傳統的電機超載保護採用熱繼電器， 雖然結構簡單， 但由於熱元件本身特性的差異， 精度較差， 反應慢。 隨著電子技術的發展， 用微處理器來計算負荷不僅能夠迅速反應電動機各種故障， 而且很容易加入其它控制條件， 例如， 電機熱容量， 散熱條件等因素， 使它能更準確及時反映電機狀況實施有效保護。
近年來隨著電子式、智慧化、通訊等方面的迅猛發展， 使得微機化、數位化、網路化成為電動機保護器研究發展的方向。 本文以瑞薩公司的H8/3687FP單片機為核心， 研製了一款高性價比的ARD3低壓電動機保護器。
根據現有市場上電動機保護器的功能特點及實際需求， 確定ARD3電動機保護器包括如下功能：
1）基本保護功能：斷相、超載、欠載、三相不平衡等保護功能， 符合IEC94704-1、IEC947-4-2及GB14048.4、GB14048.6等標準；
2）派生保護功能：根據需要可配有剩餘電流保護、溫度保護、過壓保護、欠壓保護、欠功率保護、相序保護、失電重起等保護功能；
3）可測量資料和通訊功能：可測量三相電流、剩餘電流、三相電壓， RS485通訊介面， 採用Modbus通訊協定；
4）人機交互功能、故障記錄功能、自帶I/O埠實現直接起動、星—三角起動、變頻起動等電動機起動方式；
5）安裝方式採用導軌安裝， 額定電流（A）規格分為：1.6～6.3、6.3～25、25～100、63～250、250～800五種規格。
6）電磁相容：符合以下標準：GB/T17626.2-1998， GB/T17626.3-1998， GB/T17626.4-1998， GB/T17626.5-1998， GB/T17626.6-1998。
2 設計方案根據產品功能， ARD3電動機保護器要完成：測量電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流，
H8/3687單片機擴充了內置快閃記憶體、引腳數少和封裝小的H8/300H Tiny單片微控制器陣容， 具有一個增強的計時器和若干通信功能， 片內有大容量高速快閃記憶體記憶體， EMI噪音低， 功耗低以及可提供各種低成本的開發工具。 可廣泛應用無線通訊和網路通信、汽車電子、工業控制以及消費類電子產品， 見圖1。
圖1 H8/3687晶片
產品基本功能如下：16位高速H8/300H CPU在目的碼級與H8/300 CPU向上相容；H8/3687具有64K FLASH， 2K RAM；通用寄存器：16×16；基本指令62種；週邊功能：RTC（片上即時時鐘， 可作為自由運算計數器使用）、SCI（非同步或者時鐘同步串列通信介面）2路、IIC介面、8路10位元A/D、多功能計時器：８位計時器２個（Timer B1,TimerV）、16位計時器１個（TimerZ）、看門狗計時器；14位PWM；I/O埠：I/O腳：45個I/O引腳（H8/3687N有43個I/O引腳）， 包括8個可直接驅動LED的大電流引腳（IOL=20mA,@VOL=1.5V）。 只作為輸入的引腳：8個輸入引腳（也可以用作模擬量輸入）；片上重定電源POR電路， 片上低電壓檢測電路（LVD）。
單片機選定後， 確定測量電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流的測量電路， 按鍵、顯示部分的電路， I/O控制電路， 通訊電路的方案。 系統功能， 見圖2所示。
圖2 系統功能圖
設計採用交流採樣時考慮的技術有幾個方面：
1）採樣週期應遠小於被測信號週期，
2）要從硬體上避免採樣信號畸變， 這就需要從幾個方面來努力: ①保證電流互感器在測量範圍內輸出的電壓信號波形失真小。 ②電流互感器的採樣信號到單片機輸入介面往往需要比例放大， 這就要求信號變換電路失真要小。 ③防止雜訊干擾， 一般的做法是在單片機輸入口加一個高頻旁路電容。 交流採樣線路中除去了阻容濾波電容， 因而在回應速度方面比直流採樣有極大改善， 特別對於那些對回應特性要求較高的隨動系統非常有益。 具體採用哪種採樣處理在實際使用中應權衡利弊， 綜合考慮才能作出選擇。
考慮到電動機保護器的實際應用， 軟體中對電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流採用交流採樣演算法處理，這樣不但可以簡化硬體電路，節省成本減小系統空間，而且測量的精度要比直流採樣高。硬體電路中採用全波處理，加放大電路，放大後的信號直接進入單片機A/D單元。通過單片機計算出的電壓、電流信號有效值，作為來判斷保護器各種故障的依據。
按鍵處理電路採用併入串出晶片74HC165這樣可以節省單片機的I/O口數，通過按鍵可以設置電動機額定電流、額定電壓、額定功率、超載等級、起動時間等參數。同理為了節省單片機I/O口顯示部分採用74HC595晶片，顯示採用4位元一體數碼管顯示。系統正常運行時，數碼管顯示當前電動機三相電流、三相線電壓，通過按鍵來查看各分相的電壓電流；有故障時，顯示故障代碼，將故障原因、發生故障時的電流值、電壓值、電動機執行時間存入EEPROM中實現故障記錄功能，並在保護器面板上配有超載，斷相、不平衡等故障報警指示燈方便使用者使用。
I/O控制電路涉及到開關量輸入和繼電器輸出。開關量輸入部分屬於控制部分，按照安全要求採用+24V電源（由保護器內部提供）供電，為了增強抗干擾和滿足產品工頻耐壓要求採用光耦進行隔離。因為固態繼電器具有壽命長、性能穩定，無火花等特點，所以輸出部分繼電器採用固體繼電器。為了防止在繼電器線圈斷電瞬間產生較高的感應電壓，從而破壞電路，在繼電器線圈兩端並聯續流二極體，採用光耦與單片機引腳隔離。
ARD3具有通訊功能，可以和PC組成網路監控系統，可以將保護器各種資訊、運行狀態、故障原因、故障時間、執行時間的參數等參數傳送給PC機，也可以通過PC機設置保護器各種參數。通訊電路中採用RS485介面，通訊部分利用RS485介面的特點採用硬體自動控制收發電路，不用單片機進行控制以減輕單片機的負擔，為滿足工頻耐壓得要求製作PCB時做好隔離措施。
3 軟體設計本產品的主軟體流程圖如圖3所示，主程序包括A/D副程式、基本保護副程式、計算顯示副程式、按鍵處理副程式、通訊自程式等自程式，由於程式內容較多，現只給出主程序流程和保護副程式流程圖。
程式採用模組化設計，可讀性、可攜性強。闡述各副程式功能：
主程序初始化後，進入A/D採樣程式。在A/D採樣副程式中完成對電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流的採樣工作，完成採樣後採用平均值濾波，提高系統抗干擾性能。A/D採樣後判斷採樣時間是否超過正常採樣時間，超過此時間不將此次採樣值計入計算基本參數副程式中。
A/D採用完成後，根據採樣得到的電動機三相電流值、電壓值、剩餘電流值計算目前電動機的電流、電壓值，然後判斷此時電動機是否處於運行狀態。如果此時電動機已經開始運行，就進入保護副程式。
在保護副程式中，根據採樣計算值判斷電動機是否有故障，沒有則返回主程序；有就向下執行，判斷是何種故障，進入故障處理，將故障原因在ARD3電動機保護器面板和通訊中進行顯示，並且將故障記錄起來，保護副程式如圖4所示。
圖4 保護副程式
保護副程式執行後，進入顯示處理副程式，在顯示處理副程式中為下面的顯示副程式提供要顯示的資料值。執行完顯示處理副程式後進入按鍵處理副程式，在按鍵處理副程式中實現人機交互，可以設定、修改、查看電動機保護器各項參數以及顯示當前電動機電流、電壓值。
按鍵處理副程式執行後，進入顯示副程式，顯示副程式在電動機正常運行且沒有按鍵處理的情況下，顯示電動機當前的電流、電壓值，可以通過按鍵來查看不同相的電壓、電流值；電動機正常時有按鍵動作的情況下，顯示與按鍵功能相應得數值；當電動機有故障時，顯示故障代碼並帶有指示燈報警顯示。顯示處理副程式結束後，進入通訊處理副程式，在通訊處理副程式中先判斷保護器是否接收到上位機發送的資料，如果有資料被接收到，就按照標準
ModBus協定對資料進行判斷，先判斷是否是屬於本台保護器，屬於就向上位機發送相應得資料。上位機接收到以後，判斷沒有錯誤開始和本台保護器進行通訊。通訊處理副程式完全按照標準ModBus協定編寫。
4 抗干擾措施ARD3電動機保護器設計時，在電磁相容方面，要求符合以下標準：GB/T17626.2-1998 、GB/T17626.3-1998 、GB/T17626.4-1998、GB/T17626.5-1998 GB/T17626.6-1998。為實現此目標，就要在產品設計時做好抗干擾措施，本產品的採取的抗干擾措施如下：
4.1 硬體措施
電源部分加EMC濾波器，高頻變壓器次級與初級加高壓電容，輸出部分加濾波電路；信號採集部分增加濾波電路；在作信號處理的各晶片輸入口處加埠保護電路；在各晶片電源輸入處加去藕電容；繼電器兩端並聯續流二極體，加光耦與CPU埠隔離；不使用的CPU埠定義為輸出狀態；PCB板佈局時類比部分與數位部分作分區處理，類比信號在類比區域內佈線，數位信號數位區域內佈線，二者不進入彼此區域內；佈線時儘量加粗電源線與地線，信號線走線時走45º線，不走直角線。
4.2 軟體措施
各路信號採集均採用軟體濾波，增加採樣值的準確性，使用看門狗防止程式運行溢出。通過採取一系列的措施，產品的抗干擾性能大幅提高，本產品一次性通過3C安全認證型式試驗。
5 結論本文介紹的以H8/3687單片機為核心的ARD3型電動機保護器，是新一代智慧化、網路化、數位化的電動機保護器。ARD3保護器對電動機的超載、斷相、不平衡、堵轉、阻塞、欠載、溫度、欠電壓、過電壓、欠功率、剩餘電流等故障導致的危害加以保護，最大限度地保證設備運行的可靠性與安全性。ARD3電動機保護器產品體積小，結構緊湊，安裝方便，在低壓控制終端櫃和1/4模數計以上各種抽屜櫃中可以直接安裝使用，而且具備完善的網路通訊功能，可與接觸器，電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，提高了控制回路的可靠性和自動化水準，適用於石油、電力、煤礦、造紙以及民用建築等領域。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基於H8/3687FP單片機的電動機保護器設計”，作者為趙波、吳建明、湯建軍、朱文灝。）
軟體中對電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流採用交流採樣演算法處理，這樣不但可以簡化硬體電路，節省成本減小系統空間，而且測量的精度要比直流採樣高。硬體電路中採用全波處理，加放大電路，放大後的信號直接進入單片機A/D單元。通過單片機計算出的電壓、電流信號有效值，作為來判斷保護器各種故障的依據。按鍵處理電路採用併入串出晶片74HC165這樣可以節省單片機的I/O口數，通過按鍵可以設置電動機額定電流、額定電壓、額定功率、超載等級、起動時間等參數。同理為了節省單片機I/O口顯示部分採用74HC595晶片，顯示採用4位元一體數碼管顯示。系統正常運行時，數碼管顯示當前電動機三相電流、三相線電壓，通過按鍵來查看各分相的電壓電流；有故障時，顯示故障代碼，將故障原因、發生故障時的電流值、電壓值、電動機執行時間存入EEPROM中實現故障記錄功能，並在保護器面板上配有超載，斷相、不平衡等故障報警指示燈方便使用者使用。
I/O控制電路涉及到開關量輸入和繼電器輸出。開關量輸入部分屬於控制部分，按照安全要求採用+24V電源（由保護器內部提供）供電，為了增強抗干擾和滿足產品工頻耐壓要求採用光耦進行隔離。因為固態繼電器具有壽命長、性能穩定，無火花等特點，所以輸出部分繼電器採用固體繼電器。為了防止在繼電器線圈斷電瞬間產生較高的感應電壓，從而破壞電路，在繼電器線圈兩端並聯續流二極體，採用光耦與單片機引腳隔離。
ARD3具有通訊功能，可以和PC組成網路監控系統，可以將保護器各種資訊、運行狀態、故障原因、故障時間、執行時間的參數等參數傳送給PC機，也可以通過PC機設置保護器各種參數。通訊電路中採用RS485介面，通訊部分利用RS485介面的特點採用硬體自動控制收發電路，不用單片機進行控制以減輕單片機的負擔，為滿足工頻耐壓得要求製作PCB時做好隔離措施。
3 軟體設計本產品的主軟體流程圖如圖3所示，主程序包括A/D副程式、基本保護副程式、計算顯示副程式、按鍵處理副程式、通訊自程式等自程式，由於程式內容較多，現只給出主程序流程和保護副程式流程圖。
程式採用模組化設計，可讀性、可攜性強。闡述各副程式功能：
主程序初始化後，進入A/D採樣程式。在A/D採樣副程式中完成對電動機三相電流、三相電壓、剩餘電流的採樣工作，完成採樣後採用平均值濾波，提高系統抗干擾性能。A/D採樣後判斷採樣時間是否超過正常採樣時間，超過此時間不將此次採樣值計入計算基本參數副程式中。
A/D採用完成後，根據採樣得到的電動機三相電流值、電壓值、剩餘電流值計算目前電動機的電流、電壓值，然後判斷此時電動機是否處於運行狀態。如果此時電動機已經開始運行，就進入保護副程式。
在保護副程式中，根據採樣計算值判斷電動機是否有故障，沒有則返回主程序；有就向下執行，判斷是何種故障，進入故障處理，將故障原因在ARD3電動機保護器面板和通訊中進行顯示，並且將故障記錄起來，保護副程式如圖4所示。
圖4 保護副程式
保護副程式執行後，進入顯示處理副程式，在顯示處理副程式中為下面的顯示副程式提供要顯示的資料值。執行完顯示處理副程式後進入按鍵處理副程式，在按鍵處理副程式中實現人機交互，可以設定、修改、查看電動機保護器各項參數以及顯示當前電動機電流、電壓值。
按鍵處理副程式執行後，進入顯示副程式，顯示副程式在電動機正常運行且沒有按鍵處理的情況下，顯示電動機當前的電流、電壓值，可以通過按鍵來查看不同相的電壓、電流值；電動機正常時有按鍵動作的情況下，顯示與按鍵功能相應得數值；當電動機有故障時，顯示故障代碼並帶有指示燈報警顯示。顯示處理副程式結束後，進入通訊處理副程式，在通訊處理副程式中先判斷保護器是否接收到上位機發送的資料，如果有資料被接收到，就按照標準
ModBus協定對資料進行判斷，先判斷是否是屬於本台保護器，屬於就向上位機發送相應得資料。上位機接收到以後，判斷沒有錯誤開始和本台保護器進行通訊。通訊處理副程式完全按照標準ModBus協定編寫。
4 抗干擾措施ARD3電動機保護器設計時，在電磁相容方面，要求符合以下標準：GB/T17626.2-1998 、GB/T17626.3-1998 、GB/T17626.4-1998、GB/T17626.5-1998 GB/T17626.6-1998。為實現此目標，就要在產品設計時做好抗干擾措施，本產品的採取的抗干擾措施如下：
4.1 硬體措施
電源部分加EMC濾波器，高頻變壓器次級與初級加高壓電容，輸出部分加濾波電路；信號採集部分增加濾波電路；在作信號處理的各晶片輸入口處加埠保護電路；在各晶片電源輸入處加去藕電容；繼電器兩端並聯續流二極體，加光耦與CPU埠隔離；不使用的CPU埠定義為輸出狀態；PCB板佈局時類比部分與數位部分作分區處理，類比信號在類比區域內佈線，數位信號數位區域內佈線，二者不進入彼此區域內；佈線時儘量加粗電源線與地線，信號線走線時走45º線，不走直角線。
4.2 軟體措施
各路信號採集均採用軟體濾波，增加採樣值的準確性，使用看門狗防止程式運行溢出。通過採取一系列的措施，產品的抗干擾性能大幅提高，本產品一次性通過3C安全認證型式試驗。
5 結論本文介紹的以H8/3687單片機為核心的ARD3型電動機保護器，是新一代智慧化、網路化、數位化的電動機保護器。ARD3保護器對電動機的超載、斷相、不平衡、堵轉、阻塞、欠載、溫度、欠電壓、過電壓、欠功率、剩餘電流等故障導致的危害加以保護，最大限度地保證設備運行的可靠性與安全性。ARD3電動機保護器產品體積小，結構緊湊，安裝方便，在低壓控制終端櫃和1/4模數計以上各種抽屜櫃中可以直接安裝使用，而且具備完善的網路通訊功能，可與接觸器，電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，提高了控制回路的可靠性和自動化水準，適用於石油、電力、煤礦、造紙以及民用建築等領域。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基於H8/3687FP單片機的電動機保護器設計”，作者為趙波、吳建明、湯建軍、朱文灝。）