基于STM32的智能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)

0 引言
電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中最主要的驅(qū)動(dòng)源，如何有效地監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)電機(jī)回路，提高電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，減少電機(jī)故障，對(duì)工廠整體電網(wǎng)的運(yùn)行十分關(guān)鍵。
電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置有很多種，目前使用得比較普遍的還是基于金屬片機(jī)械式的熱繼電器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在保護(hù)電動(dòng)機(jī)過(guò)載方面具有反時(shí)限特性。但它的保護(hù)功能少，無(wú)斷相保護(hù)，對(duì)電機(jī)發(fā)生通風(fēng)不暢、掃膛、堵轉(zhuǎn)、長(zhǎng)期過(guò)載、頻繁啟動(dòng)等故障也不能起保護(hù)作用。此外，熱繼電器還存在重復(fù)性能差、大電流過(guò)載或短路故障后不能再次使用、調(diào)整誤差大、易受環(huán)境溫度影響而誤動(dòng)或拒動(dòng)、功耗大、耗材多、性能指標(biāo)落后等缺陷。
為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的要求，采用基于微控制器的電子式電機(jī)保護(hù)器替代現(xiàn)有熱繼電器，具有廣大的市場(chǎng)。設(shè)計(jì)采用集成豐富外設(shè)的STM32系列ARM芯片為核心的智能電機(jī)保護(hù)器，具有響應(yīng)速度快、附加芯片少、生產(chǎn)調(diào)試簡(jiǎn)單、生產(chǎn)及社會(huì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。

1 智能保護(hù)器功能及硬件架構(gòu)
電機(jī)運(yùn)行中主要發(fā)生的故障包括：起動(dòng)超時(shí)、過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、缺相、不平衡、過(guò)熱、欠載、過(guò)壓、欠壓等。因此智能保護(hù)器需要監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作電壓、工作電流和機(jī)殼溫度。
同時(shí)，由于電機(jī)的類(lèi)型、容量和負(fù)載類(lèi)型不同，電機(jī)保護(hù)的參數(shù)也不盡相同，所以需要能夠針對(duì)不同的電機(jī)設(shè)置保護(hù)參數(shù)。
再者，為了使智能保護(hù)繼電器能夠滿(mǎn)足當(dāng)前流行的智能電機(jī)控制中心(IMCC)的需求，智能電機(jī)保護(hù)器還需要具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能。
圖1是智能電機(jī)保護(hù)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 MCU
MCU是電機(jī)保護(hù)器的核心部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制和參數(shù)設(shè)置。這里采用的是ST公司最新推出的STM32F103xD系列ARM芯片。
該系列芯片采用ARM公司32位的C0rtex M3為核心，最高主頻為72MHz，Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數(shù)據(jù)的處理。
芯片具有三個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個(gè)獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨(dú)立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機(jī)控制、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和多參數(shù)儀器設(shè)備的使用。
芯片還帶有豐富的通訊單元，包括多達(dá)5個(gè)異步串行接口、1個(gè)USB從器件、1個(gè)CAN器件、I2C和SPI等模塊。
2．2 模擬量采集單元
電機(jī)保護(hù)器主要需要采集電流、電壓和溫度這三個(gè)模擬量來(lái)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)。
電流傳感器類(lèi)型眾多，主要包括磁芯電流互感器、霍爾傳感器、分流電阻。而電機(jī)保護(hù)器所連接的電機(jī)容量主要以幾千瓦至數(shù)十千瓦的電機(jī)為主，因此電機(jī)相電流主要在數(shù)安培至幾十安培。因此采用電流互感器為電流采集單元，具有量程寬、發(fā)熱小、隔離電壓高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在不改變處理電路的參數(shù)的同時(shí)，采用不同變比的電流傳感器可以方便地改變電機(jī)保護(hù)器的電流檢測(cè)量程，從而可以方便地用于更大容量的電機(jī)保護(hù)。
電壓直接通過(guò)電阻分壓獲得，因此整個(gè)電機(jī)控制器是共熱地的系統(tǒng)。電阻采用的是高阻抗高耐壓類(lèi)型電阻，同時(shí)為了提高電壓采集回路的過(guò)電壓能力，電壓分壓電路采用多電阻串聯(lián)形式，從而降低每一個(gè)電阻上的額定壓降，同時(shí)提高整個(gè)支路的最高耐壓。
溫度傳感器采用常見(jiàn)的鉑電阻傳感器或者NTC熱敏電阻，保護(hù)器硬件上設(shè)計(jì)有對(duì)應(yīng)的熱電阻信號(hào)調(diào)理電路。由于熱電阻都是非線性器件，因此溫度采集處理通道都需要進(jìn)行非線性處理，為了減少硬件電路的復(fù)雜程度，因此實(shí)際熱電阻調(diào)理單元只是設(shè)計(jì)采用一個(gè)儀表放大器，而熱電阻的非線性處理由MCU完成。另外還有一路MCU芯片內(nèi)置的半導(dǎo)體溫度傳感器，用于檢測(cè)保護(hù)器內(nèi)的溫度，從而防止由于系統(tǒng)過(guò)熱而導(dǎo)致控制出錯(cuò)。