张石， 张洪嘉， 朱世鹏， 袁程磊

(东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳　110819)



基于STM32F103的智能电机保护器的设计

张石， 张洪嘉， 朱世鹏， 袁程磊

(东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110819)

介绍了一种基于STM32F103单片机的智能电机保护器，说明了主要模块的硬件设计和软件设计流程。保护器在对电机的电流和电压的准确测量的基础上，实现了完善的电机故障保护；支持电机的多种启动方式；具有CAN通信功能，可远程监测。实践表明，智能电机保护器对电机起到了很好的保护作用。

STM32F103；电机保护器；ADE7878；CAN通信；反时限过流

0　引　言

由于生产自动化水平的提高，电机会频繁的切换于起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等状态。此外，由于电力技术的进步，电动机在较小的体积下被设计成更大功率，导致电动机热容量减小，过负荷能力减弱。以上情况对电动机保护器提出了更高的要求。目前市场上主流的数字电机保护器较之传统的模拟式电机保护器有了质的飞跃，但仍存在种种不足，比如，测量的精确度和实时性还有待改善，启动方式不够多样化，有待于工业总线连接，实现网络化。针对以上需求，提出了一种高测量精度，支持多种电机启动方式，具有CAN通信功能的电机保护器[1]。

1　基本原理

智能电机保护器的系统框图如图1所示。电机参数测量控制部分由电压电流信号调理模块、信号测量模块、主控制器模块、开关量输入输出模块、模拟量输出模块、远程通信模块组成。电机参数显示部分为即插即用设备，通过RS-232串口与主控制器通信以完成电机参数的显示和设置。

图1　系统框图

电机信号经调理和测量后，三相电压、三相电流和零序电流的有效值分别为UA、UB、UC、IA、IB、IC、I0。UPav为三相电压平均值，Ie为额定电流。故障检测方法如下[2-3]：

(1)过载：当I>1.2Ie时，表示过载，根据反时限原则进行延时保护；

(2)欠载：当I>0.8Ie时，表示欠载；

(3)三相不平衡：按照IEEE Std．112—1991定义，相电压不平衡率(PVUR112)：

PVUR112=

(1)

当PVUR112>20%时，则表示三相电压不平衡。

(4)断相：当IA、IB、IC<0.2UPav时，则表示断相；

(5)过压：当Umax

(6)欠压：当Umin>U时，表示欠压。Umin为欠压阈值；

(7)漏电：当100 mA

以上故障的判定均需满足故障条件并达到对应的故障动作时间，才执行保护动作。

过载保护遵循了反时限原则，即电流越大，保护时间越短。反时限过载保护特性曲线的数学表达式为:

(2)

其中C为反时限特性常数。k为反时限常数。通过调整C和k的值，便可得到满足不同电机对反时限特性的需求。只有当I>Ie时，t为正，才有可能进行保护动作。

考虑到不同时刻的故障电流并不相同，所以采用积分形式进行反时限过载保护的判定。将式(2)改写成:

(3)

其中等式右侧的积分表示了电流造成的热累积，当大于k时，进行保护动作。式(3)充分考虑了故障中电流的变化情况。由于单片机只能处理离散数据，再将式(3)离散化后，就可应用于反时限的微机算法中。式(3)离散化后得:

(4)

其中T为电流采样间隔时间。M为保护动作时的求和次数。

2　硬件设计

2.1电压电流信号调理

图2　电压信号调理电路

图3　电流信号调理电路

信号调理电路负责将电机三相电压，三相电流和零线电流调理为弱电信号。其中，电压信号采用电流互感器隔离输入，电压信号调理电路如图2所示。以A相为例，电流互感器的变比为6 mA∶6 mA,故电压变比为R5∶R7//(R6+R8)，调整比值可实现不同的量程。

电流信号调理电路如图3所示。电流互感器的变比为18 A∶6 mA。次级电流流经R2和R4组成的回路，输出差模电压信号。

2.2信号测量

信号测量采用美国ADI公司的一款三相电能计量芯片ADE7878。它内置7个Σ-Δ型ADC，可实现三相三线(角接)、三相四线(星接)计量方式。电压和电流的有效值和功率精度在1 000∶1动态范围下小于0.1%。超越了工业上对电能计量0.2级表的精度和动态范围要求。内置DSP可完成基波有功和无功功率、总(基波和谐波)有功和无功功率、电流和电压有效值计算[4]。

ADE7878电路图如图4所示。电流信号以差分形式送入IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN、INP、INN,电压信号以单端形式送入VAP、VBP、VCP。ADE7878通过SPI接口将数据传输给主控制器，IRQ0和IRQ1是用于故障报警的中断请求引脚。

图4　ADE7878电路图

2.3主控制器

主控制器负责保护算法运算，发出保护动作指令，CAN通信等。我们采用了意法半导体的STM32F103系列的单片机，此系列单片机采用ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，最高工作频率为72 MHz，内置高速存储器，具有丰富外设资源：DAC、SPI、USART和CAN等。在运算速度和存储容量上满足要求，丰富的外设也简化了系统的硬件设计[5]。

2.4开关量输入输出

图5　开关量输出电路

图6　开关量输入电路

开关量输出电路如图5所示。单片机输出经施密特触发器和光耦隔离后控制继电器输出。通过继电器控制接触器来控制电机。共提供4路可编程输出，可搭配软起动器，变频起动器等，以实现多种启动方式。

开关量输入电路如图6所示。外部开关信号经光耦隔离和施密特触发器整形送入单片机。开关量输入可用于监测接触器状态是否正常。

2.5CAN通信和4 mA～20 mA变送模块

CAN总线是被广泛应用的现场总线，采用短帧格式，结合CRC校验，最远通信距离可达10 km，最高通讯速率可达1 Mbps。由于主控制器STM32F103集成了CAN控制器，所以只需要添加CAN收发器即可实现CAN通信。CAN收发器选用广州致远电子有限公司的高速CAN隔离收发器CTM1050T，符合ISO11898标准，具有2 500 V直流隔离能力和ESD保护作用。

4 mA～20 mA模拟量是工业现场常用的一种通信方式。采用AME公司的一款电压电流变送集成芯片AM462，用主控制器内部DAC生成电压，经AM462转换为4 mA～20 mA电流输出。

3　软件设计

系统软件采用嵌入式C语言进行模块化设计。主要由电机参数测量控制板程序，电机参数显示板程序，上位机程序组成。

3.1电机参数测量控制板程序

图7　主控程序流程图

电机参数测量控制板的程序流程图如图7所示。开始时，电机参数测量控制板从EEPROM读取参数，然后对电机参数进行采集，判断故障并实施保护，与上位机和电机参数显示板通讯，发送电机参数并接收指令，执行相应的指令后回到参数采集。

3.2电机参数显示板程序

电机参数显示板通过串口与电机参数测量控制板进行通信，将读回的电机参数进行显示，通过键盘可设置电机保护参数，并通过串口传回电机参数测量控制板。

3.3上位机程序

PLC和PC机均可作为上位机。上位机通过CAN总线控制电机参数测量控制板，通过上位机可以查看联网的电机参数，控制电机的运转。

4　测试结果与精度

表1测试了三相电压的有效值,表2测试了三相电流的有效值。由表中数据可看出，在10%～120%的额定电压和额定电流范围内的精度满足0.2级。

表1　电压测试结果

表2　电流测试结果

5　结束语

基于STM32F103的智能电机保护器充分的运用了STM32F103的资源和ADE7878的高精度特性，构成了一个集成度高、功能完善、性能优良的实用系统。为实现电机保护和控制装备低成本开发和更新换代提供了一条切实可行的途径。

[1] 赵荣祥,钱昊,陈潼.基于PIC单片机的智能电机保护器[J].工程设计学报,2005,12(2):89-92.

[2] 徐厚东,黄益庄,付铭. 微机反时限过流保护算法[J].清华大学学报:自然科学版,2006,46(1):1-4.

[3] 周林,张永玉,刘强，等．三相不平衡算法的比较研究[J]华东电力,2010,38(2):210-215.

[4] ADE7878 datasheet. Poly phase multifunction energy metering IC with per phase information[K].Analog Device,Inc.,USA,2009.

[5] 刘火良,杨森. 单片机与嵌入式:STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社,2013.

Design of an STM32F103-based Intelligent Motor Protector

ZHANG Shi，ZHANG Hong-jia，ZHU Shi-peng，YUAN Cheng-lei

(School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819, China)

This paper introduces an intelligent motor protector based on STM32F103 microcontroller and explains hardware design and software design flow of main modules. Based on accurate measurement of the current and voltage of the motor, the protector realizes perfect motor protection against malfunction. It supports multiple start-up modes of the motor, and has CAN communication function for remote monitoring. Practical application indicates that this intelligent motor protector can achieve good motor protection.

STM32F103; motor protector; ADE7878; CAN communication; inverse time over-current

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.037

TM307

A

1000-3886(2016)01-0116-03

张石(1963- )，男，沈阳人，教授。研究方向为嵌入式系统技术及数字信号处理。

定稿日期: 2015-03-20