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基于STM32 F103的智能电机保护器的设计

2016-11-11 来源：东北大学信息科学与工程学院作者：张石。张洪嘉。朱世鹏，袁程磊

摘要：介绍了一种基于sr眦32F103单片机的智能电机保护器，说明了主要模块的硬件设计和软件设计流程。保护器在对电机的电流和电压的准确测量的基础上，实现了完善的电机故障保护；支持电机的多种启动方式；具有CAN通信功能。可远程监测。实践表明，智能电机保护器对电机起到了很好的保护作用。

关键词：sm32F103；电机保护器；ADE7878；cAN通信；反时限过流

O.引言

由于生产自动化水平的提高，电机会频繁的切换于起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等状态。此外，由于电力技术的进步，电动机在较小的体积下被设计成更大功率，导致电动机热容量减小，过负荷能力减弱。以上情况对电动机保护器提出了更高的要求。目前市场上主流的数字电机保护器较之传统的模拟式电机保护器有了质的飞跃，但仍存在种种不足，比如，测量的精确度和实时性还有待改善，启动方式不够多样化，有待于工业总线连接，实现网络化。针对以上需求，提出了一种高测量精度，支持多种电机启动方式，具有CAN通信功能的电机保护器。

1.基本原理

智能电机保护器的系统框图如图l所示。电机参数测量控制部分由电压电流信号调理模块、信号测量模块、主控制器模块、开关量输入输出模块、模拟量输出模块、远程通信模块组成。电机参数显示部分为即插即用设备，通过Rs一232串口与主控制器通信以完成电机参数的显示和设置。

图1 系统框图

以上故障的判定均需满足故障条件并达到对应的故障动作时间，才执行保护动作。过载保护遵循了反时限原则，即电流越大，保护时间越短。反时限过载保护特性曲线的数学表达式为：

其中c为反时限特性常数。_|}为反时限常数。通过调整C和矗的值，便可得到满足不同电机对反时限特性的需求。只有当，>t时，t为正，才有可能进行保护动作。考虑到不同时刻的故障电流并不相同，所以采用积分形式进行反时限过载保护的判定。将式(2)改写成：

其中等式右侧的积分表示了电流造成的热累积，当大于l|}时，进行保护动作。式(3)充分考虑了故障中电流的变化情况。由于单片机只能处理离散数据，再将式(3)离散化后，就可应用于反时限的微机算法中。式(3)离散化后得：

其中r为电流采样间隔时间。M为保护动作时的求和次数。

2.硬件设计

2．1电压电流信号调理

信号调理电路负责将电机三相电压，三相电流和零线电流调理为弱电信号。其中，电压信号采用电流互感器隔离输入，电压信号调理电路如图2所示。以A相为例，电流互感器的变比为6mA：6mA，故电压变比为飚：田／／(硒+瑚)，调整比值可实现不同的量程。

电流信号调理电路如图3所示。电流互感器的变比为18A：6 mA。次级电流流经慰和斛组成的回路，输出差模电压信号。

图3电流信号调理电路

2．2信号测量

信号测量采用美国ADI公司的一款三相电能计量芯片AD田878。它内置7个乏一△型ADC，可实现三相三线(角接)、三相四线(星接)计量方式。电压和电流的有效值和功率精度在l 000：1动态范围下小于0．1％。超越了工业上对电能计量0．2级表的精度和动态范围要求。内置DsP可完成基波有功和无功功率、总(基波和谐波)有功和无功功率、电流和电压有效值计算。AD研878电路图如图4所示。电流信号以差分形式送人IAP、IAN、IBP、IBN、IcP、IcN、INP、INN，电压信号以单端形式送人VAP、VBP、VCP。AD研878通过SPI接口将数据传输给主控制器，IRQ0和lRQl是用于故障报警的中断请求引脚。

2．3主控制器

主控制器负责保护算法运算，发出保护动作指令，CAN通信等。我们采用了意法半导体的sTM32F103系列的单片机，此系列单片机采用ARM Cortex—M3 32位的mSc内核，最高工作频率为72 MHz，内置高速存储器，具有丰富外设资源：DAC、SPl、uS—ART和CAN等。在运算速度和存储容量上满足要求，丰富的外设也简化了系统的硬件设计口。

圈4川DE7878电路图

2．4开关量输入输出

开关量输出电路如图5所示。单片机输出经施密特触发器和光耦隔离后控制继电器输出。通过继电器控制接触器来控制电机。共提供4路可编程输出，可搭配软起动器，变频起动器等，以实现多种启动方式。

图5开关量输出电路

开关量输入电路如图6所示。外部开关信号经光耦隔离和施密特触发器整形送入单片机。开关量输入可用于监测接触器状态是否正常。

2．5 CAN通信和4 mA一加mA变送模块

CAN总线是被广泛应用的现场总线，采用短帧格式，结合CRc校验，最远通信距离可达10 km，最高通讯速率可达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收发器即可实现CAN通信。CAN收发器选用广州致远电子有限公司的高速cAN隔离收发器CTMl050T，符合Isoll898标准，具有2 500 V直流隔离能力和EsD保护作用。4—nA～20—ⅡA模拟量是工业现场常用的一种通信方式。采用AME公司的一款电压电流变送集成芯片AM462，用主控制器内部DAc生成电压，经AM462转换为4 mA～20 mA电流输出。

3.软件设计

系统软件采用嵌入式c语言进行模块化设计。主要由电机参数测量控制板程序，电机参数显示板程序，上位机程序组成。

3．1 电机参数测量控制板程序

电机参数测量控制板的程序流程图如图7所示。开始时，电机参数测量控制板从EEPROM读取参数，然后对电机参数进行采集，判断故障并实施保护，与上位机和电机参数显示板通讯，发送电机参数并接收指令，执行相应的指令后回到参数采集。