基于STM32的智能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)
電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中*主要的驅(qū)動源，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，對工廠整體電網(wǎng)的運(yùn)行十分關(guān)鍵。

電動機(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)簡單，在保護(hù)電動機(jī)過載方面具有反時(shí)限特性。但它的保護(hù)功能少，無斷相保護(hù)，對電機(jī)發(fā)生通風(fēng)不暢、掃膛、堵轉(zhuǎn)、長期過載、頻繁啟動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)境溫度影響而誤動或拒動、功耗大、耗材多、性能指標(biāo)落后等缺陷。

為響應(yīng)國家節(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。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)試簡單、生產(chǎn)及社會效益高等優(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：起動超時(shí)、過載、堵轉(zhuǎn)、缺相、不平衡、過熱、欠載、過壓、欠壓等。因此智能保護(hù)器需要監(jiān)測電機(jī)的工作電壓、工作電流和機(jī)殼溫度。

同時(shí)，由于電機(jī)的類型、容量和負(fù)載類型不同，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。

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*新推出的STM32F103xD系列ARM芯片。

該系列芯片采用ARM公司32位的C0rtexM3為核心，*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，*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)模擬量來對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)。

電流傳感器類型眾多，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型電阻，同時(shí)為了提高電壓采集回路的過電壓能力，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*高耐壓。

溫度傳感器采用常見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)有對應(yīng)的熱電阻信號調(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，用于檢測保護(hù)器內(nèi)的溫度，從而防止由于系統(tǒng)過熱而導(dǎo)致控制出錯(cuò)。

2．3 液晶顯示

對于獨(dú)立應(yīng)用的電機(jī)保護(hù)器，需要能夠設(shè)置保護(hù)參數(shù)，顯示當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)候還需要顯示故障類型。因此電機(jī)保護(hù)器需要有顯示單元。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用點(diǎn)陣形式STN黑白液晶顯示(LCD)模塊，相比TFT彩色LCD模塊，具有使用溫度范圍寬、壽命長、強(qiáng)光下仍可以閱讀的優(yōu)點(diǎn)。

LCD模塊內(nèi)置的控制器采用的并行數(shù)據(jù)通訊接口，包括數(shù)據(jù)總線、讀寫控制線、器件選通和復(fù)位引腳。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，使用STM32F103xD芯片的多功能靜態(tài)存儲器控制器(FSMC)與LCD模塊相連。

STM32F芯片的FSMC模塊是一個(gè)支持靜態(tài)存儲器(SRAM)、NORF1ash和PSRAM的多功能靜態(tài)存儲器控制器。可以支持8位或者16位寬度的存儲器。

LCD模塊的訪問時(shí)序與SRAM的相同，而且可以通過配置引腳選擇為8080或者6800類型的接口時(shí)序。圖2是STM32芯片的FSMC接口與LCD的電氣連接，這里的液晶是采用的8080接口時(shí)序。

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