基于STM32 F103的智能電機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)
2016-11-11 來源：東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 作者：張石。張洪嘉。朱世鵬，袁程磊
摘要：介紹了一種基于sr眥32F103單片機(jī)的智能電機(jī)保護(hù)器，說明了主要模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程。保護(hù)器在對電機(jī)的電流和電壓的準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了完善的電機(jī)故障保護(hù)；支持電機(jī)的多種啟動方式；具有CAN通信功能。可遠(yuǎn)程監(jiān)測。實(shí)踐表明，智能電機(jī)保護(hù)器對電機(jī)起到了很好的保護(hù)作用。
關(guān)鍵詞：sm32F103；電機(jī)保護(hù)器；ADE7878；cAN通信；反時限過流
O.引言
由于生產(chǎn)自動化水平的提高，電機(jī)會頻繁的切換于起動、制動、正反轉(zhuǎn)、間歇以及變負(fù)荷等狀態(tài)。此外，由于電力技術(shù)的進(jìn)步，電動機(jī)在較小的體積下被設(shè)計(jì)成更大功率，導(dǎo)致電動機(jī)熱容量減小，過負(fù)荷能力減弱。以上情況對電動機(jī)保護(hù)器提出了更高的要求。目前市場上主流的數(shù)字電機(jī)保護(hù)器較之傳統(tǒng)的模擬式電機(jī)保護(hù)器有了質(zhì)的飛躍，但仍存在種種不足，比如，測量的精確度和實(shí)時性還有待改善，啟動方式不夠多樣化，有待于工業(yè)總線連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。針對以上需求，提出了一種高測量精度，支持多種電機(jī)啟動方式，具有CAN通信功能的電機(jī)保護(hù)器。
1.基本原理
智能電機(jī)保護(hù)器的系統(tǒng)框圖如圖l所示。電機(jī)參數(shù)測量控制部分由電壓電流信號調(diào)理模塊、信號測量模塊、主控制器模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸出模塊、遠(yuǎn)程通信模塊組成。電機(jī)參數(shù)顯示部分為即插即用設(shè)備，通過Rs一232串口與主控制器通信以完成電機(jī)參數(shù)的顯示和設(shè)置。
圖1 系統(tǒng)框圖
以上故障的判定均需滿足故障條件并達(dá)到對應(yīng)的故障動作時間，才執(zhí)行保護(hù)動作。過載保護(hù)遵循了反時限原則，即電流越大，保護(hù)時間越短。反時限過載保護(hù)特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
其中c為反時限特性常數(shù)。_|}為反時限常數(shù)。通過調(diào)整C和矗的值，便可得到滿足不同電機(jī)對反時限特性的需求。只有當(dāng)，>t時，t為正，才有可能進(jìn)行保護(hù)動作。考慮到不同時刻的故障電流并不相同，所以采用積分形式進(jìn)行反時限過載保護(hù)的判定。將式(2)改寫成：
其中等式右側(cè)的積分表示了電流造成的熱累積，當(dāng)大于l|}時，進(jìn)行保護(hù)動作。式(3)充分考慮了故障中電流的變化情況。由于單片機(jī)只能處理離散數(shù)據(jù)，再將式(3)離散化后，就可應(yīng)用于反時限的微機(jī)算法中。式(3)離散化后得：
其中r為電流采樣間隔時間。M為保護(hù)動作時的求和次數(shù)。
2.硬件設(shè)計(jì)
2．1電壓電流信號調(diào)理
信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)將電機(jī)三相電壓，三相電流和零線電流調(diào)理為弱電信號。其中，電壓信號采用電流互感器隔離輸入，電壓信號調(diào)理電路如圖2所示。以A相為例，電流互感器的變比為6mA：6mA，故電壓變比為飚：田／／(硒+瑚)，調(diào)整比值可實(shí)現(xiàn)不同的量程。
電流信號調(diào)理電路如圖3所示。電流互感器的變比為18A：6 mA。次級電流流經(jīng)慰和斛組成的回路，輸出差模電壓信號。
圖3電流信號調(diào)理電路
2．2信號測量
信號測量采用美國ADI公司的一款三相電能計(jì)量芯片AD田878。它內(nèi)置7個乏一△型ADC，可實(shí)現(xiàn)三相三線(角接)、三相四線(星接)計(jì)量方式。電壓和電流的有效值和功率精度在l 000：1動態(tài)范圍下小于0．1％。超越了工業(yè)上對電能計(jì)量0．2級表的精度和動態(tài)范圍要求。內(nèi)置DsP可完成基波有功和無功功率、總(基波和諧波)有功和無功功率、電流和電壓有效值計(jì)算。AD研878電路圖如圖4所示。電流信號以差分形式送人IAP、IAN、IBP、IBN、IcP、IcN、INP、INN，電壓信號以單端形式送人VAP、VBP、VCP。AD研878通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸給主控制器，IRQ0和lRQl是用于故障報(bào)警的中斷請求引腳。
2．3主控制器
主控制器負(fù)責(zé)保護(hù)算法運(yùn)算，發(fā)出保護(hù)動作指令，CAN通信等。我們采用了意法半導(dǎo)體的sTM32F103系列的單片機(jī)，此系列單片機(jī)采用ARM Cortex—M3 32位的mSc內(nèi)核，最高工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有豐富外設(shè)資源：DAC、SPl、uS—ART和CAN等。在運(yùn)算速度和存儲容量上滿足要求，豐富的外設(shè)也簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)口。
圈4川DE7878電路圖
2．4開關(guān)量輸入輸出
開關(guān)量輸出電路如圖5所示。單片機(jī)輸出經(jīng)施密特觸發(fā)器和光耦隔離后控制繼電器輸出。通過繼電器控制接觸器來控制電機(jī)。共提供4路可編程輸出，可搭配軟起動器，變頻起動器等，以實(shí)現(xiàn)多種啟動方式。
圖5開關(guān)量輸出電路
開關(guān)量輸入電路如圖6所示。外部開關(guān)信號經(jīng)光耦隔離和施密特觸發(fā)器整形送入單片機(jī)。開關(guān)量輸入可用于監(jiān)測接觸器狀態(tài)是否正常。
2．5 CAN通信和4 mA一加mA變送模塊
CAN總線是被廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線，采用短幀格式，結(jié)合CRc校驗(yàn)，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10 km，最高通訊速率可達(dá)1 Mbps。由于主控制器s，m32F103集成了CAN控制器，所以只需要添加CAN收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)CAN通信。CAN收發(fā)器選用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的高速cAN隔離收發(fā)器CTMl050T，符合Isoll898標(biāo)準(zhǔn)，具有2 500 V直流隔離能力和EsD保護(hù)作用。4—nA～20—ⅡA模擬量是工業(yè)現(xiàn)場常用的一種通信方式。采用AME公司的一款電壓電流變送集成芯片AM462，用主控制器內(nèi)部DAc生成電壓，經(jīng)AM462轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA電流輸出。
3.軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用嵌入式c語言進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。主要由電機(jī)參數(shù)測量控制板程序，電機(jī)參數(shù)顯示板程序，上位機(jī)程序組成。
3．1 電機(jī)參數(shù)測量控制板程序
電機(jī)參數(shù)測量控制板的程序流程圖如圖7所示。開始時，電機(jī)參數(shù)測量控制板從EEPROM讀取參數(shù)，然后對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行采集，判斷故障并實(shí)施保護(hù)，與上位機(jī)和電機(jī)參數(shù)顯示板通訊，發(fā)送電機(jī)參數(shù)并接收指令，執(zhí)行相應(yīng)的指令后回到參數(shù)采集。
圖7主控程序流程圖
3．2 電機(jī)參數(shù)顯示板程序
電機(jī)參數(shù)顯示板通過串口與電機(jī)參數(shù)測量控制板進(jìn)行通信，將讀回的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行顯示，通過鍵盤可設(shè)置電機(jī)保護(hù)參數(shù)，并通過串口傳回電機(jī)參數(shù)測量控制板。
3．3上位機(jī)程序
PLC和PC機(jī)均可作為上位機(jī)。上位機(jī)通過CAN總線控制電機(jī)參數(shù)測量控制板，通過上位機(jī)可以查看聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)參數(shù)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.測試結(jié)果與精度
表l測試了三相電壓的有效值，表2測試了三相電流的有效值。由表中數(shù)據(jù)可看出，在10％一120％的額定電壓和額定電流范圍內(nèi)的精度滿足0．2級。
表1電壓測試結(jié)果
表2電流測試結(jié)果
5.結(jié)束語
基于洲32F103的智能電機(jī)保護(hù)器充分的運(yùn)用了洲32F103的資源和ADE7878的高精度特性，構(gòu)成了一個集成度高、功能完善、性能優(yōu)良的實(shí)用系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)和控制裝備低成本開發(fā)和更新?lián)Q代提供了一條切實(shí)可行的途徑。
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