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专利名称：：电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，属于电动机保护领域。
背景技术：
：随着国内电子控制领域的不断发展，越来越多的新型保护装置正在逐步的普及起来。电动机保护器将电动机的测量、保护、控制、通讯等功能集于一体，取代了常规的热继电器、电流互感器、中间继电器、变送器等常规电器元件。它正在以它高科技的优势逐步替代传统的电动机保护常规器件。而电动机保护器主要是依靠对电动机实际工作电流的采集来判断电机的状态及进行保护动作。实际运行中，电动机的运行电流通常会在额定电流附近，但是在起动过程中会出现68倍于额定电流的起动电流，同时在故障状态下也会出现数倍于额定电流的故障电流，这就对该装置的电流测量范围及精度提出了较高的要求，测量范围大了精度就会下降。而目前现有解决方案主要有两种一是只测量2倍额定电流以下的电流值，对于2倍以上电流不做计量，精度较高。第二种就是可以测量到10倍的电流，但是在额定电流时，测量精度只能达到2%左右。所以针对此类矛盾，必须找到一种既保证在额定电流下采样精度，又使得测量范围可以达到1%1000%的测量方法。既然测量范围需要达到额定电流的1%1000%，且需要保证在100%以下的电流保持0.2%的测量精度，需要选用一种可以进行量程自动切换的电路，保证在不同大小的电流下，由装置自动进行量程切换，这样不仅能满足宽量程的需要，还可以达到较高的采样精度。目前对于量程切换电路大多使用继电器开关或者电子模拟开关投切方式。其中继电器开关虽然其导通电阻极小，在电路实现上比较简单，但由于自身体积大、成本高、功耗大、动作速度慢等缺点，一般常用在中型以上测量仪表内。电子模拟开关优势在于其体积小、功耗小、动作速度快，但其最大的缺点在于导通电阻偏高，这会直接导致切换的效果很差。目前有部分芯片厂商研制出低导通阻抗的电子模拟开关，伹由于其价格居高不下，导致除少数高端测量仪表外很少被采用。
实用新型内容为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于嵌入式平台、电子模拟开关以及放大器组成的电动机保护设备的电流输入自动量程切换电路。此专利在实现宽范围、高精度的基础上，极大地节省了器件成本，极大地提高了自动量程切换电路的实用性。为达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案来实现的-一种电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，包括电流互感器和采样电路，所述电流互感器的输出连接采样电路的输入；其特征在于所述的采样电路包括量程切换电路、电压整流抬高电路和单片机控制电路三个模块，所述的量程切换电路由标准同相比例放大电路和电子开关组成，电子开关为单刀八掷电子开关，连接在标准同相比例放大电路中的运算放大器的反相输入端，在运算放大器的输出端与地之间串联有4个电阻，电子开关的4个输出端引脚分别接在四个电阻之间及运算放大器的输出端上，形成选择性接入电阻电路，电流互感器的输出连接运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接电压整流抬高电路，所述的电压整流抬高电路为基本的运算放大器加法电路；所述的单片机控制电路包括单片机，电压整流抬高电路的输出连接单片机的输入，单片机的一个输出引脚连接显示装置，另两个输出引脚连接电子开关的控制引脚。前述的电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，其特征在于所述的单片机，其引脚上连接有去耦电容。前述的电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，其特征在于所述的单片机，其引脚上连接有由电容、电阻和晶振组成的标准晶振电路。本实用新型的有益效果是本实用新型利用嵌入式平台、电子模拟开关以及放大器组成自动量程切换电路，使得量程切换电路的体积大大减小，功耗降低、切换速度加快，成本大幅度地降低，在拓宽测量范围的基础上保证了测量的高精度，极大地提高了自动量程切换电路的适用范围。图1是标准同相比例放大电路示意图2是在运算放大器反相输入端接入电子开关的标准同相比例放大电路示意图3是本实用新型的量程切换电路的接线示意图；图4是本实用新型的电压整流抬高电路接线示意图；图5是本实用新型的量程切换电路和电压整流抬高电路连接示意图；图6是本实用新型的单片机控制电路示意图。具体实施方式以下结合附图对本实用新型作具体的介绍如下。在本实用新型中，作为电流采样，首先是通过电流互感器对一次侧电流进行比例采样变换，得到一个较小交流电压信号供给后端采样电路使用。本实用新型的采样电路可分为三个模块第一模块是量程切换电路，其主要作用是对前端采集到的交流电压信号进行比例放大增益，其增益的倍数可通过控制引脚的高低电平变化来切换。第二模块是电压整流抬高电路，由于后端的采样AD为单极性AD，无法对反相电压进行AD转换，所以必须对交流电压波形进行抬高处理。第三模块为单片机控制电路，主要作用为利用AD转换器采集交流信号并计算采样值的大小，同时在判断采样值大小后，利用10口输出来控制第一模块的量程切换电路的增益比例，实现量程的自动切换。此部分由MSP430单片机完成。下面我们就来具体介绍一下各模块的工作原理。对于第一模块，目前现有的切换电路通常是采用继电器开关或者电子开关作为切换器件。而器件选择上，继电器开关虽然其自身导通电阻极小，但其动作时间较长以及消耗能量较大这两个主要问题是由继电器本身的结构原理造成的，无法通过电路设计改善。所以要满足低功耗、快响应的设计需求，采用继电器开关的方式来设计自动切换电路是很难实现的。然而普通的电子开关虽然克服了传统继电器开关的两大缺点，但其所带来的缺点是导通电阻值较大，通常能达到1000欧姆左右且随器件个体差异较大。这个缺点势必使得利用切换电阻电路来实现增益变换变得很困难。新型的电子开关其导通电阻可以做得极小，但其成本花费也是不得不考虑的重要因素。0MR0N公司新推出的一款M0SEFT电子开关G3VM系列，其导通电阻最小可达到0.1欧姆以下，但其价格单片往往超过50元，而普通的电子开关单片售价在1元左右。针对测量表计的设计，对成本要求较高，采用新型的电子开关，难以达到其低成本的控制。对于以上问题，本实用新型实现了一种建立在普通的电子开关设计方向基础上的新型电路设计。此种新型电路可以在低成本的基础上，达到高精度及快速低功耗的增益切换。本实用新型使用的电子开关U2为TI公司的CD4051,此种电子开关原理相当于一个单刀八掷电子开关。开关接通哪一通道，由控制端输入的3位地址码ABC来决定，其真值表见表l。其切换时间在30ns左右，导通时接触电阻在470欧姆1000欧姆。其输入输出信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，其工作电压最高可达到15V。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本模块中前端的输入信号为交流电压信号，此时该交流电压信号进入由电子开关U2以及运算放大器U1A组成的同相比例放大电路中。标准的同相比例放大电路(如图1)，通过运算放大器UlA的虚短和虚断原理可以分析出在运算放大器U1A的正相输入和反相输入之间流过的电流极小，而且可以得出公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>在这里正是利用这一原理，我们修改了电路(见图2)，在运算放大器U1A的反相输入端接入电子开关U2,对于电子开关U2所带来的导通电阻我们在图2上以电阻R4表示，由于同相比例放大电路反相输入流过的电流极小，所以在电阻R4上所产生的压降可以忽略，所以公式l仍然成立。通过以上电路原理，基本解决了电子开关U2所带来的导通电阻的问题。同时，我们可以通过在电子开关U2输出端串联一系列电阻，再由电子开关U2的控制引脚进行通道切换，得到不同的比例增益。如图3，我们采用了R2=4K，R3=2K，R4=1K，R5-1K，组成电阻网络。同时把单片机U3的QH1、QH2引脚与电子开关U2的A、B控制引脚连接，用以控制电子开关U2的导通引脚。结合电子开关U2的控制真值表以及公式1，我们得出以下对应表格:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由以上表格，我们已经通过该模块实现了量程增益的控制切换。在第二模块中，我们使用了基本的运算放大器加法电路，如图4所示。根据上述原理图，我们通过运算放大器基本原理可以得到对于单片机U3的AD来说，输入信号必需在03.3V之间。所以在此处，本实用新型将输入的交流电压信号参照图4，选取合适的电阻搭配，进行抬高。其输出电压值可以通过公式2计算出来。f/0=-，+i.67由于Ui为IV左右交流信号，其最大幅值在1.4V左右，所以Uo正好可以满足后端AD的输入信号要求。第三模块单片机控制电路为该电路的核心控制模块。由单片机MSP430片内集成的高精度12位AD,对处理过的交流电压信号进行实时采样，同时计算出AD采样交流信号的值。然后对采样值再乘以软件比例的系数，得到最终的实际值，输出给显示装置。针对于最终的实际值的大小，我们对采样量程进行了划分。设一次侧100%输入电流为1A，测量范围上限为1000%。AD器件采样范围为04095，见表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由上表可以看出，由于AD的采样范围是固定的，利用该量程切换电路，可以使得AD在125y。，250%，500%，1000%这4个点分别达到采样原始值的最大值，这样就使得测量精度得到很大程度上的提高。软件切换程序可以通过AD采样原始值来设定切换规则，再由输出的10引脚来控制量程切换电路的不同增益系数。如AD>4000时量程加一，AD〈2000时量程减一，在变换量程的同时，改变自身计算的软件比例系数，同时输出相应的10口，来控制量程切换电路的得到相对应的增益系数。在图5中R1R8为RJJ-1/4W高精度电阻，运算放大器为TI公司双运放LM358DIP-8封装。由于运算放大器为双运放，在图5中表示为U1A和U1B两个单独运算放大器。由4、8引脚接入土5V工作电源。U2为TI公司电子开关CD4051DIP-16封装。+5V、-5V、-2.5V为电源所提供的稳定标准电压，其参考地皆为Gl。IA表示输入信号，IAIN表示输出给单片机的AD口的信号。QH1、QH2连接单片机P2.0、P2.110口用于控制电子开关U2选通出口。在图6中C41C44为单片机去耦电容。C36、C37、R18以及XT1组成标准晶振电路。U3为单片机MSP430F149IPM，采用QFP64封装。+3.3V为单片机电源，VREF为AD采样基准电压。QH1、QH2连接电子开关U2的控制端A、B，用于控制电子开关U2选通出口。本实用新型与现有技术相比较，其主要优点见表3表3<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由于单片机可选用不同型号，且三种方案都需要使用，故以上成本不包含单片机成本。本实用新型经过大量的试验测试，其测量精度、测量范围以及器件成本均达到预期效果。以上已以较佳实施例公开了本实用新型，然其并非用以限制本实用新型，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围。权利要求1、电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，包括电流互感器和采样电路，所述电流互感器的输出连接采样电路的输入；其特征在于所述的采样电路包括量程切换电路、电压整流抬高电路和单片机控制电路三个模块，所述的量程切换电路由标准同相比例放大电路和电子开关组成，电子开关为单刀八掷电子开关，连接在标准同相比例放大电路中的运算放大器的反相输入端，在运算放大器的输出端与地之间串联有4个电阻，电子开关的4个输出端引脚分别接在四个电阻之间及运算放大器的输出端上，形成选择性接入电阻电路，电流互感器的输出连接运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接电压整流抬高电路，所述的电压整流抬高电路为基本的运算放大器加法电路；所述的单片机控制电路包括单片机，电压整流抬高电路的输出连接单片机的输入，单片机的一个输出引脚连接显示装置，另两个输出引脚连接电子开关的控制引脚。2、根据权利要求1所述的电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，其特征在于所述的单片机，其引脚上连接有去耦电容。3、根据权利要求1所述的电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，其特征在于所述的单片机，其引脚上连接有由电容、电阻和晶振组成的标准晶振电路。专利摘要本实用新型涉及一种电动机保护设备的电流输入量程自动切换电路，包括电流互感器和采样电路，采样电路包括三个模块，量程切换电路由标准同相比例放大电路和电子开关组成，电子开关连接在运放的反相输入端，在运放的输出端与地之间串联4个电阻，电子开关的4个输出端引脚分别接在四个电阻之间及运放的输出端上；运放的输出端连接电压整流抬高电路；电压整流抬高电路的输出连接单片机的输入，单片机的一个输出引脚连接显示装置，另两个输出引脚连接电子开关的控制引脚。本实用新型使得量程切换电路的体积大大减小，功耗降低、切换速度加快，成本大幅度地降低，在拓宽测量范围的基础上保证了测量的高精度，极大地提高了自动量程切换电路的适用范围。文档编号G01R15/09GK201332319SQ20082021585公开日2009年10月21日申请日期2008年11月27日优先权日2008年11月27日发明者建唐,王恒强申请人:南京南自电力仪表有限公司