基于STM32的智能電機保護器設(shè)計
2.3 液晶顯示
對于獨立應(yīng)用的電機保護器,需要能夠設(shè)置保護參數(shù),顯示當前的運行狀態(tài),當發(fā)生故障時候還需要顯示故障類型。因此電機保護器需要有顯示單元。
系統(tǒng)設(shè)計采用點陣形式STN黑白液晶顯示(LCD)模塊,相比TFT彩色LCD模塊,具有使用溫度范圍寬、壽命長、強光下仍可以閱讀的優(yōu)點。
LCD模塊內(nèi)置的控制器采用的并行數(shù)據(jù)通訊接口,包括數(shù)據(jù)總線、讀寫控制線、器件選通和復(fù)位引腳。系統(tǒng)設(shè)計時,使用STM32F103xD芯片的多功能靜態(tài)存儲器控制器(FSMC)與LCD模塊相連。
STM32F芯片的FSMC模塊是一個支持靜態(tài)存儲器(SRAM)、NOR F1ash和PSRAM的多功能靜態(tài)存儲器控制器??梢灾С?位或者16位寬度的存儲器。
LCD模塊的訪問時序與SRAM的相同,而且可以通過配置引腳選擇為8080或者6800類型的接口時序。圖2是STM32芯片的FSMC接口與LCD的電氣連接,這里的液晶是采用的8080接口時序。本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/173514.htm
2.4 通訊電路
智能電機控制中心(IMCC)的控制結(jié)構(gòu)大都是總線型分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中有中央控制器負責調(diào)度和監(jiān)控所有電機的運行。根據(jù)所使用的中央控制器(大多為PLC)的不同,系統(tǒng)的通訊協(xié)議有MODBUS、Fieldbus和以太網(wǎng)等。其中最常見的是MODBUS協(xié)議。MODBUS協(xié)議的物理層是基于RS485的半雙工通訊網(wǎng)絡(luò),電機保護器在其中是處于從機地位。
由于電機保護器內(nèi)部是共熱地系統(tǒng),所以RS485遠程通訊需要與控制器主回路隔離。對于RS485收發(fā)器的隔離,需要對通訊信號和收發(fā)器的供電進行隔離。電機保護器的通訊接口設(shè)計的通訊波特率最高需要達到57.6kbps,因此需要使用高速光耦或者數(shù)字隔離芯片完成對通訊信號的隔離。
數(shù)字隔離芯片是一種新型的器件,TI、ADI和Silicon Lab等公司都有推出擁有各自專利的數(shù)字隔離器件,但各家芯片的引腳封裝和引腳功能大部分都是兼容的,可以直接替換。相對傳統(tǒng)的高速光耦,數(shù)字隔離器件具有功耗低、傳輸速率高、兼容3V/5V系統(tǒng)和外設(shè)簡單等優(yōu)點。實際連接電路如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 監(jiān)控程序
智能電機保護器中,MCU只要完成電流和電壓的采樣、計算、分析來實現(xiàn)各種保護功能,并且實時顯示線路的參數(shù)和記錄故障狀態(tài)。
系統(tǒng)軟件中,全局監(jiān)控軟件用來循環(huán)掃描各個單元子程序的狀態(tài),包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采樣,數(shù)據(jù)采集完成后對數(shù)據(jù)進行計算,而后根據(jù)計算結(jié)果和預(yù)先設(shè)置的電機參數(shù),結(jié)合保護策略判斷出當前電機的狀態(tài)。最后通過LCD顯示器和輸出控制接口發(fā)出相應(yīng)的狀態(tài)信息和控制功能。
3.2 ADC的配置和使用
由于電機保護器采集的是50Hz工頻電壓電流,同時為了能夠監(jiān)測到電網(wǎng)中的高次諧波成分(主要是3次諧波),因此在ADC的采樣頻率需要設(shè)置在工頻的整數(shù)倍,從而使得采樣快速傅立葉(FFT)運算時得到最準確的精度。同時,數(shù)據(jù)采樣時,由于計算功率需要同時采集電壓、電流值,因此在系統(tǒng)設(shè)計時,將三相的參數(shù)分別分配到兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器,而將溫度量放置在第三個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換均采用內(nèi)部定時器中斷觸發(fā)。
對于電壓和電流的采集,系統(tǒng)采用同步采樣模數(shù),即同時采集同一個通道的電壓和電流值;同時在采樣通道配置寄存器中,將三個電壓電流通道依次排列,使得在一次定時器觸發(fā)下,一次性完成所有通道的轉(zhuǎn)換。
由于FFT需要一組數(shù)據(jù)進行計算,所以為了最低程度的CPU干預(yù),系統(tǒng)設(shè)計使用了DMA來完成轉(zhuǎn)換結(jié)果的傳遞。程序設(shè)計時,需要設(shè)置兩塊數(shù)據(jù)存放區(qū),用于采樣數(shù)據(jù)的交替存放;同時DMA傳遞的字節(jié)計數(shù)的預(yù)置值即為傅立葉轉(zhuǎn)換數(shù)組長度乘以采集的通道數(shù)。
3.3 遠程通訊
電機保護器設(shè)計為MODBUS從機,所有的電機運行狀態(tài)、控制狀態(tài)等參數(shù)都是放置在系統(tǒng)約定地址的寄存器中。同時MODBUS從機需要給每一個電機控制器預(yù)置一個網(wǎng)絡(luò)中唯一的從機地址,所以還需要使用按鍵和LCD屏幕來設(shè)置從機地址。
4 結(jié)語
本文提出一種基于STM32系列新品的智能電機保護器,本設(shè)計充分利用了STM32芯片的資源,提供必要的外圍器件構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)。實際應(yīng)用證明,此系統(tǒng)能有效保護電機,且具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、接口豐富等優(yōu)點,根據(jù)實際需要還可以開發(fā)出諸如USB、CAN open等接口,因此此系統(tǒng)可以更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域。
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