程減一，在變換量程的同時，改變自身計(jì)算的軟件比例系數(shù)，同時輸出相應(yīng)的10口，來控制量程切換電路的得到相對應(yīng)的增益系數(shù)。在圖5中R1R8為RJJ-1/4W高精度電阻，運(yùn)算放大器為TI公司雙運(yùn)放LM358DIP-8封裝。由于運(yùn)算放大器為雙運(yùn)放，在圖5中表示為U1A和U1B兩個單獨(dú)運(yùn)算放大器。由4、8引腳接入土5V工作電源。U2為TI公司電子開關(guān)CD4051DIP-16封裝。+5V、-5V、-2.5V為電源所提供的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓，其參考地皆為Gl。IA表示輸入信號，IAIN表示輸出給單片機(jī)的AD口的信號。QH1、QH2連接單片機(jī)P2.0、P2.110口用于控制電子開關(guān)U2選通出口。在圖6中C41C44為單片機(jī)去耦電容。C36、C37、R18以及XT1組成標(biāo)準(zhǔn)晶振電路。U3為單片機(jī)MSP430F149IPM，采用QFP64封裝。+3.3V為單片機(jī)電源，VREF為AD采樣基準(zhǔn)電壓。QH1、QH2連接電子開關(guān)U2的控制端A、B，用于控制電子開關(guān)U2選通出口。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其主要優(yōu)點(diǎn)見表3表3<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由于單片機(jī)可選用不同型號，且三種方案都需要使用，故以上成本不包含單片機(jī)成本。本實(shí)用新型經(jīng)過大量的試驗(yàn)測試，其測量精度、測量范圍以及器件成本均達(dá)到預(yù)期效果。以上已以較佳實(shí)施例公開了本實(shí)用新型，然其并非用以限制本實(shí)用新型，凡采用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。權(quán)利要求1、電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，包括電流互感器和采樣電路，所述電流互感器的輸出連接采樣電路的輸入；其特征在于所述的采樣電路包括量程切換電路、電壓整流抬高電路和單片機(jī)控制電路三個模塊，所述的量程切換電路由標(biāo)準(zhǔn)同相比例放大電路和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)為單刀八擲電子開關(guān)，連接在標(biāo)準(zhǔn)同相比例放大電路中的運(yùn)算放大器的反相輸入端，在運(yùn)算放大器的輸出端與地之間串聯(lián)有4個電阻，電子開關(guān)的4個輸出端引腳分別接在四個電阻之間及運(yùn)算放大器的輸出端上，形成選擇性接入電阻電路，電流互感器的輸出連接運(yùn)算放大器的輸入端；運(yùn)算放大器的輸出端連接電壓整流抬高電路，所述的電壓整流抬高電路為基本的運(yùn)算放大器加法電路；所述的單片機(jī)控制電路包括單片機(jī)，電壓整流抬高電路的輸出連接單片機(jī)的輸入，單片機(jī)的一個輸出引腳連接顯示裝置，另兩個輸出引腳連接電子開關(guān)的控制引腳。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，其特征在于所述的單片機(jī)，其引腳上連接有去耦電容。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，其特征在于所述的單片機(jī)，其引腳上連接有由電容、電阻和晶振組成的標(biāo)準(zhǔn)晶振電路。專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電動機(jī)保護(hù)設(shè)備的電流輸入量程自動切換電路，包括電流互感器和采樣電路，采樣電路包括三個模塊，量程切換電路由標(biāo)準(zhǔn)同相比例放大電路和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)連接在運(yùn)放的反相輸入端，在運(yùn)放的輸出端與地之間串聯(lián)4個電阻，電子開關(guān)的4個輸出端引腳分別接在四個電阻之間及運(yùn)放的輸出端上；運(yùn)放的輸出端連接電壓整流抬高電路；電壓整流抬高電路的輸出連接單片機(jī)的輸入，單片機(jī)的一個輸出引腳連接顯示裝置，另兩個輸出引腳連接電子開關(guān)的控制引腳。本實(shí)用新型使得量程切換電路的體積大大減小，功耗降低、切換速度加快，成本大幅度地降低，在拓寬測量范圍的基礎(chǔ)上保證了測量的高精度，極大地提高了自動量程切換電路的適用范圍。文檔編號G01R15/09GK201332319SQ20082021585公開日2009年10月21日申請日期2008年11月27日優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日發(fā)明者建唐,王恒強(qiáng)申請人:南京南自電力儀表有限公司