引 言
三相电机是机电行业中应用最为广泛的设备之一，其正常地输出动力是其所驱动设备正常工作的前提。因此，设计与使用能及时、准确的监测电机故障的保护装置是十分必要的。我国的电机保护装置经历了从机械式的双金属热继电器到电子式保护继电器，发展到今天，随着微处理器和大规模集成电路技术的发展，具有智能化的电机保护装置已经成为主流。实际使用中通常还需要记录电机工作的功率，所以往往是在电机保护装置旁边还装有一个功率表。本设计采用一体化设置，以C8051 F020为核心，将交流采样所得数据采用积分算法来进行高精度的功率计算，利用C8051 F020芯片的12位ADC和可编程增益放大器等功能来确保高精度算法的实现，利用芯片的窗口比较逻辑等功能来协调保护器的监控和计量功能。
1功率计算基本原理
本设计采用交流采样原理，交流采样的核心问题就是将连续的电信号经过离散采样和模数变换转换为可用于计算机处理的数字量，再用一定的算法计算出我们需要的物理量。目前有多种交流采样的算法，本设计根据实际需要，采用的是半周期积分算洼。影响算法精度的因素主要有：采样点数、A/D转换器精度和电流电压的同步采集等。
根据单片机CPU位计算的特点，采样点数一般为2，可以证明当采样点数为4的倍数即n≥2时，无论采样初始点取在何处都不会存在截断误差。采样点数越高，采样的数据就越接近真实值。但实际电路中由于测频电路和单片机指令执行周期滞后等原因会引起同步误差，所以采样频率必须保持在一定范围内。综合上述各种条件，这里采用128这个适中的采样点数。A/D转换器的转换速度与位数直接关系到原始测量数据的准确度，本设计中C8051 F020芯片的12位A/D转换器确保了测量精度的获得。由于硬件方面的限制，三个相电流和三个相电压并不能同时采样，为减少由于A/D采样转换时间和CPU指令之间的延迟所引起的功率误差。这里采用轮流测每相的电压和电流的方法。
2硬件设计
整个监控系统结构如图1所示：由信号处理电路，C8051 F020控制电路，键盘、液晶屏电路和开关稳压电源组成。
电流信号和电压信号由三相电机处取得，经信号处理电路接人C8051 F020控制电路。C8051F020控制电路接收到实时电流和电压信号后，按设定的安全控制参数对电机进行控制，同时还计算出电机的功率，这些数据在液晶屏上实时显示出来。系统的安全控制参数可通过键盘进行设定。本设计可以实现多种保护功能，有热过载保护、堵转保护、断相保护、欠载保护、接地故障保护、自动重启动、欠压保护和启动超时保护。当出现上述故障时，C8051 F020控制电路立即切断电机电源、亮故障灯，同时在液晶屏上显示相应的故障名称。
考虑到大电杌启动或故障时，电源电压有可能大范围波动，故将保护器的供电电源设计成开关稳压电源。
键盘、液晶屏电路主要使用的器件有：
ZLC7290 12C接口键盘及LED驱动芯片和图形点阵YEJHD 12864G LCD(128$ 64点)模组。本设计中ZLG7290芯片主要控制键盘和LED指示灯。液晶模组则直接由C8051 F020控制显示，使用所需的汉字字库等显示程序都编写在系统总体程序里。
3功能实现
3.1高精度测量实现
本设计所强调的高精度是通过以下两个方面功能的结合使用得以实现。一方面，本设计采用的C8051 F020是l2位的8通道ADC，保证了高精度功率计算的实现。另一方面，是利用该芯片ADC所具有的可编程增益放大器。如图2所示，电机在启动或故障等情况下，电信号可能比正常工作状态下大十倍左右。若采用同样的放大增益，则电机功率计算的误差较大。C8051 F020为解决这个问题提供了一种便捷的方法，通过软件的设计来解决。
芯片具有的可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可从0.5到16以2的整数次幂递增。通过编程使得保护器在特殊情况下如启动时期和正常工作时期所采用的信号堵益放大倍数不同。从而很好的解决了监测精度和监测量程上的矛盾。
3.2电表功能实现
电表功能是指将检测到的三相电机的电流和电压信号，经计算得出功率数据。如图3、图4所示。
经过上述流程分别计算出有功功率和无功功率。实际使用中，外来的干扰信号多种多样，为了设法将其滤出或衰减到足够小的程度，这里使用了有源嘉通滤波器。由于对采样信号实现了高精度的测量，使得功率计算的精度大大提高。
3.3监控功能实现
系统的监控功能分为两个阶段，电机启动阶段和电机正常工作阶段。在启动阶段以运行监控程序为主;当启动正常结束后，电机进入正常工作阶段时，以功率计算作为主。C8051 F020芯片中有个窗口比较逻辑器，本设计中用它来实现监控功能和计算功能的协调。其根据是电机正常工作和故障状态下的电流、电压信号差异较大。在进入正常工作阶段后芯片主要进行功率计算，监控程序处于休眠状态。当电流、电压信号出现异常，被窗口比较逻辑器捕捉到，其产生一个电机保护中断，启动监控程序。通过这种设置，很好的协调了监控功能和功率计算，提高了效率，降低了功耗。
4实验结果
测试使用的电机型号为YlOOLl-4，功率为2.2 kW，效率为百分之81，频率为50 Hz。测试选用了一款精度达到0.5级的电子功率表DSSD311与本设计进行测试比较。测试方法为，让电机空载状态运行th，期间分别记录功率表DSSD311和本保护器显示的A相电压和电流数据各10次，计算其平均值进行比较，并将两功率表最终所显示的功率数据进行比较。测试结果如表1所示。
表l计量精度比较到达了0.5级的精度标准，高于目前市场上常见的1~2级精度的功率表。
5结语
设计的电机保护器充分利用了C8051 F020芯片的功能，很好的提高了对电机信号的测量精度，从而有效的保证了监控准确性和功率计算的精度。另一方面，精度的提高使得该保护器昀量程范围更大，能适应更多的产品需求。本设计与目前同类产品比较，功能更加全面，性能更加稳定，监控更加可靠。产品有广大的市场，有很好的经济效益和社会效益。
