基于STM32的智能電機保護器設計

0 引言
電機是工業生產領域中最主要的驅動源，如何有效地監控電機的運行狀態，保護電機回路，提高電機的運行時間，減少電機故障，對工廠整體電網的運行十分關鍵。
電動機保護裝置有很多種，目前使用得比較普遍的還是基于金屬片機械式的熱繼電器，它結構簡單，在保護電動機過載方面具有反時限特性。但它的保護功能少，無斷相保護，對電機發生通風不暢、掃膛、堵轉、長期過載、頻繁啟動等故障也不能起保護作用。此外，熱繼電器還存在重復性能差、大電流過載或短路故障后不能再次使用、調整誤差大、易受環境溫度影響而誤動或拒動、功耗大、耗材多、性能指標落后等缺陷。
為響應國家節能減排的要求，采用基于微控制器的電子式電機保護器替代現有熱繼電器，具有廣大的市場。設計采用集成豐富外設的STM32系列ARM芯片為核心的智能電機保護器，具有響應速度快、附加芯片少、生產調試簡單、生產及社會效益高等優點。

1 智能保護器功能及硬件架構
電機運行中主要發生的故障包括：起動超時、過載、堵轉、缺相、不平衡、過熱、欠載、過壓、欠壓等。因此智能保護器需要監測電機的工作電壓、工作電流和機殼溫度。
同時，由于電機的類型、容量和負載類型不同，電機保護的參數也不盡相同，所以需要能夠針對不同的電機設置保護參數。
再者，為了使智能保護繼電器能夠滿足當前流行的智能電機控制中心(IMCC)的需求，智能電機保護器還需要具有網絡通訊功能。
圖1是智能電機保護器的硬件結構框圖。

2 系統硬件設計
2．1 MCU
MCU是電機保護器的核心部分，主要負責數據采集、數據處理、輸出控制和參數設置。這里采用的是ST公司最新推出的STM32F103xD系列ARM芯片。
該系列芯片采用ARM公司32位的C0rtex M3為核心，最高主頻為72MHz，Cortex核心內部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數據的處理。
芯片具有三個獨立的轉換周期，最低為1μs的高速模數轉換器，三個獨立的數模轉換器帶有各自獨立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機控制、電網監測和多參數儀器設備的使用。
芯片還帶有豐富的通訊單元，包括多達5個異步串行接口、1個USB從器件、1個CAN器件、I2C和SPI等模塊。
2．2 模擬量采集單元
電機保護器主要需要采集電流、電壓和溫度這三個模擬量來對電機的運行狀態進行監測和保護。
電流傳感器類型眾多，主要包括磁芯電流互感器、霍爾傳感器、分流電阻。而電機保護器所連接的電機容量主要以幾千瓦至數十千瓦的電機為主，因此電機相電流主要在數安培至幾十安培。因此采用電流互感器為電流采集單元，具有量程寬、發熱小、隔離電壓高等優點。同時在不改變處理電路的參數的同時，采用不同變比的電流傳感器可以方便地改變電機保護器的電流檢測量程，從而可以方便地用于更大容量的電機保護。
電壓直接通過電阻分壓獲得，因此整個電機控制器是共熱地的系統。電阻采用的是高阻抗高耐壓類型電阻，同時為了提高電壓采集回路的過電壓能力，電壓分壓電路采用多電阻串聯形式，從而降低每一個電阻上的額定壓降，同時提高整個支路的最高耐壓。
溫度傳感器采用常見的鉑電阻傳感器或者NTC熱敏電阻，保護器硬件上設計有對應的熱電阻信號調理電路。由于熱電阻都是非線性器件，因此溫度采集處理通道都需要進行非線性處理，為了減少硬件電路的復雜程度，因此實際熱電阻調理單元只是設計采用一個儀表放大器，而熱電阻的非線性處理由MCU完成。另外還有一路MCU芯片內置的半導體溫度傳感器，用于檢測保護器內的溫度，從而防止由于系統過熱而導致控制出錯。