基于ARM公司STM32的智能电机保护器设计

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。

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。

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