基于STM32F103的智能電機保護器的設計

張石， 張洪嘉， 朱世鵬， 袁程磊

(東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽　110819)

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基于STM32F103的智能電機保護器的設計

張石， 張洪嘉， 朱世鵬， 袁程磊

(東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110819)

介紹了一種基于STM32F103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，可遠程監(jiān)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。

STM32F103；電機保護器；ADE7878；CAN通信；反時限過流

0　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(tài)。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(tǒng)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(yè)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]。

1　基本原理

智能電機保護器的系統(tǒng)框圖如圖1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-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(tǒng)框圖

電機信號經調理和測量后，三相電壓、三相電流和零序電流的有效值分別為UA、UB、UC、IA、IB、IC、I0。UPav為三相電壓平均值，Ie為額定電流。故障檢測方法如下[2-3]：

(1)過載：當I>1.2Ie時，表示過載，根據反時限原則進行延時保護；

(2)欠載：當I>0.8Ie時，表示欠載；

(3)三相不平衡：按照IEEE Std．112—1991定義，相電壓不平衡率(PVUR112)：

PVUR112=

(1)

當PVUR112>20%時，則表示三相電壓不平衡。

(4)斷相：當IA、IB、IC<0.2UPav時，則表示斷相；

(5)過壓：當Umax

(6)欠壓：當Umin>U時，表示欠壓。Umin為欠壓閾值；

(7)漏電：當100 mA

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(zhí)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:

(2)

其中C為反時限特性常數。k為反時限常數。通過調整C和k的值，便可得到滿足不同電機對反時限特性的需求。只有當I>Ie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:

(3)

其中等式右側的積分表示了電流造成的熱累積，當大于k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:

(4)

其中T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

圖2　電壓信號調理電路

圖3　電流信號調理電路

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6 mA∶6 mA,故電壓變比為R5∶R7//(R6+R8)，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18 A∶6 mA。次級電流流經R2和R4組成的回路，輸出差模電壓信號。

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ADE7878。它內置7個Σ-Δ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1 000∶1動態(tài)范圍下小于0.1%。超越了工業(yè)上對電能計量0.2級表的精度和動態(tài)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[4]。

ADE7878電路圖如圖4所示。電流信號以差分形式送入IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN、INP、INN,電壓信號以單端形式送入VAP、VBP、VCP。ADE7878通過SPI接口將數據傳輸給主控制器，IRQ0和IRQ1是用于故障報警的中斷請求引腳。

圖4　ADE7878電路圖

2.3主控制器

主控制器負責保護算法運算，發(fā)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RISC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、SPI、USART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(tǒng)的硬件設計[5]。

2.4開關量輸入輸出

圖5　開關量輸出電路

圖6　開關量輸入電路

開關量輸出電路如圖5所示。單片機輸出經施密特觸發(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。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。

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(fā)器整形送入單片機。開關量輸入可用于監(jiān)測接觸器狀態(tài)是否正常。

2.5CAN通信和4 mA～20 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STM32F103集成了CAN控制器，所以只需要添加CAN收發(fā)器即可實現CAN通信。CAN收發(fā)器選用廣州致遠電子有限公司的高速CAN隔離收發(fā)器CTM1050T，符合ISO11898標準，具有2 500 V直流隔離能力和ESD保護作用。

4 mA～20 mA模擬量是工業(yè)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(tǒng)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

圖7　主控程序流程圖

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(fā)送電機參數并接收指令，執(zhí)行相應的指令后回到參數采集。

3.2電機參數顯示板程序

電機參數顯示板通過串口與電機參數測量控制板進行通信，將讀回的電機參數進行顯示，通過鍵盤可設置電機保護參數，并通過串口傳回電機參數測量控制板。

3.3上位機程序

PLC和PC機均可作為上位機。上位機通過CAN總線控制電機參數測量控制板，通過上位機可以查看聯(lián)網的電機參數，控制電機的運轉。

4　測試結果與精度

表1測試了三相電壓的有效值,表2測試了三相電流的有效值。由表中數據可看出，在10%～120%的額定電壓和額定電流范圍內的精度滿足0.2級。

表1　電壓測試結果

表2　電流測試結果

5　結束語

基于STM32F103的智能電機保護器充分的運用了STM32F103的資源和ADE7878的高精度特性，構成了一個集成度高、功能完善、性能優(yōu)良的實用系統(tǒng)。為實現電機保護和控制裝備低成本開發(fā)和更新?lián)Q代提供了一條切實可行的途徑。

[1] 趙榮祥,錢昊,陳潼.基于PIC單片機的智能電機保護器[J].工程設計學報,2005,12(2):89-92.

[2] 徐厚東,黃益莊,付銘. 微機反時限過流保護算法[J].清華大學學報:自然科學版,2006,46(1):1-4.

[3] 周林,張永玉,劉強，等．三相不平衡算法的比較研究[J]華東電力,2010,38(2):210-215.

[4] ADE7878 datasheet. Poly phase multifunction energy metering IC with per phase information[K].Analog Device,Inc.,USA,2009.

[5] 劉火良,楊森. 單片機與嵌入式:STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社,2013.

Design of an STM32F103-based Intelligent Motor Protector

ZHANG Shi，ZHANG Hong-jia，ZHU Shi-peng，YUAN Cheng-lei

(School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819, China)

This paper introduces an intelligent motor protector based on STM32F103 microcontroller and explains hardware design and software design flow of main modules. Based on accurate measurement of the current and voltage of the motor, the protector realizes perfect motor protection against malfunction. It supports multiple start-up modes of the motor, and has CAN communication function for remote monitoring. Practical application indicates that this intelligent motor protector can achieve good motor protection.

STM32F103; motor protector; ADE7878; CAN communication; inverse time over-current

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.037

TM307

A

1000-3886(2016)01-0116-03

張石(1963- )，男，沈陽人，教授。研究方向為嵌入式系統(tǒng)技術及數字信號處理。

定稿日期: 2015-03-20