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基于STM32 F103的智能電機保護器的設計

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

摘要：介紹了一種基于sr眥32F103單片機的智能電機保護器，說明了主要模塊的硬件設計和軟件設計流程。保護器在對電機的電流和電壓的準確測量的基礎上，實現了完善的電機故障保護；支持電機的多種啟動方式；具有CAN通信功能?？蛇h程監測。實踐表明，智能電機保護器對電機起到了很好的保護作用。

關鍵詞：sm32F103；電機保護器；ADE7878；cAN通信；反時限過流

O.引言

由于生產自動化水平的提高，電機會頻繁的切換于起動、制動、正反轉、間歇以及變負荷等狀態。此外，由于電力技術的進步，電動機在較小的體積下被設計成更大功率，導致電動機熱容量減小，過負荷能力減弱。以上情況對電動機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的飛躍，但仍存在種種不足，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，有待于工業總線連接，實現網絡化。針對以上需求，提出了一種高測量精度，支持多種電機啟動方式，具有CAN通信功能的電機保護器。

1.基本原理

智能電機保護器的系統框圖如圖l所示。電機參數測量控制部分由電壓電流信號調理模塊、信號測量模塊、主控制器模塊、開關量輸入輸出模塊、模擬量輸出模塊、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串口與主控制器通信以完成電機參數的顯示和設置。

圖1 系統框圖

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

其中c為反時限特性常數。_|}為反時限常數。通過調整C和矗的值，便可得到滿足不同電機對反時限特性的需求。只有當，>t時，t為正，才有可能進行保護動作。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行反時限過載保護的判定。將式(2)改寫成：

其中等式右側的積分表示了電流造成的熱累積，當大于l|}時，進行保護動作。式(3)充分考慮了故障中電流的變化情況。由于單片機只能處理離散數據，再將式(3)離散化后，就可應用于反時限的微機算法中。式(3)離散化后得：

其中r為電流采樣間隔時間。M為保護動作時的求和次數。

2.硬件設計

2．1電壓電流信號調理

信號調理電路負責將電機三相電壓，三相電流和零線電流調理為弱電信號。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)，調整比值可實現不同的量程。

電流信號調理電路如圖3所示。電流互感器的變比為18A：6 mA。次級電流流經慰和斛組成的回路，輸出差模電壓信號。

圖3電流信號調理電路

2．2信號測量

信號測量采用美國ADI公司的一款三相電能計量芯片AD田878。它內置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。電壓和電流的有效值和功率精度在l 000：1動態范圍下小于0．1％。超越了工業上對電能計量0．2級表的精度和動態范圍要求。內置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接口將數據傳輸給主控制器，IRQ0和lRQl是用于故障報警的中斷請求引腳。

2．3主控制器

主控制器負責保護算法運算，發出保護動作指令，CAN通信等。我們采用了意法半導體的sTM32F103系列的單片機，此系列單片機采用ARM Cortex—M3 32位的mSc內核，最高工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，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上滿足要求，豐富的外設也簡化了系統的硬件設計口。

圈4川DE7878電路圖

2．4開關量輸入輸出

開關量輸出電路如圖5所示。單片機輸出經施密特觸發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。共提供4路可編程輸出，可搭配軟起動器，變頻起動器等，以實現多種啟動方式。

圖5開關量輸出電路

開關量輸入電路如圖6所示。外部開關信號經光耦隔離和施密特觸發器整形送入單片機。開關量輸入可用于監測接觸器狀態是否正常。

2．5 CAN通信和4 mA一加mA變送模塊

CAN總線是被廣泛應用的現場總線，采用短幀格式，結合CRc校驗，最遠通信距離可達10 km，最高通訊速率可達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收發器即可實現CAN通信。CAN收發器選用廣州致遠電子有限公司的高速cAN隔離收發器CTMl050T，符合Isoll898標準，具有2 500 V直流隔離能力和EsD保護作用。4—nA～20—ⅡA模擬量是工業現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，用主控制器內部DAc生成電壓，經AM462轉換為4 mA～20 mA電流輸出。

3.軟件設計

系統軟件采用嵌入式c語言進行模塊化設計。主要由電機參數測量控制板程序，電機參數顯示板程序，上位機程序組成。

3．1 電機參數測量控制板程序

電機參數測量控制板的程序流程圖如圖7所示。開始時，電機參數測量控制板從EEPROM讀取參數，然后對電機參數進行采集，判斷故障并實施保護，與上位機和電機參數顯示板通訊，發送電機參數并接收指令，執行相應的指令后回到參數采集。