裝置由信號檢測模塊、核心控制置板以及輸出控制模塊三個部分構成，系統(tǒng)的硬件構成如圖1所示。

圖1

 

    信號檢測模塊主要包括輸入電壓過零信號檢測，三相異步電動機電流過零信號檢測,電動機各項電參數(shù)檢測。驅動模塊包含晶閘管驅動電路，負責接收控制信號，并將控制信號轉換為可以驅動晶閘管的控制端?？刂颇K是本裝置的核心，主要功能是獲取信號檢測模塊檢測的各種信息，判斷電動機是否有故障狀態(tài)，包括缺相、過流等信息,同時還需要判斷電動機的負載狀態(tài)，調用電壓調節(jié)的算法，找到一個能讓電機工作在效率較高的導通角，進行處理之后，控制器可以通過RS485總線將電機的狀態(tài)信息傳輸?shù)缴衔粰C。

電流過零檢測電路

    三相異步電動機是典型的感性負載，所以流過電機的電流信號是滯后于輸入的電壓信號的，而品閘管是半控型的電力電子器件，通過控制信號只能控制晶閘管的導通，而關斷要靠電流信號的過零來實現(xiàn)，考慮到三相異步電動機在運行的過程中會因為所帶負載不同導致功率因數(shù)不同，面且不同型號的電動機的額定功率因數(shù)也不同，為了實現(xiàn)裝置的通用性，檢測電動機的電流過零信號是必須的。圖2所示的電路為第一相的電動機電流過零檢測電路，其中A和OUT-A信號是晶閘管的兩個瑞點，信號經(jīng)過限流電阻和整流電路之后變成直流信號，整流后的直流信號通過光耦6N139,將過零信號提供給微處理器檢測。當晶閘管沒有導通時，電流會通過限流電阻經(jīng)過整流橋到6N139的控制端，6N139導通，此時6N139的6引腳會輸出低電平；當晶閘管導通時，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不會導通，6引腳輸出高電平。所以6引腳輸出的下降沿便是電動機的電流過零點。

圖2

電動機電參數(shù)檢測

    在電動機的運行過程中，需要對電動機的各項電參數(shù)進行檢測，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機的運行狀態(tài)，同時這些參數(shù)也通過RS485發(fā)送到上位機上便于監(jiān)控?？紤]到通過微處理器直接測量這些參數(shù)計算較為麻煩，精度也不會很高，從實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量設計的專用芯片ATT7022b,該芯片內部集成了六路二階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，無需對硬件進行改動，經(jīng)過校準后可以達到較高的測量精度。電動機的三相電壓和三相電流信號經(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通信接口實現(xiàn)，微處理器可以很方便的讀取到電動機的各項電參數(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

 

晶閘管驅動電路
    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即可。晶閘管驅動電路由MOC3052構成，MOC3052是可控硅輸出的光電耦合器，在其內部不僅有發(fā)光二極管，還有一個小功率的雙向可控硅，其中一路的驅動電路如圖4所示。每一路的驅動由兩個MOC3052級聯(lián)構成，提高了驅動電路的耐壓等級，其中MOCIN-A信號為微處理器發(fā)出的驅動信號，光耦隔離放大輸出信號為A-G，接到雙向晶同管的門級。由于晶閘管在關斷時電流的變化很大，會產(chǎn)生過壓導致晶閘管損壞，在晶閘管驅動電路中還増加了RC阻容電路和壓敏電阻來進行過壓保護。

圖4 MOC3052晶閘管驅動電路

其他電路
    1)通訊電路：通訊部分采用MAX1348(7EESA)實現(xiàn)微處理器TTL電平到RS485差分電平的轉換，和普通的485轉換芯片相比，該芯片通過硬件自動控制數(shù)據(jù)流向，不需要通過編程控制，簡化了程序的設計。該芯片與微處理器的異步串行通信接口UART相連。
    2)人機交互：本裝置在人機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>

軟件設計

    由于系統(tǒng)需要完成電流電壓過零信號檢測，晶閘管控制信號輸出，電動機電參數(shù)讀取，按鍵掃描，液晶菜單顯示，與上位機通信等多項任務。為了提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，在軟件設計的過程中使用了嵌入式實時操作系統(tǒng)MQX,所有的任務都是在MQX操作系統(tǒng)下進行開發(fā)的。

    MQX是一款主要面向工業(yè)控制、消費電子、汽車電子等領域的嵌入式實時操作系統(tǒng)，支持多任務、可搶占，快速中斷響應，擁有多種任務同步機制，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、運行效率高和實時性強等特點。

    系統(tǒng)的層次結構圖如圖5所示。系統(tǒng)一共調度8個任務，兩個中斷，主要完成人機交互，與上位機通訊以及電動機的狀態(tài)檢測和調壓控制等功能。

圖5系統(tǒng)三層結構圖