基于STM32的電機保護系統設計

摘要：文章介紹了電機保護的一些理論和電機故障檢測方法。使用對稱(chēng)分量法，基于STM32設計了一個(gè)微機電機保護裝置，可以智能檢測電機工作狀態(tài)，并顯示電機主要的電氣參數。介紹了裝置的主要硬件組成及各組成部分實(shí)現的功能，結合軟件流程圖，分析了裝置的內部運行原理。

引言

　　電機主要實(shí)現電能轉化為機械能，廣泛地應用于各種設備，小到玩具大到飛機、高鐵、造船工業(yè)、電動(dòng)汽車(chē)等，都離不開(kāi)電動(dòng)機。電動(dòng)機的電能轉換效率很高，通常能達到70%以上。電動(dòng)機設計原理的不同，轉換效率、功率還有應用場(chǎng)合都會(huì )有差異。據不完全統計，我國擁有大中型電機2000萬(wàn)臺以上，每年大約有20萬(wàn)臺以上電動(dòng)機因為短路、過(guò)載等故障而損壞，大量的人力和物力花費在電機維修上，同時(shí)電動(dòng)機故障會(huì )導致工廠(chǎng)停產(chǎn)，甚至會(huì )引發(fā)一些其它的安全事故。

　　電機保護發(fā)展由以熔斷器、接觸器和熱繼電器構成的簡(jiǎn)單的過(guò)流保護系統^[1-2]到晶體管型，再到集成電路型的電子式保護系統，而現在則是基于微機技術(shù)的電機保護系統，通過(guò)一個(gè)嵌入式系統來(lái)實(shí)現電機工作狀態(tài)監測和保護。電機保護的理論除了常規的保護理論，還有對稱(chēng)分量法電動(dòng)機保護理論^[3]和基于信號處理方法的電機保護理論。常規的電機保護理論根據過(guò)流保護的基本原理，就是以電流幅值作為故障依據，從原理上反映對稱(chēng)故障，對其它不對稱(chēng)的電機故障無(wú)法及時(shí)檢測并進(jìn)行保護^[4]。對稱(chēng)分量法可以根據發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí)的電流分量來(lái)判斷電動(dòng)機的故障，電動(dòng)機電流可以分解為正序、負序和零序電流分量，電機的故障類(lèi)型與電動(dòng)機的各序電流之間具有很好的對應關(guān)系，因此，這一原理廣泛應用于一系列的微機型電機保護裝置中。先進(jìn)信號處理方法主要是基于以前的電機保護理論，使用更強的微機系統，運用現代的信號處理理論，能夠更快、更準確地判斷故障并作出反應。從電流和電壓中提取有用的電參數，基于傅立葉變換，通過(guò)頻域分析電動(dòng)機故障，適合處理一些特征性的電機故障，捕捉速度異常的快。而且現在正朝著(zhù)智能化、數字化的趨勢發(fā)展。

1 電機保護故障分析

　　電動(dòng)機燒毀的原因有很多，像電流過(guò)載、三相不平衡、負載荷不均勻等都可能導致電機短路、過(guò)負載斷相等故障。一般將電機的電氣故障分為對稱(chēng)和不對稱(chēng)兩類(lèi)。對稱(chēng)故障主要包括堵轉和三相短路等，這些故障通常會(huì )導致電機過(guò)熱燒壞。由于對稱(chēng)故障的電流變化都很大，因此，這類(lèi)故障可以通過(guò)電流的幅值變化檢測出來(lái)。不對稱(chēng)故障主要是斷相、逆相、相間短路等，不對稱(chēng)故障不但會(huì )造成電機發(fā)熱還會(huì )引起負序效應，對電動(dòng)機的損害更大^[5]。電機保護分為電流速斷保護、過(guò)負荷保護、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)保護、堵轉保護、零序保護、負序過(guò)流保護、低壓保護、PT斷線(xiàn)保護和過(guò)電壓保護。表1列出了電機故障類(lèi)別和主要特征。

2 關(guān)鍵電氣參數采樣和處理算法

　　電機保護的核心是算法，首先要采樣一些電流電壓的數據，接著(zhù)通過(guò)A/D轉換實(shí)時(shí)地采樣交流模擬信號，再經(jīng)過(guò)微機系統對數字信號進(jìn)行處理。交流采樣的方法有很多種，各種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文系統使用的是均方根算法。

　　兩點(diǎn)采樣算法是基于正弦函數模型：

　　其中u_k和I_k分別為第k次的電壓采樣值和電流采樣值，N為每周期間隔采樣次數。同樣的還可以得到有功功率、視在功率以及功率因數等。

　　為了分析系統的不對稱(chēng)情況，常把三相分解為對稱(chēng)分量(正、負序)及同向的零序分量。正序、負序和零序可以表示為：

3 電機保護裝置的硬件框架圖

　　電機保護裝置主要測量電機電路中的電流、電壓、有功功率、功率因數等電機參數，對電機參數通過(guò)算法處理，得到三相電流的正序、負序和零序電流。根據電流序就可以判斷出電機的故障。本文設計的系統硬件如圖1，包括電壓、電流及零序電流互感器、前端的信號調理單元和核心處理控制單元。

　　整個(gè)系統的核心處理單元是STM32F407VGT6，STM32F407是32位的ARM處理器，工作頻率可到168MHz，可以滿(mǎn)足大量數據處理的要求。內部的資源非常豐富，有片內AD、串口等。電機保護裝置中主要用到了STM32F407的片內AD和串口，鍵盤(pán)輸入、電機邏輯控制輸出以及LCD都是使用普通IO口來(lái)驅動(dòng)。核心處理單元主要完成模擬信號和數字信號轉換，以及對信號進(jìn)行處理，并實(shí)現電機保護算法，判斷電機工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)地通過(guò)LCD顯示出來(lái)。配置電機保護裝置主要通過(guò)按鍵輸入，通過(guò)按鍵來(lái)配置參數，STM32F407會(huì )將配置參數保存到片內的FLASH，每次開(kāi)機啟動(dòng)時(shí)會(huì )重新加載配置參數。此外，這套系統還支持MODBUS/RTU，可以通過(guò)MODBUS主機訪(fǎng)問(wèn)系統的一些寄存器，這些虛擬的寄存器中存儲了三相的電壓、電流、有功功率及工作狀態(tài)等參數。并可以通過(guò)MODBUS主機來(lái)配置一些虛擬的系統寄存器，里面存儲了配置參數。大大增強了這個(gè)裝置的交互能力。

　　第一版電機保護系統可以分為3個(gè)模塊，第一個(gè)模塊是電流和電壓互感模塊。此模塊提供7路采樣信號，包括3路電壓信號、3路電流信號和1路零序電流信號。主要將一次線(xiàn)圈上的大電流和大電壓變?yōu)槎位芈返牡碗妷汉托‰娏?，方便測量，同時(shí)隔離了高壓電路。如圖2為電壓和電流互感器電路。

　　第二部分是主控板部分，如圖3為主控板實(shí)物圖，包括上板和下板。第一版的主控板設計了可以同時(shí)保護兩路三相交流電機，下板有2排接線(xiàn)柱，可以連接兩個(gè)互感模塊，控制8個(gè)繼電器，兩排接口各預留了一路繼電器。下板包括電源(DC-DC)、繼電器驅動(dòng)電路、電壓和電流采樣保持電路。采樣保持電路如圖4，采樣保持電路將互感模塊輸入進(jìn)來(lái)的7路電壓信號由OPA2171放大濾波，調理到0~2.5V的范圍，由采樣保持電路LF398鎖存，然后通過(guò)接線(xiàn)柱連接到上板，將調理過(guò)后的信號輸出到STM32F407。

　　主控板上板包括D-Sub接口、LED狀態(tài)顯示燈、LCD、按鍵擴展接口和核心處理單元STM32F407VGT6。D-sub接口為RS232和RS485通信接口，RS232可以用來(lái)下載程序，而RS485為MODBUS-RTU從機接口。如圖5為RS485的接口電路，使用MAX491將電平轉換為RS485電平，可以實(shí)現全雙工通信。狀態(tài)顯示燈可以顯示目前兩路電機的工作狀態(tài)，上下各9個(gè)燈可以顯示電機的9種故障，第一版程序中只檢測了7種故障燈，另外2個(gè)狀態(tài)燈作為備用，還包括1個(gè)測試燈和1個(gè)電源指示燈。LCD和按鍵擴展接口用于擴展人機交互板。

　　第三部分為鍵盤(pán)和LCD人機交互板，主要用來(lái)配置參數，顯示工作狀態(tài)和各相電壓電流參數。第一版的人機交互板只預留了接口，沒(méi)有進(jìn)行調試。

4 電動(dòng)機保護裝置軟件設計

　　電機保護軟件部分主要分為三個(gè)階段，第一階段是初始化，第二階段是數據采集和故障判斷，第三階段是故障處理。電機保護的處理程序首先是對外設進(jìn)行初始化，包括IO、LCD、串口、定時(shí)器、片內AD等，接著(zhù)從STM32F407VGT6中的片內FLASH讀取配置參數，配置保護裝置的運行參數。此外通信部分使用到了MODBUS/RTU通信協(xié)議，需要初始化MODBUS從機。然后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中完成數據采樣、計算和故障判斷，將各種故障分門(mén)別類(lèi)地進(jìn)行處理。STM32完成7個(gè)交流分量每周期36點(diǎn)信號采樣并計算，在發(fā)生故障時(shí)迅速輸出保護控制。主要處理的故障類(lèi)型為短路、啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)、堵轉、負序過(guò)流、零序過(guò)流、過(guò)負荷、低壓等，針對不同的故障作出不同的動(dòng)作，短路直接執行速斷，其它的故障會(huì )有一定時(shí)間延時(shí)，根據故障不同，延時(shí)上會(huì )有一些差別。整體的軟件流程圖如圖6所示。

5 總結

　　本文介紹了一個(gè)基于STM32的電機保護裝置，通過(guò)對三相電機的電壓電流進(jìn)行采樣，然后將采樣信號分解為對稱(chēng)分量(正、負序)及同向的零序分量，使用對稱(chēng)分量法分析電機的工作狀態(tài)。這套系統實(shí)現了人計交互，而且可以與MODBUS主機通信，可以遠程配置和查看工作狀態(tài)，方便了設備的調試安裝。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第64頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。