马达保护器

保护功能

　　1、过负载和过电流的保护

　　2、缺相保护

　　3、逆相保护

　　4、接地漏电保护

　　5、堵转保护

　　6、相不平衡保护

　　7、短路保护

　　8、过电压保护

　　9、低电压保护

　　10、过热保护

　　11、缺电流保护

　　对于新型号系列的马达保护器增加了马达过热保护和通讯功能，在控制室可以通过控制软件进行0~254的节点上的马达保护器进行远程设置与监测控制。

工作原理

　　马达电机因电性原因出现过负荷、缺相、层间短路及线间短路、线圈的接地漏电、瞬间过电压的流入等造成损坏，或者是由于机械原因，如堵转、电机转动体遇到固体时，因轴承磨损或润滑油缺乏出现热传导现象，损坏电机。由于非正常运行或停止或损坏，会造成生产损失或停止时间内产生的人力损失无法与电机本身更换的费用相提并论，其损失巨大，那么我们就需要对电机进行有效的保护，以便保证生产的正常运行。

　　对于因电性原因出现的故障，无论是过电流还是过电压，其主要是因为电流瞬间增大，超过了电机的负载电流值而造成损坏。马达保护器根据这一原理，通过监测电机的两相（三相）线路的电流值变化，进行电机的保护，对于过电压、低电压，是通过检测电机相间的电压变化，进行电机的保护。

JL-200系列电动机马达保护器功能

　　●过载保护

　　●欠载保护

　　●堵转保护

　　●阻塞保护

　　●温度保护

　　●相序保护

　　●欠压保护

　　●过压保护

　　●起动超时保护

　　●断相保护

　　●不平衡保护

　　规格：直接接线：1A(0.2A～1A)；5A(1A～5A)；20A(4A～20A)；40A(8A～40A)；

　　采用外置电流互感器：（需另配置标准5A电流互感器）100A(20A～100A)；150A(30A～150A)；200A（40A～200A)；300A(60A～300A)；400A(80A～400A)；500A(100A～500A)；600A(120A～600A)；800A(160A～800A)；

将单片机应用于电动机保护器

　　单片机是将CPU、ROM、RAM、TIMER/COUNTER以及输入/输出接口（I/O）等集成在一块超大规模集成电路芯片上而制成的，有些单片机还集成了模数转换器（ADC）、脉宽调制模块（PWM）、通讯接口等，使用者只需用少量的外围电路就可组成各种应用系统。单片机可分为8位机和16位机，其中8位机在市场中占主导地位。生产单片机的半导体厂家很多，包括：INTEL、PHILIPS、SIEMENS、ADM、ATAIEL、MICROCHIP等。近年来，MICROCHIP公司生产的单片机以其简约的指令系统、纳秒级的指令周期、强大的外围接口功能深受电子工程师们的青睐，笔者曾使用过PIC16CXXX和PIC16FXXX系列的产品，觉得使用非常方便。

　　电动机保护器实现的功能主要包括：三相电流显示、声音报警、故障脱扣、故障记忆、过载保护、短路保护、漏电保护、缺相保护、相失衡保护、相序保护、过欠压保护等。用传统的模拟线路要实现如此综合的功能，其线路将会变得非常复杂，整个装置的体积也会非常庞大。因此目前一些模拟电子式电动机保护器能实现的功能都比较单一。例如：过流保护器、缺相保护器、漏电保护器等，而单片机的出现，使得电动机保护器的发展有了质的飞跃，在智能化、功能多样化、小型化、模块化、性能可靠性等方面达到前所未有的水平。

　　用单片机系统实现电动机保护的功能，在硬件方面主要由三相电流信号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等几部分构成，下面分别对其中的关键部分作简要分析。

　　一、 三相电流采样部分

　　这部分设计直接关系到电流的采样精度。因此，必须通过理论分析、反复实验方能确定。这部分线路可采用整流线路，也可采用直接交流比例变换电路，采用哪种线路则直接决定了程序是采用直流采样还是交流采样，程序设计将完全不同。

　　若采用直流采样则线路需采用整流线路，整流线路包括半波整流、桥式全波整流、精密半波整流、精密全波整流等几种形式，二极管半波整流和桥式全波整流都存在二极管的导通压降影响整流线路线性的问题，特别是在信号电压较低的时候，影响更大。为了减小二极管导通压降的影响，应选择肖特基二极管作整流器件，如IN5819，但需要注意的是IN5819耐压值较低（只有40V），因而采样电压信号不宜过大。精密半波或全波整流线路在许多资料中皆有介绍，在此无庸赘述。这种线路的优点是避免了整流二极管正向导通压降的影响，但同时增加了线路的复杂程度，而且还需要为放大器提供正负电源，增加了电源部分的成本。在实际使用中应权衡利弊，综合考虑才能作出选择。

　　在一些比较的仪器仪表中，人们普遍采用交流采样。采样方式是按一定周期（称为采样周期）连续实时采样被测信号一个完整的波形（对于正弦波只需采样半个周期即可），然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算，从而得到电流信号的真有效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。交流采样的关键技术有几个方面：1.采样周期应远小于被测信号周期，这对于工频电流信号是不成问题的，因为目前单片机的处理速度已经足够。2.要从硬件上避免采样信号畸变，这就需要从几个方面来努力:①保证电流互感器在测量范围内输出的电压信号波形失真小。②电流互感器的采样信号到单片机输入接口往往需要比例放大，这就要求信号变换电路失真要小。③防止噪声干扰，一般的做法是在单片机输入口加一个高频旁路电容。交流采样线路中除去了阻容滤波电容，因而在响应速度方面比直流采样有极大改善，特别对于那些对响应特性要求较高的随动系统非常有益。尽管交流采样有很多直流采样无法比拟的优点，但因其会增加软件编程的难度并要占据较大的存储空间而在一些较简单的小型系统中较少使用。

　　二、显示部分

　　在工控仪表中常常使用LED数码管作为用户界面，其优点是亮度高、驱动电路简单，但只能显示有限的几个字符，要想表达比较丰富的信息十分困难。目前，一些仪表中开始采用字符型液晶显示器或图形液晶显示器，有的还含有中文字库模块，直接用中文显示，从而使界面十分直观，易于理解和操作。但同时增加了线路的成本，特别是图形液晶显示模块价格太高，一般低价位的仪表无法接受。

　　单片机与LED数码管接口一般采用串行通讯方式，配接移位寄存器来驱动数码管工作，设计不同的驱动程序可实现不同的显示方式。例如：数码管闪烁、小数点位数自动变换，特殊字符显示等。为了减小数码管的功耗，一般采用动态驱动方式，也就是在一个周期（T）内只在（1/3—1/2）T的时间内显示，通过调节占空比可改变数码管的亮度。另外需注意数码管的驱动电压不能太高，如果用+5V电源驱动就需加限流电阻或降压二极管。其中用降压二极管较好，可防止因数码管点亮的笔数发生变化而造成的电压波动，从而保证数码管亮度稳定。

　　单片机与字符型LCD模块接口的数据线仍可采用串行接口方式，而控制信号可直接由单片机I/O口控制。如果数据线采用并行方式，将占用单片机大量的资源，因而不宜使用。在编制驱动程序时，在性能许可的情况下应注意尽量减小数据线和时钟线的信号频率，这样可减小电磁干扰。

　　三、控制输出

　　控制输出部分可采用机电式继电器或固体继电器。前者价格便宜，市场产品丰富，驱动线路也比较简单，但可靠性和使用寿命有限，且在触点动作时会产生“火花”，严重时可影响系统的正常工作。因此，在PCB板布局时应将继电器尽量远离单片机并靠近仪表的输出端口。另外，在继电器线圈两端应并联续流二极管，否则在继电器线圈断电瞬间会产生较高的感应电压，从而破坏电路。固态继电器具有寿命长、性能稳定，无火花等特点，随着其价格的逐渐降低和性能的完善已开始被广泛使用，但小功率的固态继电器价格仍比普通继电器高很多倍，因此，在电机保护器中绝大部分均采用普通继电器。在很多应用场合，人们希望有两个独立的控制输出，一个作为主回路控制输出，另一个为辅助输出，作为报警或其它功能的控制。

　　单片机系统中，软件是一个非常重要部分，这部分能充分体现设计者的设计思想，通过程序可实现电机保护器的智能化控制以及远程通讯等功能.

基于STM32的智能电机保护器设计

　　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。

　　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，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，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。

　　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。

　　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。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。