摘 要： 通過分析三相電機在應(yīng)用過程中各種故障產(chǎn)生的原因,，提出了基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的LM3S811控制器對電機進(jìn)行保護(hù)的方案,。利用LM3S811可編程的32位ADC模數(shù)采集模塊采集電動機的三相電壓、三相電流以及溫度,，及時查詢和顯示電機的運行狀態(tài),，如果發(fā)生故障，及時給電機斷電,；采用EEPROM技術(shù)記錄電機的故障數(shù)據(jù),，方便技術(shù)人員進(jìn)行故障檢查；建立RS-485網(wǎng)絡(luò),，方便上位機對電機的查詢與控制,，實現(xiàn)電機及時斷電、故障顯示與查詢,、數(shù)據(jù)上報,、參數(shù)設(shè)置等功能。
關(guān)鍵詞： ARM Cortex-M3,；LM3S811,；電機保護(hù)；EEPROM,；RS-485通訊
大型三相電機在工業(yè)生產(chǎn)過程中起到舉足輕重的作用,但是由于電網(wǎng),、負(fù)載及電機本身的問題，電動機運行時會出現(xiàn)短路,、斷相,、過壓、欠壓,、過載等故障[1],。為保證電動機正常工作,需要對其運行系統(tǒng)進(jìn)行電氣保護(hù),。目前,，傳統(tǒng)的8 /16單片機已廣泛應(yīng)用于電氣保護(hù)中。但是它們僅僅具有基本的測量控制功能,在人機對話,、數(shù)據(jù)查詢,、故障顯示等方面能力有限,缺少必要的網(wǎng)絡(luò)通訊功能[2],。如果將網(wǎng)絡(luò)通訊以及故障記錄技術(shù)加入到電機保護(hù)中，可以給電機的保護(hù)帶來意想不到的效果,，節(jié)省大量的成本,。
TI公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3的微控制器采用ARM可兼容Thumb的Thumb-2指令集來降低內(nèi)存的需求。其中LM3S811控制器有64 KB的Flash程序存儲空間,、4個10通道,、采樣速率為500 000次/s的ADC接口、32個可配置的GPIO(其數(shù)目取決于配置),，極大地方便了后期軟件的編寫[3],。本文采用LM3S811為運算核心，研制了一種可以對電機過載,、短路,、漏電、缺相及過熱故障進(jìn)行檢測保護(hù)的智能電機保護(hù)器,。另外采用EEPROM技術(shù)記錄電機故障,，用485組網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
1 硬件部分設(shè)計
除電機故障數(shù)據(jù)的采集模塊,、電機保護(hù)動作,、按鍵、LCD顯示和故障指示模塊之外,，還擴(kuò)展了485通訊電路和EEPROM存儲芯片,，實現(xiàn)了對電機的保護(hù)、故障記錄以及與上位機的通訊,。
(1)系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)總體硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。
(2)數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊主要對三相電機的線電壓、線電流等參數(shù)進(jìn)行采集,，經(jīng)過濾波,、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路處理后,，送入ARM控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析,。北京世特美測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電流傳感器SN1T、電壓傳感器SK1T,、漏電流傳感器選用TE5D_C5V6可以將電機的三相電壓與電流信號進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換,，信號變換后能夠直接被LM3S811的A/D采集模塊直接采集。數(shù)據(jù)采樣電路整體模塊圖如圖2所示,。
(3)動作電路模塊
因為單片機的電壓低于5 V時,，驅(qū)動電流只有十幾mA，而電機的工作電壓在380 V時，電流可達(dá)到5 A～20 A,，二者在電壓和驅(qū)動電流上存在很大的差別[4],。所以控制電路與電機之間需要加緩沖電路，這里采用光電耦合器件控制繼電器的通合來達(dá)到對電機電源的控制,。當(dāng)出現(xiàn)電流過大,、電壓缺相等故障時，控制器可以及時地輸出控制信號,，使電機跳閘,，同時發(fā)出報警信號，避免電機產(chǎn)生更大的損壞,。
(4)溫度傳感器
LM3S811內(nèi)部集成有一個10 bit的ADC模塊溫度傳感器,，可以用來獲取當(dāng)前芯片的內(nèi)部溫度。通過不斷地實驗測得芯片溫度與環(huán)境溫度之間的差值,，就可以準(zhǔn)確地測量電動機線圈的溫度,。不用再擴(kuò)展別的溫度測量芯片，節(jié)約成本,。
(5)通訊與故障數(shù)據(jù)存儲模塊
大型車間有很多臺電機同時工作,，電機能否正常工作可能影響到整個生產(chǎn)的進(jìn)度，所以需要對其進(jìn)行監(jiān)控,。因此電機保護(hù)器與監(jiān)控中心的通訊方式選擇RS-485,，可以實現(xiàn)上位機與電機之間的數(shù)據(jù)通訊。
同時采用I2C通訊的EEPROM技術(shù)來存儲電機發(fā)生故障的時間,、電流,、電壓等參數(shù)，另外還可以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定,，斷電后設(shè)定的參數(shù)可以保存下來,，不用重新設(shè)定。EEPROM芯片AT24C08的模塊電路如圖3所示,。
2 軟件部分設(shè)計
軟件是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)最重要的部分,，包括A/D采集程序、保護(hù)動作程序,、溫度采集程序,、顯示程序、按鍵程序以及通訊程序,。程序采用模塊化設(shè)計,，可讀性、可移植性強[5],。系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示,。
(1)電流電壓采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序
采集傳感器上的電壓和電流數(shù)據(jù),，單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若出現(xiàn)故障則切斷電機的電源,，防止發(fā)生事故，并在AT24C08中記錄電機的工作電壓,、工作電流和溫度值等實時數(shù)據(jù),；同時點亮相應(yīng)的故障指示燈，發(fā)出報警,。
(2)人機界面子程序的調(diào)試
LCD顯示屏用來顯示電機的狀態(tài)以及故障信息,。信號指示燈用來指示發(fā)生故障的種類，方便檢測人員處理故障,，建立良好的人機界面,。
通過按鍵查詢電機的溫度、三相電壓和電流,，并通過LCD顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù),，以實現(xiàn)對不同數(shù)字參數(shù)值的設(shè)定與修改。
(3)溫度子程序的調(diào)試
溫度的調(diào)試采用芯片內(nèi)部溫度傳感器,，因為芯片本身會發(fā)熱,，所以需要通過反復(fù)的實驗找到實際溫度與測量溫度之間的差值。通過軟件的方法準(zhǔn)確地測量電機的發(fā)熱溫度,。
溫度測試部分子程序如下所示：
void ADC_Get()
{
unsigned long temp[2];
ADCProcessorTrigger(ADC_BASE,0);//觸發(fā)采樣
while(!Adcflag); //判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束
Adcflag=0;
ADCSequenceDataGet(ADC_BASE,0,temp);
//一次性全部讀出,UART的FIFO不同
temp[0] &= 0x000003ff;
temp[0]=(temp[0]*3000*6)/1024;
Tdata[5]=temp[0]/256;
Tdata[6]=temp[0]%256;
temp[1] &= 0x000003ff;
temp[1]=20250-temp[1]*22;
Tdata[7]=temp[1]/256;
Tdata[8]=temp[1]%256;
}
調(diào)試結(jié)果如圖7所示,。此結(jié)果與溫度計的測試值非常接近。
以上所有程序調(diào)試完畢后,，搭建系統(tǒng)程序,，進(jìn)行A/D采樣，判斷電機是否正常運行,，若正常則進(jìn)入電機保護(hù)子程序,。在電機正常運行且沒有按鍵按下的情況下，可以通過按鍵查看電機的當(dāng)前電流,、電壓等值,；當(dāng)按鍵動作時，實現(xiàn)相應(yīng)的功能并顯示,；當(dāng)電機有故障時,，執(zhí)行電機動作代碼并顯示故障，指示燈報警,。
采用ARM Cortex-M3核的LM3S811控制器,、新的溫度采集方法，以及記錄故障數(shù)據(jù)的EEPROM技術(shù),，減少了對外圍電路的投入,，把主要精力投入到軟件的編寫中,，對電機的保護(hù)更加合理有效。另外電動機種類很多,，采樣的電流和電壓信號也會有很多的差異,。因此可以根據(jù)不同的電動機來選擇相應(yīng)的傳感器，并串接相應(yīng)的電阻來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,，這樣可以滿足在不同場合對不同電動機的保護(hù),。
參考文獻(xiàn)
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[2] 萬琰.基于單片機的電機保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,，2009，8(2)：47-48.
[3] YIU J.Cortex-M3技術(shù)參考手冊+Cortex-M3權(quán)威指南[EB/OL]．(2011-07-30)[2012-03-20].http://www.cr173.com/soft/30691.html.
[4] 查斌.基于單片機的電機軟起動智能控制器研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),，2009.
[5] 伊茲科威茲.32位ARM微控制器系統(tǒng)設(shè)計與實踐：基于Luminary Micro LM3S系統(tǒng)工程Cortex-M3內(nèi)核[M]．黃智偉,，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.