摘  要： 通過(guò)分析三相電機(jī)在應(yīng)用過(guò)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(duì)電機(jī)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(dòng)機(jī)的三相電壓、三相電流以及溫度，及時(shí)查詢和顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),，如果發(fā)生故障,，及時(shí)給電機(jī)斷電；采用EEPROM技術(shù)記錄電機(jī)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(jī)對(duì)電機(jī)的查詢與控制,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)及時(shí)斷電,、故障顯示與查詢、數(shù)據(jù)上報(bào),、參數(shù)設(shè)置等功能,。
關(guān)鍵詞： ARM Cortex-M3；LM3S811,；電機(jī)保護(hù),；EEPROM；RS-485通訊

    大型三相電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中起到舉足輕重的作用,但是由于電網(wǎng),、負(fù)載及電機(jī)本身的問(wèn)題,，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路、斷相,、過(guò)壓,、欠壓、過(guò)載等故障[1],。為保證電動(dòng)機(jī)正常工作,需要對(duì)其運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行電氣保護(hù),。目前，傳統(tǒng)的8 /16單片機(jī)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(cè)量控制功能,在人機(jī)對(duì)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(jī)保護(hù)中，可以給電機(jī)的保護(hù)帶來(lái)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(lái)降低內(nèi)存的需求。其中LM3S811控制器有64 KB的Flash程序存儲(chǔ)空間,、4個(gè)10通道,、采樣速率為500 000次/s的ADC接口、32個(gè)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(xiě)[3],。本文采用LM3S811為運(yùn)算核心，研制了一種可以對(duì)電機(jī)過(guò)載、短路,、漏電,、缺相及過(guò)熱故障進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)的智能電機(jī)保護(hù)器。另外采用EEPROM技術(shù)記錄電機(jī)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(jì)
    除電機(jī)故障數(shù)據(jù)的采集模塊、電機(jī)保護(hù)動(dòng)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(chǔ)芯片,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的保護(hù),、故障記錄以及與上位機(jī)的通訊。
    (1)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    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(duì)三相電機(jī)的線電壓,、線電流等參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)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(cè)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(jī)的三相電壓與電流信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換,，信號(hào)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(dòng)作電路模塊
    因?yàn)閱纹瑱C(jī)的電壓低于5 V時(shí),，驅(qū)動(dòng)電流只有十幾mA,，而電機(jī)的工作電壓在380 V時(shí)，電流可達(dá)到5 A～20 A,，二者在電壓和驅(qū)動(dòng)電流上存在很大的差別[4],。所以控制電路與電機(jī)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(lái)達(dá)到對(duì)電機(jī)電源的控制,。當(dāng)出現(xiàn)電流過(guò)大,、電壓缺相等故障時(shí)，控制器可以及時(shí)地輸出控制信號(hào),，使電機(jī)跳閘,，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，避免電機(jī)產(chǎn)生更大的損壞,。
    (4)溫度傳感器
    LM3S811內(nèi)部集成有一個(gè)10 bit的ADC模塊溫度傳感器,，可以用來(lái)獲取當(dāng)前芯片的內(nèi)部溫度,。通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)測(cè)得芯片溫度與環(huán)境溫度之間的差值，就可以準(zhǔn)確地測(cè)量電動(dòng)機(jī)線圈的溫度,。不用再擴(kuò)展別的溫度測(cè)量芯片,，節(jié)約成本。
    (5)通訊與故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
    大型車(chē)間有很多臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作,，電機(jī)能否正常工作可能影響到整個(gè)生產(chǎn)的進(jìn)度,，所以需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。因此電機(jī)保護(hù)器與監(jiān)控中心的通訊方式選擇RS-485,，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與電機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊,。
    同時(shí)采用I2C通訊的EEPROM技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)電機(jī)發(fā)生故障的時(shí)間、電流,、電壓等參數(shù),，另外還可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定，斷電后設(shè)定的參數(shù)可以保存下來(lái),，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(jì)
    軟件是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)最重要的部分,，包括A/D采集程序,、保護(hù)動(dòng)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(jì),，可讀性,、可移植性強(qiáng)[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(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若出現(xiàn)故障則切斷電機(jī)的電源,，防止發(fā)生事故,，并在AT24C08中記錄電機(jī)的工作電壓、工作電流和溫度值等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),；同時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的故障指示燈,，發(fā)出報(bào)警。
    (2)人機(jī)界面子程序的調(diào)試
    LCD顯示屏用來(lái)顯示電機(jī)的狀態(tài)以及故障信息,。信號(hào)指示燈用來(lái)指示發(fā)生故障的種類(lèi)，方便檢測(cè)人員處理故障,，建立良好的人機(jī)界面,。
    通過(guò)按鍵查詢電機(jī)的溫度,、三相電壓和電流，并通過(guò)LCD顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù),，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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?yàn)樾酒旧頃?huì)發(fā)熱,，所以需要通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)找到實(shí)際溫度與測(cè)量溫度之間的差值,。通過(guò)軟件的方法準(zhǔn)確地測(cè)量電機(jī)的發(fā)熱溫度。
    溫度測(cè)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(jì)的測(cè)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(jī)是否正常運(yùn)行，若正常則進(jìn)入電機(jī)保護(hù)子程序,。在電機(jī)正常運(yùn)行且沒(méi)有按鍵按下的情況下,，可以通過(guò)按鍵查看電機(jī)的當(dāng)前電流、電壓等值,；當(dāng)按鍵動(dòng)作時(shí),，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能并顯示；當(dāng)電機(jī)有故障時(shí),，執(zhí)行電機(jī)動(dòng)作代碼并顯示故障,，指示燈報(bào)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(duì)外圍電路的投入,，把主要精力投入到軟件的編寫(xiě)中,，對(duì)電機(jī)的保護(hù)更加合理有效。另外電動(dòng)機(jī)種類(lèi)很多,，采樣的電流和電壓信號(hào)也會(huì)有很多的差異,。因此可以根據(jù)不同的電動(dòng)機(jī)來(lái)選擇相應(yīng)的傳感器，并串接相應(yīng)的電阻來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,，這樣可以滿足在不同場(chǎng)合對(duì)不同電動(dòng)機(jī)的保護(hù),。
參考文獻(xiàn)
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