使用STM32完成智能电机保护器设计方案

发布者:LuckyDaisy最新更新时间:2016-09-02 来源: eefocus关键字:STM32  智能电机  保护器 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
0 引言

电机是工业生产领域中最主要的驱动源,如何有效地监控电机的运行状态,保护电机回路,提高电机的运行时间,减少电机故障,对工厂整体电网的运行十分关键。

电动机保护装置有很多种,目前使用得比较普遍的还是基于金属片机械式的热继电器,它结构简单,在保护电动机过载方面具有反时限特性。但它的保护功能少,无断相保护,对电机发生通风不畅、扫膛、堵转、长期过载、频繁启动等故障也不能起保护作用。此外,热继电器还存在重复性能差、大电流过载或短路故障后不能再次使用、调整误差大、易受环境温度影响而误动或拒动、功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。

为响应国家节能减排的要求,采用基于微控制器的电子式电机保护器替代现有热继电器,具有广大的市场。设计采用集成丰富外设的STM32系列ARM芯片为核心的智能电机保护器,具有响应速度快、附加芯片少、生产调试简单、生产及社会效益高等优点。

1 智能保护器功能及硬件架构

电机运行中主要发生的故障包括:起动超时、过载、堵转、缺相、不平衡、过热、欠载、过压、欠压等。因此智能保护器需要监测电机的工作电压、工作电流和机壳温度。

同时,由于电机的类型、容量和负载类型不同,电机保护的参数也不尽相同,所以需要能够针对不同的电机设置保护参数。

再者,为了使智能保护继电器能够满足当前流行的智能电机控制中心(IMCC)的需求,智能电机保护器还需要具有网络通讯功能。

图1是智能电机保护器的硬件结构框图。

31

 

2 系统硬件设计

2.1 MCU

MCU是电机保护器的核心部分,主要负责数据采集、数据处理、输出控制和参数设置。这里采用的是ST公司最新推出的STM32F103xD系列ARM芯片。

该系列芯片采用ARM公司32位的C0rtex M3为核心,最高主频为72MHz,Cortex核心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元,所以适合用于高速数据的处理。

芯片具有三个独立的转换周期,最低为1μs的高速模数转换器,三个独立的数模转换器带有各自独立的采样保持电路,所以特别适合三相电机控制、电网监测和多参数仪器设备的使用。

芯片还带有丰富的通讯单元,包括多达5个异步串行接口、1个USB从器件、1个CAN器件、I2C和SPI等模块。

2.2 模拟量采集单元

电机保护器主要需要采集电流、电压和温度这三个模拟量来对电机的运行状态进行监测和保护。

电流传感器类型众多,主要包括磁芯电流互感器、霍尔传感器、分流电阻。而电机保护器所连接的电机容量主要以几千瓦至数十千瓦的电机为主,因此电机相电流主要在数安培至几十安培。因此采用电流互感器为电流采集单元,具有量程宽、发热小、隔离电压高等优点。同时在不改变处理电路的参数的同时,采用不同变比的电流传感器可以方便地改变电机保护器的电流检测量程,从而可以方便地用于更大容量的电机保护。

电压直接通过电阻分压获得,因此整个电机控制器是共热地的系统。电阻采用的是高阻抗高耐压类型电阻,同时为了提高电压采集回路的过电压能力,电压分压电路采用多电阻串联形式,从而降低每一个电阻上的额定压降,同时提高整个支路的最高耐压。

温度传感器采用常见的铂电阻传感器或者NTC热敏电阻,保护器硬件上设计有对应的热电阻信号调理电路。由于热电阻都是非线性器件,因此温度采集处理通道都需要进行非线性处理,为了减少硬件电路的复杂程度,因此实际热电阻调理单元只是设计采用一个仪表放大器,而热电阻的非线性处理由MCU完成。另外还有一路MCU芯片内置的半导体温度传感器,用于检测保护器内的温度,从而防止由于系统过热而导致控制出错。

2.3 液晶显示

对于独立应用的电机保护器,需要能够设置保护参数,显示当前的运行状态,当发生故障时候还需要显示故障类型。因此电机保护器需要有显示单元。

系统设计采用点阵形式STN黑白液晶显示(LCD)模块,相比TFT彩色LCD模块,具有使用温度范围宽、寿命长、强光下仍可以阅读的优点。

LCD模块内置的控制器采用的并行数据通讯接口,包括数据总线、读写控制线、器件选通和复位引脚。系统设计时,使用STM32F103xD芯片的多功能静态存储器控制器(FSMC)与LCD模块相连。

STM32F芯片的FSMC模块是一个支持静态存储器(SRAM)、NOR F1ash和PSRAM的多功能静态存储器控制器。可以支持8位或者16位宽度的存储器。

LCD模块的访问时序与SRAM的相同,而且可以通过配置引脚选择为8080或者6800类型的接口时序。图2是STM32芯片的FSMC接口与LCD的电气连接,这里的液晶是采用的8080接口时序。

32

2.4 通讯电路

智能电机控制中心(IMCC)的控制结构大都是总线型分布式网络结构,系统中有中央控制器负责调度和监控所有电机的运行。根据所使用的中央控制器(大多为PLC)的不同,系统的通讯协议有MODBUS、Fieldbus和以太网等。其中最常见的是MODBUS协议。MODBUS协议的物理层是基于RS485的半双工通讯网络,电机保护器在其中是处于从机地位。

由于电机保护器内部是共热地系统,所以RS485远程通讯需要与控制器主回路隔离。对于RS485收发器的隔离,需要对通讯信号和收发器的供电进行隔离。电机保护器的通讯接口设计的通讯波特率最高需要达到57.6kbps,因此需要使用高速光耦或者数字隔离芯片完成对通讯信号的隔离。

数字隔离芯片是一种新型的器件,TI、ADI和Silicon Lab等公司都有推出拥有各自专利的数字隔离器件,但各家芯片的引脚封装和引脚功能大部分都是兼容的,可以直接替换。相对传统的高速光耦,数字隔离器件具有功耗低、传输速率高、兼容3V/5V系统和外设简单等优点。实际连接电路如图3所示。

33

3 系统软件设计

3.1 监控程序

智能电机保护器中,MCU只要完成电流和电压的采样、计算、分析来实现各种保护功能,并且实时显示线路的参数和记录故障状态。

系统软件中,全局监控软件用来循环扫描各个单元子程序的状态,包括模数转换器的数据采样,数据采集完成后对数据进行计算,而后根据计算结果和预先设置的电机参数,结合保护策略判断出当前电机的状态。最后通过LCD显示器和输出控制接口发出相应的状态信息和控制功能。

3.2 ADC的配置和使用

由于电机保护器采集的是50Hz工频电压电流,同时为了能够监测到电网中的高次谐波成分(主要是3次谐波),因此在ADC的采样频率需要设置在工频的整数倍,从而使得采样快速傅立叶(FFT)运算时得到最准确的精度。同时,数据采样时,由于计算功率需要同时采集电压、电流值,因此在系统设计时,将三相的参数分别分配到两个模数转换器,而将温度量放置在第三个模数转换器。所有的模数转换均采用内部定时器中断触发。

对于电压和电流的采集,系统采用同步采样模数,即同时采集同一个通道的电压和电流值;同时在采样通道配置寄存器中,将三个电压电流通道依次排列,使得在一次定时器触发下,一次性完成所有通道的转换。

由于FFT需要一组数据进行计算,所以为了最低程度的CPU干预,系统设计使用了DMA来完成转换结果的传递。程序设计时,需要设置两块数据存放区,用于采样数据的交替存放;同时DMA传递的字节计数的预置值即为傅立叶转换数组长度乘以采集的通道数。

3.3 远程通讯

电机保护器设计为MODBUS从机,所有的电机运行状态、控制状态等参数都是放置在系统约定地址的寄存器中。同时MODBUS从机需要给每一个电机控制器预置一个网络中唯一的从机地址,所以还需要使用按键和LCD屏幕来设置从机地址。

 

4 结语

本文提出一种基于STM32系列新品的智能电机保护器,本设计充分利用了STM32芯片的资源,提供必要的外围器件构成了一个完整的系统。实际应用证明,此系统能有效保护电机,且具有结构简单、功能完善、接口丰富等优点,根据实际需要还可以开发出诸如USB、CAN open等接口,因此此系统可以更广泛地应用于工业生产各个领域。

关键字:STM32  智能电机  保护器 引用地址:使用STM32完成智能电机保护器设计方案

上一篇:基于STM32的红外遥控和解码遥控程序解析
下一篇:uboot在2440上的移植

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 15:07

STM32 ADC 多通道16路电压采集
下面介绍一种利用STM32单片机制作的16路多通道ADC采集电路图和源程序。采用USB接口与电脑连接,实则USB转串口方式,所以上位机可以用串口作为接口。电路图中利用LM324作为电压跟随器,起到保护单片机引脚的作用。直接在电脑USB取点,省去外接电源麻烦,实测耗电电流不到20ma. 1.主控电路图: 2. USB转串口电路图 3.LM324电压跟随器电路图 4. 滤波电路 图 5.16路接口电路图 6.电源电路图 7.16路ADC初始化程序: void Adc_Init(void) { //先初始化IO口 RCC- APB2ENR|=0X7 2; //使能PORTAPORABPORT
[单片机]
<font color='red'>STM32</font> ADC 多通道16路电压采集
STM32的SYS_TICK配置
1、SYS_TICK不属于外设,是内核的一部分,RM0008里面没有关于它的说明。 2、这是一个24位计数器,能够产生内部中断。 3、它的中断不需要配置NVIC属性,就能产生中断。 4、如果需要配置8分频,需要在SysTick_Config()配置之后才能进行配置。
[单片机]
<font color='red'>STM32</font>的SYS_TICK配置
STM32串口通信的原理
通信接口背景知识 设备之间通信的方式 一般情况下,设备之间的通信方式可以分成并行通信和串行通信两种。并行与串行通信的区别如下表所示。 串行通信的分类 1、按照数据传送方向,分为: 单工:数据传输只支持数据在一个方向上传输; 半双工:允许数据在两个方向上传输。但是,在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信;它不需要独立的接收端和发送端,两者可以合并一起使用一个端口。 全双工:允许数据同时在两个方向上传输。因此,全双工通信是两个单工通信方式的结合,需要独立的接收端和发送端。 2、按照通信方式,分为: 同步通信:带时钟同步信号传输。比如:SPI,IIC通信接口。 异步通信:不带时钟同步信号
[单片机]
<font color='red'>STM32</font>串口通信的原理
STM32】通用定时器的基本原理(实例:定时器中断)
STM32F1xx官方资料: 《STM32中文参考手册V10》-第14章通用定时器 STM32的定时器: STM32F103ZET6一共有8个定时器,其中分别为: 高级定时器(TIM1、TIM8);通用定时器(TIM2、TIM3、TIM4、TIM5);基本定时器(TIM6、TIM7)。 STM32的通用定时器 通用定时器功能特点描述 STM32的通用定时器是由一个可编程预分频器(PSC)驱动的16位自动重装载计数器(CNT)构成,可用于测量输入脉冲长度(输入捕获)或者产生输出波形(输出比较和PWM)等。 STM3 的通用TIMx(TIM2、TIM3、TIM4 和 TIM5)定时器功能特点包括: 位于低速
[单片机]
【<font color='red'>STM32</font>】通用定时器的基本原理(实例:定时器中断)
利用STM32 ST-LINK Utility查看内核运行状态
本文围绕STM32 ST-LINK Utility讲几点主要功能及相关拓展知识: 1.STM32编程下载; 2.利用该编程工具查看内核运行状态; 3.Option Bytes选项字配置; 1STM32编程下载 STM32 ST-LINK Utility一个最重要的功能就是对STM32进行编程。支持常见的hex、bin文件,还有早期摩托罗拉定义的srec和s19格式的文件(说实话,我都不了解这两种格式的文件)。 这里主要想提示一下初学者:hex带有地址,而bin文件不带地址,下载时需要填写起始地址。 下面看两张在STM32 ST-LINK Utility中下载选择文件的图大家就明白了。 1.选择hex下载,地址不
[单片机]
利用<font color='red'>STM32</font> ST-LINK Utility查看内核运行状态
static关键字在函数中作用及它所修饰的变量在STM32中储存的位置
static关键字,在我们平常写代码的时候经常用到,特别是在做一些嵌入式编程时时常用到。 static关键字修饰的对象: 1、变量 2、函数 static关键字的作用: 1、在函数体修饰变量时,一个被声明为的static静态变量在这一函数被调用过程中维持其值不变。在下一次调用时,这个值还是维持上次调用结束时的值。 2、在模块内(但在函数体外)修饰变量时,一个被声明为的static静态变量可以被模块内所用函数访问,但不能被模块外其它函数访问。准确地说static关键字在模块内的作用域是从定义之处开始,到文件结尾处结束。它是一个本地的全局变量,当然在函数调用过程中这个变量的值也会维持不变。 3、在模块内修饰函数时,一个被声明为静
[单片机]
基于STM32的全彩LED显示屏系统的设计
  LED显示屏作为一种新的显示器件,近年来得到了广泛的应用。随着技术的不断更新,LED显示屏正朝着全彩化的方向发展。设计了一种LED显示屏控制系统,该系统以ARMCortex-M3内核芯片STM32F103ZET6作为控制中心,以可编程逻辑器件EP1C6完成数据的刷新,通过以太网通信。系统可支持256级灰度全彩LED显示屏的图像、动画的显示,同时能够方便地进行远程控制。   LED显示屏是利用LED点阵模块或像素单元组成的一种现代平面显示屏幕,具有发光效率高、使用寿命长、视角范围大、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。20世纪80年代后期,它在全世界迅速发展起来,并很快成为大屏幕平板显示的代表性主流产品;近年来,随着蓝色
[单片机]
基于<font color='red'>STM32</font>的全彩LED显示屏系统的设计
STM32的GPIO输出编程实例之点亮三色LED
一、概述: 1、发光二极管简介 发光二极管是半导体二极管的一种,可以把电能转化为光能,常简写为LED。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约为5V。它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算: R = (E - UF)/IF 式中E为电源电压,UF为LED的正向压降,IF为LED的一般工作电流。LED广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中,做电源或电平指示。 2、STM32 GPIO简介 GPIO可以配置成以下8种工作模式: 浮空输入:此端口在默认情况下什么都不接,呈高阻态,这种设置在数据传输时用的比较多。 上拉输入:上拉输入模式与浮空输入模式相
[单片机]
<font color='red'>STM32</font>的GPIO输出编程实例之点亮三色LED
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved