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基於STM32 F103的智能電機保（bǎo）護器的設計

2016-11-11 來源：東北大學信息科學（xué）與工程學院作者：張石。張洪嘉。朱世鵬（péng），袁程磊

摘要：介紹了一種基於（yú）sr眥32F103單片機的智能（néng）電機保護器，說明（míng）了主要模塊的硬件設計和軟件設計流程（chéng）。保護器在（zài）對電機的電流和電壓的準確測量的基礎上，實現了完（wán）善的電機故障保護；支持電機的多種啟動方式；具（jù）有CAN通信功能。可遠程（chéng）監（jiān）測。實踐表明，智能電（diàn）機保護器對（duì）電機起到了很好的保護作用。

關鍵詞：sm32F103；電機（jī）保護器；ADE7878；cAN通信；反時限過流

O.引言

由於生產自動化水平的提高，電機會頻（pín）繁（fán）的切（qiē）換於起動、製動、正反轉、間歇（xiē）以及變負荷等狀態。此外，由於電力技術的進步，電動機在較小的體積下被設計（jì）成更大功率，導（dǎo）致電動機熱容量減（jiǎn）小，過負荷能力減弱。以（yǐ）上情況（kuàng）對電動機（jī）保護器提出了更高的要求。目前市場上主流的數字電機保護器較之傳統的模擬式電機保護器有了質（zhì）的飛躍，但仍存在種（zhǒng）種不足，比如，測量的精確度和實時性還有待改善，啟動方式不夠多樣化，有待於工業總線（xiàn）連接，實現網絡（luò）化。針對以上需求，提出了一種高測（cè）量精度，支持多種電機啟動方式（shì），具有CAN通信功能的電機保護器（qì）。

1.基本原（yuán）理

智能電（diàn）機保護器的係統框圖如圖l所示。電機參數測量控製部分由電壓電流信號調理模塊、信（xìn）號測量模塊、主控製器模塊、開關量輸入輸出模塊、模（mó）擬量輸出模塊（kuài）、遠程通信模塊組成。電機參數顯示部分為即插即用設備，通過Rs一232串口與主控製器通信以完成電機參數的（de）顯示和設置。

圖1 係統框圖

以上故障的判定均需滿足（zú）故障條件並達到對應的故障動作時間，才執（zhí）行保護動作。過載保護遵循了反時限原則，即電流越大（dà），保護時間越短。反時限過載保護特性曲線的數學表達式（shì）為：

其中c為反（fǎn）時限特性常數。_|}為反時限常數。通（tōng）過調整C和矗的值（zhí），便（biàn）可得到滿足不同電機對反時限特性的需求。隻有當，>t時（shí），t為正，才（cái）有可能進行保（bǎo）護動作。考慮（lǜ）到不同時刻的故障（zhàng）電流並不相同，所以采（cǎi）用積分形式進（jìn）行反時（shí）限過載保護的判定。將式(2)改寫（xiě）成：

其中等式右側的（de）積分表示了電流造成的熱累積，當大於l|}時，進行保護動作。式(3)充分考慮了故障中電流的（de）變化（huà）情況。由於單片機隻能處理離散數據，再將式(3)離散化後，就可應用（yòng）於反時限的微機算法中。式(3)離散化後得：

其中r為（wéi）電（diàn）流采（cǎi）樣間隔時間。M為保護動（dòng）作時的求和次數。

2.硬件設計

2．1電（diàn）壓電流信號調理

信號調理電路負（fù）責將電機三相電壓（yā），三相電流和零線電流調理為弱電信號。其中，電壓信號（hào）采用電流互感器隔離輸入，電壓信號調理電（diàn）路如圖（tú）2所示。以A相為例，電流互（hù）感器（qì）的（de）變比為6mA：6mA，故電壓（yā）變（biàn）比為飆：田／／(硒+瑚)，調（diào）整比值可實現不同的量程。

電流信號調（diào）理電路如圖3所示。電流互感器的變比（bǐ）為18A：6 mA。次（cì）級電（diàn）流流經慰和斛（hú）組成的回路，輸（shū）出差模電壓信號。

圖3電流信號調理電路

2．2信號測量

信號測量采（cǎi）用美國（guó）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，可實現三相三線(角接)、三相四線(星接)計量方式。電壓和電流的有（yǒu）效值（zhí）和功率精度（dù）在l 000：1動態範圍（wéi）下小於0．1％。超越了工業上（shàng）對電能計（jì）量0．2級表的（de）精度和（hé）動態範圍要求。內（nèi）置DsP可完成基波（bō）有功和無功功率、總(基波和諧波)有功和無功功率、電流（liú）和（hé）電壓有效值（zhí）計算。AD研878電路圖如圖4所示。電流信號以差分形式送人（rén）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接口將數據傳輸給主控（kòng）製器，IRQ0和lRQl是用於（yú）故障報警的中斷請求引腳。

2．3主控（kòng）製器

主控製器負責保護算法（fǎ）運算，發出保（bǎo）護動作指令，CAN通信等。我們采（cǎi）用了意法半導體的sTM32F103係列的單片機，此係列單片機采用ARM Cortex—M3 32位的mSc內核，最高工作頻率為（wéi）72 MHz，內置高速存（cún）儲（chǔ）器，具有豐富外設資源：DAC、SPl、uS—ART和CAN等。在運算速度和存儲容量（liàng）上滿足要求（qiú），豐（fēng）富的外設也簡化了係統的硬件設計口。

圈4川（chuān）DE7878電路圖（tú）

2．4開關量輸（shū）入輸出

開關量輸出電路如圖5所示。單片機輸（shū）出（chū）經施密特觸發（fā）器（qì）和光耦隔離後控（kòng）製繼電器輸出。通過繼電器（qì）控製接觸器來控製電機（jī）。共（gòng）提供4路可編程輸出，可（kě）搭配軟（ruǎn）起動器，變頻起動器等，以實現（xiàn）多種啟（qǐ）動方式。

圖5開關量輸（shū）出（chū）電路

開（kāi）關（guān）量輸入（rù）電路如圖6所示。外部開（kāi）關信號經光耦隔離和施密特觸發器整形送入單片機。開關量輸入可用於監測接觸器狀態是否（fǒu）正常。

2．5 CAN通信和4 mA一加mA變送模塊

CAN總線是被廣泛應用的現場總線，采用短幀格式，結合CRc校驗，最遠通信距（jù）離可達10 km，最高通訊速率可達1 Mbps。由於主控製器（qì）s，m32F103集成了CAN控（kòng）製器，所以隻需要添加CAN收發器即可實現CAN通信。CAN收發器選用廣州致遠電子（zǐ）有限公司的高（gāo）速cAN隔離收發器CTMl050T，符合Isoll898標（biāo）準，具有2 500 V直流隔（gé）離能（néng）力和（hé）EsD保護作用。4—nA～20—ⅡA模擬量是工業現場常用的一種通（tōng）信方式。采用AME公司的一款電壓電流變送集成芯片AM462，用主（zhǔ）控製器內部DAc生成電壓（yā），經AM462轉換（huàn）為4 mA～20 mA電流輸出。

3.軟件設計

係統軟件采用嵌入式c語言進行模塊（kuài）化設計。主要由（yóu）電機參數測量控製板程（chéng）序，電機參數顯示板程序，上位機程序組成。

3．1 電機參（cān）數（shù）測量控製板程序

電機（jī）參數測量控製板的程序流（liú）程圖如圖7所示。開始時，電機參數測量控製板從EEPROM讀取參數，然後對電機參數進行采集，判斷故障並實施保護，與上位機和電機參數顯（xiǎn）示板通（tōng）訊（xùn），發送電機參數並接收指令，執行相應的指令後回（huí）到參數采集。

圖7主（zhǔ）控程序流程圖

3．2 電機參數顯示（shì）板程序

電機參數顯示板通過串口與電機參數測量控（kòng）製板進行通信，將讀回的電機參數進行顯示，通過鍵盤可設（shè）置電機保護參數，並通過串口傳回電（diàn）機參數（shù）測（cè）量控製板。

3．3上位機程序

PLC和PC機（jī）均（jun1）可作為上位（wèi）機。上位機通過CAN總線控（kòng）製電機參數測量控（kòng）製板，通過上位機可以（yǐ）查（chá）看聯網的電機參數，控（kòng）製電機的運轉。

4.測試結果與精度

表l測試了（le）三相電壓的有效值，表2測試了三相電流的有效值。由表中數據可看（kàn）出，在10％一（yī）120％的額定電壓和額定電流範圍內的（de）精度滿足（zú）0．2級。

表1電壓（yā）測試結果

表2電流測試結（jié）果

5.結束語

基於（yú）洲32F103的智能電機保護器充分的運用了洲32F103的資（zī）源和ADE7878的高精度特性，構成了一個集成度高、功能完善、性能優良的實用係統。為實現電機保（bǎo）護和控製裝備低成本（běn）開發和（hé）更新換代提供了一條切（qiē）實可行的途徑。

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