基于STM32的智能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)

2．4 通訊電路
智能電機(jī)控制中心(IMCC)的控制結(jié)構(gòu)大都是總線型分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中有中央控制器負(fù)責(zé)調(diào)度和監(jiān)控所有電機(jī)的運(yùn)行。根據(jù)所使用的中央控制器(大多為PLC)的不同，系統(tǒng)的通訊協(xié)議有MODBUS、Fieldbus和以太網(wǎng)等。其中最常見的是MODBUS協(xié)議。MODBUS協(xié)議的物理層是基于RS485的半雙工通訊網(wǎng)絡(luò)，電機(jī)保護(hù)器在其中是處于從機(jī)地位。
由于電機(jī)保護(hù)器內(nèi)部是共熱地系統(tǒng)，所以RS485遠(yuǎn)程通訊需要與控制器主回路隔離。對于RS485收發(fā)器的隔離，需要對通訊信號和收發(fā)器的供電進(jìn)行隔離。電機(jī)保護(hù)器的通訊接口設(shè)計(jì)的通訊波特率最高需要達(dá)到57．6kbps，因此需要使用高速光耦或者數(shù)字隔離芯片完成對通訊信號的隔離。
數(shù)字隔離芯片是一種新型的器件，TI、ADI和Silicon Lab等公司都有推出擁有各自專利的數(shù)字隔離器件，但各家芯片的引腳封裝和引腳功能大部分都是兼容的，可以直接替換。相對傳統(tǒng)的高速光耦，數(shù)字隔離器件具有功耗低、傳輸速率高、兼容3V／5V系統(tǒng)和外設(shè)簡單等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際連接電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 監(jiān)控程序
智能電機(jī)保護(hù)器中，MCU只要完成電流和電壓的采樣、計(jì)算、分析來實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能，并且實(shí)時顯示線路的參數(shù)和記錄故障狀態(tài)。
系統(tǒng)軟件中，全局監(jiān)控軟件用來循環(huán)掃描各個單元子程序的狀態(tài)，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)采集完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而后根據(jù)計(jì)算結(jié)果和預(yù)先設(shè)置的電機(jī)參數(shù)，結(jié)合保護(hù)策略判斷出當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)。最后通過LCD顯示器和輸出控制接口發(fā)出相應(yīng)的狀態(tài)信息和控制功能。
3．2 ADC的配置和使用
由于電機(jī)保護(hù)器采集的是50Hz工頻電壓電流，同時為了能夠監(jiān)測到電網(wǎng)中的高次諧波成分(主要是3次諧波)，因此在ADC的采樣頻率需要設(shè)置在工頻的整數(shù)倍，從而使得采樣快速傅立葉(FFT)運(yùn)算時得到最準(zhǔn)確的精度。同時，數(shù)據(jù)采樣時，由于計(jì)算功率需要同時采集電壓、電流值，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，將三相的參數(shù)分別分配到兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而將溫度量放置在第三個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換均采用內(nèi)部定時器中斷觸發(fā)。
對于電壓和電流的采集，系統(tǒng)采用同步采樣模數(shù)，即同時采集同一個通道的電壓和電流值；同時在采樣通道配置寄存器中，將三個電壓電流通道依次排列，使得在一次定時器觸發(fā)下，一次性完成所有通道的轉(zhuǎn)換。
由于FFT需要一組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，所以為了最低程度的CPU干預(yù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了DMA來完成轉(zhuǎn)換結(jié)果的傳遞。程序設(shè)計(jì)時，需要設(shè)置兩塊數(shù)據(jù)存放區(qū)，用于采樣數(shù)據(jù)的交替存放；同時DMA傳遞的字節(jié)計(jì)數(shù)的預(yù)置值即為傅立葉轉(zhuǎn)換數(shù)組長度乘以采集的通道數(shù)。
3．3 遠(yuǎn)程通訊
電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)為MODBUS從機(jī)，所有的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、控制狀態(tài)等參數(shù)都是放置在系統(tǒng)約定地址的寄存器中。同時MODBUS從機(jī)需要給每一個電機(jī)控制器預(yù)置一個網(wǎng)絡(luò)中唯一的從機(jī)地址，所以還需要使用按鍵和LCD屏幕來設(shè)置從機(jī)地址。

4 結(jié)語
本文提出一種基于STM32系列新品的智能電機(jī)保護(hù)器，本設(shè)計(jì)充分利用了STM32芯片的資源，提供必要的外圍器件構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用證明，此系統(tǒng)能有效保護(hù)電機(jī)，且具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要還可以開發(fā)出諸如USB、CAN open等接口，因此此系統(tǒng)可以更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域。