基于ARM Cortex-M3的電機(jī)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

侯青祥，溫宗周（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

大型三相電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中起到舉足輕重的作用,但是由于電網(wǎng)、負(fù)載及電機(jī)本身的問題，電動機(jī)運行時會出現(xiàn)短路、斷相、過壓、欠壓、過載等故障[1]。為保證電動機(jī)正常工作,需要對其運行系統(tǒng)進(jìn)行電氣保護(hù)。目前，傳統(tǒng)的8/16單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于電氣保護(hù)中。但是它們僅僅具有基本的測量控制功能,在人機(jī)對話、數(shù)據(jù)查詢、故障顯示等方面能力有限,缺少必要的網(wǎng)絡(luò)通訊功能[2]。如果將網(wǎng)絡(luò)通訊以及故障記錄技術(shù)加入到電機(jī)保護(hù)中，可以給電機(jī)的保護(hù)帶來意想不到的效果，節(jié)省大量的成本。

TI公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3的微控制器采用ARM可兼容Thumb的Thumb-2指令集來降低內(nèi)存的需求。其中LM3S811控制器有64 KB的Flash程序存儲空間、4個10通道、采樣速率為500 000次/s的ADC接口、32個可配置的 GPIO(其數(shù)目取決于配置)，極大地方便了后期軟件的編寫[3]。本文采用LM3S811為運算核心，研制了一種可以對電機(jī)過載、短路、漏電、缺相及過熱故障進(jìn)行檢測保護(hù)的智能電機(jī)保護(hù)器。另外采用EEPROM技術(shù)記錄電機(jī)故障，用485組網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

1 硬件部分設(shè)計

除電機(jī)故障數(shù)據(jù)的采集模塊、電機(jī)保護(hù)動作、按鍵、LCD顯示和故障指示模塊之外，還擴(kuò)展了485通訊電路和EEPROM存儲芯片，實現(xiàn)了對電機(jī)的保護(hù)、故障記錄以及與上位機(jī)的通訊。

(1)系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

(2)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要對三相電機(jī)的線電壓、線電流等參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)過濾波、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路處理后，送入ARM控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。北京世特美測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電流傳感器SN1T、電壓傳感器SK1T、漏電流傳感器選用TE5D_C5V6可以將電機(jī)的三相電壓與電流信號進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，信號變換后能夠直接被LM3S811的A/D采集模塊直接采集。數(shù)據(jù)采樣電路整體模塊圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采樣電路整體模塊圖

(3)動作電路模塊

因為單片機(jī)的電壓低于5 V時，驅(qū)動電流只有十幾mA，而電機(jī)的工作電壓在380 V時，電流可達(dá)到5 A～20 A，二者在電壓和驅(qū)動電流上存在很大的差別[4]。所以控制電路與電機(jī)之間需要加緩沖電路，這里采用光電耦合器件控制繼電器的通合來達(dá)到對電機(jī)電源的控制。當(dāng)出現(xiàn)電流過大、電壓缺相等故障時，控制器可以及時地輸出控制信號，使電機(jī)跳閘，同時發(fā)出報警信號，避免電機(jī)產(chǎn)生更大的損壞。

(4)溫度傳感器

LM3S811內(nèi)部集成有一個10 bit的ADC模塊溫度傳感器，可以用來獲取當(dāng)前芯片的內(nèi)部溫度。通過不斷地實驗測得芯片溫度與環(huán)境溫度之間的差值，就可以準(zhǔn)確地測量電動機(jī)線圈的溫度。不用再擴(kuò)展別的溫度測量芯片，節(jié)約成本。

(5)通訊與故障數(shù)據(jù)存儲模塊

大型車間有很多臺電機(jī)同時工作，電機(jī)能否正常工作可能影響到整個生產(chǎn)的進(jìn)度，所以需要對其進(jìn)行監(jiān)控。因此電機(jī)保護(hù)器與監(jiān)控中心的通訊方式選擇RS-485，可以實現(xiàn)上位機(jī)與電機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。

同時采用I2C通訊的EEPROM技術(shù)來存儲電機(jī)發(fā)生故障的時間、電流、電壓等參數(shù)，另外還可以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定，斷電后設(shè)定的參數(shù)可以保存下來，不用重新設(shè)定。EEPROM芯片AT24C08的模塊電路如圖3所示。

圖3 EEPROM AT24C08存儲器電路

(6)鍵盤輸入模塊

鍵盤采用獨立連接式非編碼鍵盤，選用3個按鍵開關(guān)，分別連接到LM3S811的3個管腳上，用來實現(xiàn)設(shè)備測量功能的切換、數(shù)據(jù)的設(shè)置與選擇以及復(fù)位等功能。具體電路如圖4所示。

圖4 鍵盤輸入電路

(7)LCD顯示模塊與指示燈報警模塊

選用LCD1602液晶屏顯示當(dāng)前電機(jī)的電壓、電流、溫度、時間以及故障等。并外接6個LED發(fā)光二極管作為檢測電壓、檢測電流、缺相、漏電、正常和通訊狀態(tài)的指示燈。圖5為LM3S811與LCD1602的連接電路圖。

圖5 LM3S811與LCD1602連接電路圖

2 軟件部分設(shè)計

軟件是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)最重要的部分，包括A/D采集程序、保護(hù)動作程序、溫度采集程序、顯示程序、按鍵程序以及通訊程序。程序采用模塊化設(shè)計，可讀性、可移植性強(qiáng)[5]。系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

(1)電流電壓采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序

采集傳感器上的電壓和電流數(shù)據(jù)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若出現(xiàn)故障則切斷電機(jī)的電源，防止發(fā)生事故，并在AT24C08中記錄電機(jī)的工作電壓、工作電流和溫度值等實時數(shù)據(jù)；同時點亮相應(yīng)的故障指示燈，發(fā)出報警。

(2)人機(jī)界面子程序的調(diào)試

LCD顯示屏用來顯示電機(jī)的狀態(tài)以及故障信息。信號指示燈用來指示發(fā)生故障的種類，方便檢測人員處理故障，建立良好的人機(jī)界面。

圖6 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

通過按鍵查詢電機(jī)的溫度、三相電壓和電流，并通過LCD顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對不同數(shù)字參數(shù)值的設(shè)定與修改。

(3)溫度子程序的調(diào)試

溫度的調(diào)試采用芯片內(nèi)部溫度傳感器，因為芯片本身會發(fā)熱，所以需要通過反復(fù)的實驗找到實際溫度與測量溫度之間的差值。通過軟件的方法準(zhǔn)確地測量電機(jī)的發(fā)熱溫度。

溫度測試部分子程序如下所示：

圖7 調(diào)試結(jié)果

調(diào)試結(jié)果如圖7所示。此結(jié)果與溫度計的測試值非常接近。

以上所有程序調(diào)試完畢后，搭建系統(tǒng)程序，進(jìn)行A/D采樣，判斷電機(jī)是否正常運行，若正常則進(jìn)入電機(jī)保護(hù)子程序。在電機(jī)正常運行且沒有按鍵按下的情況下，可以通過按鍵查看電機(jī)的當(dāng)前電流、電壓等值；當(dāng)按鍵動作時，實現(xiàn)相應(yīng)的功能并顯示；當(dāng)電機(jī)有故障時，執(zhí)行電機(jī)動作代碼并顯示故障，指示燈報警。

采用ARM Cortex-M3核的LM3S811控制器、新的溫度采集方法，以及記錄故障數(shù)據(jù)的EEPROM技術(shù)，減少了對外圍電路的投入，把主要精力投入到軟件的編寫中，對電機(jī)的保護(hù)更加合理有效。另外電動機(jī)種類很多，采樣的電流和電壓信號也會有很多的差異。因此可以根據(jù)不同的電動機(jī)來選擇相應(yīng)的傳感器，并串接相應(yīng)的電阻來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，這樣可以滿足在不同場合對不同電動機(jī)的保護(hù)。

[1]余劍，呂福勝.單片機(jī)89C52控制的三相電機(jī)保護(hù)器[J].煤礦電機(jī)，2003（6）：23-25.

[2]萬琰.基于單片機(jī)的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，8(2)：47-48.

[3]YIU J.Cortex-M3技術(shù)參考手冊+Cortex-M3權(quán)威指南[EB/OL].(2011-07-30)[2012-03-20].http：//www.cr173.com/soft/30691.html.

[4]查斌.基于單片機(jī)的電機(jī)軟起動智能控制器研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[5]伊茲科威茲.32位ARM微控制器系統(tǒng)設(shè)計與實踐：基于Luminary Micro LM3S系統(tǒng)工程 Cortex-M3內(nèi)核[M].黃智偉，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.