基于STM32的智能電機保護器設計

2．4 通訊電路
智能電機控制中心(IMCC)的控制結構大都是總線(xiàn)型分布式網(wǎng)絡(luò )結構，系統中有中央控制器負責調度和監控所有電機的運行。根據所使用的中央控制器(大多為PLC)的不同，系統的通訊協(xié)議有MODBUS、Fieldbus和以太網(wǎng)等。其中最常見(jiàn)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 )，電機保護器在其中是處于從機地位。
由于電機保護器內部是共熱地系統，所以RS485遠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。電機保護器的通訊接口設計的通訊波特率最高需要達到57．6kbps，因此需要使用高速光耦或者數字隔離芯片完成對通訊信號的隔離。
數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(zhuān)利的數字隔離器件，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。相對傳統的高速光耦，數字隔離器件具有功耗低、傳輸速率高、兼容3V／5V系統和外設簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際連接電路如圖3所示。

3 系統軟件設計
3．1 監控程序
智能電機保護器中，MCU只要完成電流和電壓的采樣、計算、分析來(lái)實(shí)現各種保護功能，并且實(shí)時(shí)顯示線(xiàn)路的參數和記錄故障狀態(tài)。
系統軟件中，全局監控軟件用來(lái)循環(huán)掃描各個(gè)單元子程序的狀態(tài)，包括模數轉換器的數據采樣，數據采集完成后對數據進(jìn)行計算，而后根據計算結果和預先設置的電機參數，結合保護策略判斷出當前電機的狀態(tài)。最后通過(guò)LCD顯示器和輸出控制接口發(fā)出相應的狀態(tài)信息和控制功能。
3．2 ADC的配置和使用
由于電機保護器采集的是50Hz工頻電壓電流，同時(shí)為了能夠監測到電網(wǎng)中的高次諧波成分(主要是3次諧波)，因此在A(yíng)DC的采樣頻率需要設置在工頻的整數倍，從而使得采樣快速傅立葉(FFT)運算時(shí)得到最準確的精度。同時(shí)，數據采樣時(shí)，由于計算功率需要同時(shí)采集電壓、電流值，因此在系統設計時(shí)，將三相的參數分別分配到兩個(gè)模數轉換器，而將溫度量放置在第三個(gè)模數轉換器。所有的模數轉換均采用內部定時(shí)器中斷觸發(fā)。
對于電壓和電流的采集，系統采用同步采樣模數，即同時(shí)采集同一個(gè)通道的電壓和電流值；同時(shí)在采樣通道配置寄存器中，將三個(gè)電壓電流通道依次排列，使得在一次定時(shí)器觸發(fā)下，一次性完成所有通道的轉換。
由于FFT需要一組數據進(jìn)行計算，所以為了最低程度的CPU干預，系統設計使用了DMA來(lái)完成轉換結果的傳遞。程序設計時(shí)，需要設置兩塊數據存放區，用于采樣數據的交替存放；同時(shí)DMA傳遞的字節計數的預置值即為傅立葉轉換數組長(cháng)度乘以采集的通道數。
3．3 遠程通訊
電機保護器設計為MODBUS從機，所有的電機運行狀態(tài)、控制狀態(tài)等參數都是放置在系統約定地址的寄存器中。同時(shí)MODBUS從機需要給每一個(gè)電機控制器預置一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中唯一的從機地址，所以還需要使用按鍵和LCD屏幕來(lái)設置從機地址。

4 結語(yǔ)
本文提出一種基于STM32系列新品的智能電機保護器，本設計充分利用了STM32芯片的資源，提供必要的外圍器件構成了一個(gè)完整的系統。實(shí)際應用證明，此系統能有效保護電機，且具有結構簡(jiǎn)單、功能完善、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，根據實(shí)際需要還可以開(kāi)發(fā)出諸如USB、CAN open等接口，因此此系統可以更廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。