使用STM32完成智能电机保护器设计方案

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。

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。