1 引言 　　

電動機是現代工農業生產的主要動力，而異步電動機由于結構簡單、成本低、機械性能滿足大多數生產機械的要求，因此應用范圍更加廣泛。但異步電動機經常在高溫、高濕、多塵埃的環境中工作，容易發生堵轉、短路、斷相等故障，因此，設計設計性能優越的保護裝置，對于電動機的安全使用具有很重要的意義。

目前，異步電動機保護主要采取熱繼電器型的過流保護，這種保護靈敏度低，切除故障時間長，往往在保護動作后電動機已經損壞。隨著單片機技術、通信技術的發展，以及智能化電動機保護技術研究的深入，促使電動機保護器朝著通信網絡化、保護裝置微機化、保護功能集成化等方面發展。

2 電動機常見故障分析以及保護措施 　　

電動機故障按對稱與否分為對稱故障和不對稱故障兩種。對稱故障有過載、堵轉、三相短路等，這類故障對電動機的影響主要是電流增大而引起熱效應；不對稱故障又分為接地和不接地兩類，非接地故障包括斷相、逆相、相間短路，接地故障包括單相接地和二相接地。對稱分量法是分析電動機不對稱分量的常用方法。一組不對稱的三分量可以分解為正序、負序、和零序三組對稱的三分量，各序分量各自單獨存在。電動機發生不對稱故障時，將不對稱三相電壓和不對稱三相電流分別用它們的三相分量代替，從而相應地形成正序、負序和零序三個等值網絡，然后進行故障分析。假設己知不對稱三相電流為IA，IB，IC ，電流的正序、負序和零序分量各為A1 A2 A0 I ，I ，I (以A 相為例)，根據對稱分量法，有式(1)或者式（2）所示的關系（因對稱關系，相序量只寫出A 相）。

對于電動機的不對稱故障問題，如斷相、相間短路、單相接地、兩相接地短路等，借助于對稱分量法分析比較簡單，即任意一組不對稱正弦量分解為三個平衡分量（正序分量/負序分量和零序分量），然后把各個分量對電動機所產生的影響分別計算，再把所得的結果疊加。

發生不對稱故障時，電動機電流可分解為正序、負序和零序分量。當電動機三相對稱時，負序和零序電流為零，而發生不對稱故障時則會顯著增加，因此在檢測電動機過流程度的同時，以序分量為基礎，檢測負序和零序電流的大小。這樣不但能更好地反應電動機的運行狀況，還可以大大提高保護動作的靈敏度和可靠性。

3 CAN 總線簡介以及節點組成 　　

控制局域網絡 CAN 是一種串行通信協議，能有效地支持具有很高安全等級的分布式實時控制。它由物理層和數據鏈路層兩部分組成，而數據鏈路層又包括邏輯鏈路控制子層和介質訪問控制子層。CAN 總線的應用范圍很廣，從高速的局域網絡到低價位的多路配線都可以使用CAN 總線。CAN 總線型結構是一種適合工業現場自動控制的計算機局域網絡。在網絡的層次結構中，數據鏈路層和物理層是保證通信質量不可缺少的部分，CAN 控制器就用來完成這個任務，對外CAN 控制器提供了與微處理器的物理線路的接口，通過對它的編程，CPU 可以設置不同的工作方式，控制它的工作狀態，進行數據的發送和接收，并把應用層建立在它的基礎之上。CAN 總線高速發送接收器，又稱總線驅動器，提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，以及對CAN 總線的差動發送和接收功能。

4 硬件設計 　　

該保護器的硬件電路主要有四部分：保護單元、通信單元、人機接口單元和主監控通信單元。硬件設計原理圖如圖1 所示：

保護單元由數據采集與轉換模塊和與控制微處理器組成。前者包括電壓互感器、電流互感器（采用三相電壓和各個電流信號）、低通濾波電路、電壓偏置電路和電壓跟隨器等電路，本單元可以實現模數轉換、報警、顯示以及設置等功能。

通信單元是由一塊雙RAM 芯片負責保護單元與通信單元之間的數據連通。微處理器P87C52X2 將通信單元的核心，一方面保證與保護單元的數據通訊，另一方面負責處理與CAN 總線的通信。CAN 控制器采用SJA1000,CAN 驅動器采用TJA1050，這兩個器件負責完成保護單元與CAN 總線的物理連接和數據傳送工作。

主監控單元是電動機智能保護系統的核心，它接收來自現場保護控制單元傳來的電動機狀態和控制信息，同時根據需要向現場控制單元發出指令。它由一塊RS232－CAN 適配器和上位機PC 組成，RS232-CAN 適配器是基于串行通信協議的適配器，負責上位機與CAN總線的通信。人機接口單元通過串行接口與保護單元連接，它包括看門狗模塊、定時時鐘模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、指示燈與復位按鈕等。

5 算法介紹及軟件設計 　　

在算法上，要綜合考慮計算精度和計算速度。根據研究情況和經驗，本文采用周期函數的傅立葉算法。傅立葉算法用于提取基波分量或者提取某次諧波分量（例如二次諧波、三次諧波）非常方便。當采樣頻率為300hz 時，傅立葉算法的計算也很方便，用匯編語言編程也容易實現。另外，全波傅立葉算法所用的數據窗為一個周期；如果要提高微機保護的動作速度，也可以采用半波傅立葉算法。

主程序主要是用來實現通信協議中的各項功能。微處理器通過外部中斷來響應CAN 總線通信。鍵盤顯示掃描的周期為1ms.并在主程序循環中不斷的查詢各類標志，如查詢到某個標志置位則轉入相應的程序處理。主程序流程圖如圖2 所示：

將CAN 總線技術引入到電動機的保護中，就是為了讓其組成網絡，實現主監控單元對各個分散的保護單元的在線實時監控，因此保護節點通信設計就關系到整個保護系統的可靠性和實用性。通信程序由三部分組成，分別是CAN 節點初始化程序，報文接收程序，報文發送程序。

SJA1000 的初始化只有在復位模式下才能進行，初始化主要包括工作方式的設置、接受濾波方式的設置、接受屏蔽寄存器和接受代碼寄存器的設置、波特率參數的設置和中斷允許寄存器的設置等等。在完成SJA1000 的初始化設置后，SJA1000 就可以回到工作狀態，進行通信任務。初始化流程圖如上圖3 所示。

發送子程序負責節點報文的發送。發送時只需要將待發送的數據按待定格式組合成一幀報文，送入SJA1000 發送緩存區中，并置位命令寄存器中的發送請求位標志，然后啟動SJA1000 發送即可。發送子程序報文發送分數據幀和遠程幀兩種。遠程幀無數據場。報文發送有兩種模式，即中斷和查詢。考慮到通信實時性的要求，本文采用中斷模式。發送子程序流程圖如圖4 所示。

接收子程序負責節點報文的接收，并且要對諸如總線關閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。和發送子程序一樣，也有中斷和查詢兩種方式，本文采用中斷方式。接收子程序流程圖如圖5 所示。

6 創新點及結束語 　　

本文提出將 CAN 總線技術應用到電動機保護中，使其組成網絡，實現了智能保護各節點之間、節點與上位機之間的通訊。本設計對于電動機的各種故障有良好的保護效果，在實驗室環境下仿真結果良好，在某鋼鐵廠生產車間的實際應用中也取得了令人滿意的效果，達到預期目標。