基于STM32的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了電機(jī)保護(hù)的一些理論和電機(jī)故障檢測方法。使用對稱分量法，基于STM32設(shè)計(jì)了一個(gè)微機(jī)電機(jī)保護(hù)裝置，可以智能檢測電機(jī)工作狀態(tài)，并顯示電機(jī)主要的電氣參數(shù)。介紹了裝置的主要硬件組成及各組成部分實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)合軟件流程圖，分析了裝置的內(nèi)部運(yùn)行原理。

引言

　　電機(jī)主要實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，廣泛地應(yīng)用于各種設(shè)備，小到玩具大到飛機(jī)、高鐵、造船工業(yè)、電動(dòng)汽車等，都離不開電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)換效率很高，通常能達(dá)到70%以上。電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原理的不同，轉(zhuǎn)換效率、功率還有應(yīng)用場合都會有差異。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國擁有大中型電機(jī)2000萬臺以上，每年大約有20萬臺以上電動(dòng)機(jī)因?yàn)槎搪?、過載等故障而損壞，大量的人力和物力花費(fèi)在電機(jī)維修上，同時(shí)電動(dòng)機(jī)故障會導(dǎo)致工廠停產(chǎn)，甚至?xí)l(fā)一些其它的安全事故。

　　電機(jī)保護(hù)發(fā)展由以熔斷器、接觸器和熱繼電器構(gòu)成的簡單的過流保護(hù)系統(tǒng)^[1-2]到晶體管型，再到集成電路型的電子式保護(hù)系統(tǒng)，而現(xiàn)在則是基于微機(jī)技術(shù)的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，通過一個(gè)嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測和保護(hù)。電機(jī)保護(hù)的理論除了常規(guī)的保護(hù)理論，還有對稱分量法電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論^[3]和基于信號處理方法的電機(jī)保護(hù)理論。常規(guī)的電機(jī)保護(hù)理論根據(jù)過流保護(hù)的基本原理，就是以電流幅值作為故障依據(jù)，從原理上反映對稱故障，對其它不對稱的電機(jī)故障無法及時(shí)檢測并進(jìn)行保護(hù)^[4]。對稱分量法可以根據(jù)發(fā)生不對稱故障時(shí)的電流分量來判斷電動(dòng)機(jī)的故障，電動(dòng)機(jī)電流可以分解為正序、負(fù)序和零序電流分量，電機(jī)的故障類型與電動(dòng)機(jī)的各序電流之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此，這一原理廣泛應(yīng)用于一系列的微機(jī)型電機(jī)保護(hù)裝置中。先進(jìn)信號處理方法主要是基于以前的電機(jī)保護(hù)理論，使用更強(qiáng)的微機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)用現(xiàn)代的信號處理理論，能夠更快、更準(zhǔn)確地判斷故障并作出反應(yīng)。從電流和電壓中提取有用的電參數(shù)，基于傅立葉變換，通過頻域分析電動(dòng)機(jī)故障，適合處理一些特征性的電機(jī)故障，捕捉速度異常的快。而且現(xiàn)在正朝著智能化、數(shù)字化的趨勢發(fā)展。

1 電機(jī)保護(hù)故障分析

　　電動(dòng)機(jī)燒毀的原因有很多，像電流過載、三相不平衡、負(fù)載荷不均勻等都可能導(dǎo)致電機(jī)短路、過負(fù)載斷相等故障。一般將電機(jī)的電氣故障分為對稱和不對稱兩類。對稱故障主要包括堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這些故障通常會導(dǎo)致電機(jī)過熱燒壞。由于對稱故障的電流變化都很大，因此，這類故障可以通過電流的幅值變化檢測出來。不對稱故障主要是斷相、逆相、相間短路等，不對稱故障不但會造成電機(jī)發(fā)熱還會引起負(fù)序效應(yīng)，對電動(dòng)機(jī)的損害更大^[5]。電機(jī)保護(hù)分為電流速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、零序保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、低壓保護(hù)、PT斷線保護(hù)和過電壓保護(hù)。表1列出了電機(jī)故障類別和主要特征。

2 關(guān)鍵電氣參數(shù)采樣和處理算法

　　電機(jī)保護(hù)的核心是算法，首先要采樣一些電流電壓的數(shù)據(jù)，接著通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)地采樣交流模擬信號，再經(jīng)過微機(jī)系統(tǒng)對數(shù)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(tǒng)使用的是均方根算法。

　　兩點(diǎn)采樣算法是基于正弦函數(shù)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(shù)。同樣的還可以得到有功功率、視在功率以及功率因數(shù)等。

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

3 電機(jī)保護(hù)裝置的硬件框架圖

　　電機(jī)保護(hù)裝置主要測量電機(jī)電路中的電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)等電機(jī)參數(shù)，對電機(jī)參數(shù)通過算法處理，得到三相電流的正序、負(fù)序和零序電流。根據(jù)電流序就可以判斷出電機(jī)的故障。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)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(diào)理單元和核心處理控制單元。

　　整個(gè)系統(tǒng)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，可以滿足大量數(shù)據(jù)處理的要求。內(nèi)部的資源非常豐富，有片內(nèi)AD、串口等。電機(jī)保護(hù)裝置中主要用到了STM32F407的片內(nèi)AD和串口，鍵盤輸入、電機(jī)邏輯控制輸出以及LCD都是使用普通IO口來驅(qū)動(dòng)。核心處理單元主要完成模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，以及對信號進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)算法，判斷電機(jī)工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)地通過LCD顯示出來。配置電機(jī)保護(hù)裝置主要通過按鍵輸入，通過按鍵來配置參數(shù)，STM32F407會將配置參數(shù)保存到片內(nèi)的FLASH，每次開機(jī)啟動(dòng)時(shí)會重新加載配置參數(shù)。此外，這套系統(tǒng)還支持MODBUS/RTU，可以通過MODBUS主機(jī)訪問系統(tǒng)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(shù)。并可以通過MODBUS主機(jī)來配置一些虛擬的系統(tǒng)寄存器，里面存儲了配置參數(shù)。大大增強(qiáng)了這個(gè)裝置的交互能力。

　　第一版電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)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(shè)計(jì)了可以同時(shí)保護(hù)兩路三相交流電機(jī)，下板有2排接線柱，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(yù)留了一路繼電器。下板包括電源(DC-DC)、繼電器驅(qū)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)來的7路電壓信號由OPA2171放大濾波，調(diào)理到0~2.5V的范圍，由采樣保持電路LF398鎖存，然后通過接線柱連接到上板，將調(diào)理過后的信號輸出到STM32F407。

　　主控板上板包括D-Sub接口、LED狀態(tài)顯示燈、LCD、按鍵擴(kuò)展接口和核心處理單元STM32F407VGT6。D-sub接口為RS232和RS485通信接口，RS232可以用來下載程序，而RS485為MODBUS-RTU從機(jī)接口。如圖5為RS485的接口電路，使用MAX491將電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。狀態(tài)顯示燈可以顯示目前兩路電機(jī)的工作狀態(tài)，上下各9個(gè)燈可以顯示電機(jī)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(kuò)展接口用于擴(kuò)展人機(jī)交互板。

　　第三部分為鍵盤和LCD人機(jī)交互板，主要用來配置參數(shù)，顯示工作狀態(tài)和各相電壓電流參數(shù)。第一版的人機(jī)交互板只預(yù)留了接口，沒有進(jìn)行調(diào)試。

4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置軟件設(shè)計(jì)

　　電機(jī)保護(hù)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(shù)據(jù)采集和故障判斷，第三階段是故障處理。電機(jī)保護(hù)的處理程序首先是對外設(shè)進(jìn)行初始化，包括IO、LCD、串口、定時(shí)器、片內(nèi)AD等，接著從STM32F407VGT6中的片內(nèi)FLASH讀取配置參數(shù)，配置保護(hù)裝置的運(yùn)行參數(shù)。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(jī)。然后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中完成數(shù)據(jù)采樣、計(jì)算和故障判斷，將各種故障分門別類地進(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(jì)算，在發(fā)生故障時(shí)迅速輸出保護(hù)控制。主要處理的故障類型為短路、啟動(dòng)時(shí)間長、堵轉(zhuǎn)、負(fù)序過流、零序過流、過負(fù)荷、低壓等，針對不同的故障作出不同的動(dòng)作，短路直接執(zhí)行速斷，其它的故障會有一定時(shí)間延時(shí)，根據(jù)故障不同，延時(shí)上會有一些差別。整體的軟件流程圖如圖6所示。

5 總結(jié)

　　本文介紹了一個(gè)基于STM32的電機(jī)保護(hù)裝置，通過對三相電機(jī)的電壓電流進(jìn)行采樣，然后將采樣信號分解為對稱分量(正、負(fù)序)及同向的零序分量，使用對稱分量法分析電機(jī)的工作狀態(tài)。這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人計(jì)交互，而且可以與MODBUS主機(jī)通信，可以遠(yuǎn)程配置和查看工作狀態(tài)，方便了設(shè)備的調(diào)試安裝。

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