基于STM32的低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

王楠楠，劉春英

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038）

“晃電”是指電網(wǎng)因雷擊、短路、發(fā)電廠故障及其他外部、內(nèi)部原因造成電網(wǎng)短時(shí)間電壓大幅度波動(dòng)、甚至短時(shí)斷電數(shù)秒的現(xiàn)象；“晃電”會(huì)使系統(tǒng)電壓瞬間降低，導(dǎo)致接觸器、變頻器及斷路器等控制設(shè)備脫扣，造成能源供應(yīng)中止或生產(chǎn)線停產(chǎn)[1]。企業(yè)中，大量低壓電動(dòng)機(jī)由接觸器來控制，供電系統(tǒng)短暫失壓將會(huì)使接觸器因失電脫扣，導(dǎo)致電機(jī)停機(jī)?；坞娊Y(jié)束后，電網(wǎng)電壓恢復(fù)，電機(jī)需人工啟動(dòng)，大量時(shí)間被延誤。給企業(yè)造成了相當(dāng)大的直接、間接的經(jīng)濟(jì)損失。

本文針對(duì)交流接觸器控制的電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32微控制器和MODBUS協(xié)議的低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器。根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)回路采用不同的接線方式，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的再起動(dòng)控制，有效避免了晃電對(duì)企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的影響。

控制器充分利用STM32微處理器豐富的片上資源和強(qiáng)大的處理功能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確、安全再啟動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前電壓值；以RS485為物理層，通過MODBUS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化控制以及網(wǎng)絡(luò)化管理。

1 工作原理

1.1 控制器原理

低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器供電電路引自交流接觸器控制電路L、N端，并通過控制器的輸出控制端檢測(cè)接觸器KM常開輔助觸點(diǎn)狀態(tài)，從而判斷晃電發(fā)生情況。

現(xiàn)場(chǎng)電路供電正常時(shí)，控制器電源電路中設(shè)計(jì)法拉電容作為儲(chǔ)能元件，發(fā)生晃電時(shí)，電容放電供控制器工作，可維持工作時(shí)間300 s。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生晃電時(shí)，交流接觸器KM的線圈失電，接觸器KM主觸點(diǎn)斷開，正在運(yùn)行的電機(jī)停機(jī)。同時(shí)接觸器KM常開輔助觸點(diǎn)斷開，控制器啟動(dòng)計(jì)時(shí)?？刂破鲗?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓，根據(jù)電壓恢復(fù)情況控制電機(jī)：如果電網(wǎng)電壓在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的某一時(shí)刻開始恢復(fù)正常，此時(shí)開始，根據(jù)工藝流程要求，控制器延時(shí)控制相應(yīng)繼電器閉合，接觸器KM線圈得電，KM主觸頭閉合，因電網(wǎng)晃電造成停機(jī)的電機(jī)再啟動(dòng)；如果在允許時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)電壓沒有恢復(fù)正常，則控制器相應(yīng)繼電器不動(dòng)作，線路保持?jǐn)嚅_，電機(jī)由其它方式再啟動(dòng)。

1.2 工作方式

控制器設(shè)計(jì)了兩路繼電器控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)再啟動(dòng)方式要求，來控制繼電器J1和繼電器J2狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同方式的電機(jī)再啟動(dòng)，如星三角啟動(dòng)回路或降壓?jiǎn)?dòng)回路的電機(jī)再起動(dòng)。

控制器通過RS485總線可以和上位機(jī)進(jìn)行雙向通信。上位機(jī)可以對(duì)接觸器狀態(tài)及抗晃電時(shí)間等進(jìn)行遙控和查詢；上位機(jī)有要求時(shí)，控制器可以將接觸器當(dāng)前狀態(tài)、晃電時(shí)間、有無晃電現(xiàn)象等信息上傳至上位機(jī)。

2 控制器硬件電路設(shè)計(jì)

控制器由電源電路、STM32微處理器、電壓監(jiān)測(cè)、繼電器、按鍵輸入、顯示、485通信模塊組成?？刂破饔布驁D如圖1所示。

圖1 硬件框圖Fig.1 Block diagram of hardware devices

控制器4個(gè)輸入按鍵包括復(fù)位鍵、功能選擇鍵、位選擇鍵、加1/確認(rèn)功能鍵；數(shù)碼管顯示晃電時(shí)間、電網(wǎng)電壓等。通信模塊實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)通信。

2.1 STM32微處理器

STM32系列32位閃存微控制器使用來自ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求[2]。

控制器以32位STM32F103RBT6為核心處理器，性能高、功耗低。片上集成128 K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，2個(gè)12位μs級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器，3個(gè) USART接口。微處理器基于Cortex-M3 CPU，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，單周期32位乘法和硬件除法器，大幅提高Cortex-M3運(yùn)算能力。

編程時(shí)，應(yīng)用STM32固件函數(shù)庫(kù)，可以大大降低編寫程序的時(shí)間，降低成本。

2.2 電源電路

控制器由電網(wǎng)交流低壓經(jīng)過開關(guān)電源變換輸出電壓供電?！盎坞姟痹賳?dòng)控制器必須能夠在系統(tǒng)供電出現(xiàn)低電壓或者供電中斷時(shí)維持正常連續(xù)工作，才能夠在電壓恢復(fù)后按設(shè)定的參數(shù)精確再啟動(dòng)[3]。電壓電路原理圖如圖2所示，圖中法拉電容C2、C4的作用為晃電時(shí)，作為維持控制器工作的電源；D2、D3、D4功能為防止法拉電容向開關(guān)電源供電，損壞開關(guān)電源；R1用來限制法拉電容的充電電流。

圖2 電源電路Fig.2 Power circuit

2.3 電壓監(jiān)測(cè)

控制器通過監(jiān)測(cè)接觸器常開輔助觸點(diǎn)判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通過L、N兩端電壓監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓恢復(fù)情況，控制電機(jī)再啟動(dòng)。電壓監(jiān)測(cè)電路如圖3所示，電壓互感器T1輸出電流，經(jīng)R2輸出電壓，D7、D8兩個(gè)保護(hù)二極管與1.5 V基準(zhǔn)電壓，保證電壓互感器輸出電壓UA在0.8～2.2 V，在處理器A/D的線性工作范圍內(nèi)；R10、C52低通濾波，R9吸收特高頻信號(hào)，便于諧波分析；D5、D6組成鉗位電路，防止A/D輸入信號(hào)過小或過大燒壞芯片。

圖3 電壓監(jiān)測(cè)電路Fig.3 Voltage monitoring circuit

2.4 繼電器控制

繼電器控制電路中采用光耦合器實(shí)現(xiàn)控制電路與現(xiàn)場(chǎng)電路電氣隔離，同時(shí)保持信號(hào)聯(lián)系。如果電網(wǎng)電壓在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，STM32控制對(duì)應(yīng)輸出端口，光耦合器3腳輸出高電平，R8防止光耦合器截止時(shí)，三極管基極下拉至地，保證三極管截止，通過限流電阻R6給三極管發(fā)射結(jié)提供靜態(tài)偏置，三極管處于飽和狀態(tài)，控制繼電器閉合，線路閉合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)再啟動(dòng)；如果電網(wǎng)電壓沒有恢復(fù)正常，則繼電器保持?jǐn)嚅_，電機(jī)由其它方式再啟動(dòng)。D10為續(xù)流二極管，C5為濾波電容。繼電器控制電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路Fig.4 Relay controlling circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件設(shè)計(jì)決定電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)精確、安全的再啟動(dòng)。通信協(xié)議選擇決定上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性?？刂破鬈浖O(shè)計(jì)包括MODBUS協(xié)議選擇、通信命令格式、電機(jī)再啟動(dòng)控制程序。

3.1 MODBUS協(xié)議選擇

MODBUS協(xié)議是應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域中的一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，通過該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備可以連接成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集散控制。RS485總線通信方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通信距離較遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)[4]。

標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議有2種工作模式：ASCII模式和RTU模式。由于在同樣的波特率下，RTU模式比ASCII模式能夠傳送更多的數(shù)據(jù)[5]，因此控制器采用RTU模式來實(shí)現(xiàn)MODBUS通信協(xié)議。

RTU消息幀典型格式如表1所示。采用RTU模式通信時(shí)，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定消息的結(jié)束。

表1 RTU消息幀Tab.1 RTU message frame

3.2 MODBUS通信命令格式

MODBUS通信采用主從方式，在同一網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)和從機(jī)必須都采用統(tǒng)一通信模式和同一傳輸速率。

控制器與上位機(jī)通信包括最近一次晃電開始時(shí)間、晃電結(jié)束時(shí)間，因晃電停機(jī)電機(jī)是否由控制器重啟，控制器參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)供電時(shí)重啟電機(jī)及對(duì)時(shí)等信息。

如1號(hào)控制器記錄最近一次晃電發(fā)生時(shí)間為2014年2月12日6時(shí)25分37.55秒，結(jié)束時(shí)間為2014年2月12日6時(shí)25分37.98秒。時(shí)間在4個(gè)寄存器中，用毫秒方式表示，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制，則上述發(fā)生時(shí)間存儲(chǔ)為：07de 020c 0619 92ae。寄存器首地址為01H，上位機(jī)讀寄存器功能碼為03H，控制器1返回晃電發(fā)生和結(jié)束時(shí)間，則命令格式為

上位機(jī)發(fā)送：0x01 0x03 0x00 0x01 0x00 0x08 0x1d 0x14

控制器 1返回：0x01 0x03 0x10 0x07 0xde 0x02 0x0c 0x06 0x19 0x92 0xae 0x07 0xde 0x02 0x0c 0x06 0x19 0x94 0x5c 0x07 0x5a

上位機(jī)對(duì)時(shí)命令，保證現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)設(shè)備時(shí)鐘一致。對(duì)時(shí)命令以廣播方式發(fā)送，功能碼為10H，寄存器首地址為40H。如果統(tǒng)一對(duì)時(shí)時(shí)間為2014年2月13日8時(shí)10分20.20秒，則命令格式為

上位機(jī)發(fā)送：0x00 0x10 0x00 0x40 0x00 0x04 0x08 0x07 0xde 0x02 0x0d 0x08 0x0a 0x4e 0xe8 0x10 0x23

上位機(jī)發(fā)送對(duì)時(shí)命令后，現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)中所有從機(jī)設(shè)備如控制器1按命令設(shè)置控制器時(shí)間。

1號(hào)控制器重啟晃電后停機(jī)的電機(jī)，則首地址00H寄存器值為01，否則為00，則當(dāng)重啟后上位機(jī)查詢時(shí)，命令格式為

上位機(jī)發(fā)送：0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x01 0x0a 0x84

控制器 1返回：0x01 0x03 0x02 0x00 0x01 0x84 0x79

3.3 再啟動(dòng)控制程序

再啟動(dòng)控制包括3個(gè)模塊：電機(jī)掉電判斷及再啟動(dòng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓，微處理器采樣中斷功能可保證實(shí)時(shí)性；人機(jī)交互模塊。電機(jī)再啟動(dòng)控制部分流程如圖5所示?？刂破髦饕鶕?jù)接觸器輔助觸點(diǎn)判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化，根據(jù)掉電后電網(wǎng)電壓恢復(fù)情況和現(xiàn)場(chǎng)線路設(shè)計(jì)，控制繼電器動(dòng)作。

圖5 再啟動(dòng)控制流程圖Fig.5 Flow chart of restarting controlling

4 典型控制接線應(yīng)用

控制器可以實(shí)現(xiàn)不同接線方式電機(jī)再啟動(dòng)，以星-三角接線再啟動(dòng)為例，介紹控制器控制接線應(yīng)用，接線圖如圖6所示。

圖6 再啟動(dòng)控制接線圖Fig.6 Wiring chart of restarting controlling

控制器通過監(jiān)測(cè)接觸器KM3輔助觸點(diǎn)狀態(tài)判斷是否有晃電現(xiàn)象發(fā)生。再啟動(dòng)控制過程為：如果ZJ釋放，控制器輸出再啟動(dòng)信號(hào)，繼電器J1線圈得電，KM3線圈得電主觸頭閉合，同時(shí)時(shí)間繼電器SJ得電延時(shí)，KM1線圈得電主觸頭閉合，電機(jī)以星形接線啟動(dòng)；SJ延時(shí)到，SJ常開觸點(diǎn)閉合，繼電器ZJ線圈得電，KM3線圈失電，KM2線圈得電主觸頭閉合同時(shí)SJ線圈失電，KM1線圈不斷電，電機(jī)以三角形接線運(yùn)行。

5 結(jié)語

控制器采用STM32作為核心處理器，充分利用其豐富的片上資源和高速處理能力，準(zhǔn)確測(cè)量電網(wǎng)電壓，精確定時(shí)再啟動(dòng)因晃電停機(jī)的電機(jī)。通過RS485總線與上位機(jī)通信，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)的智能化控制?？刂破魍瓿珊?，已成功應(yīng)用于某些連續(xù)生產(chǎn)的煤化工企業(yè)中，有效防止因電網(wǎng)晃電而造成的電機(jī)停機(jī)事故。

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