基于STM32的油泵电机保护装置的设计

任天平，刘栋

(郑州大学机械工程学院，河南郑州 450001)

0 前言

电动机是金刚石六面顶压机液压系统中的动力设备，在人造金刚石合成工艺中空程前进、超压、补压等工步的实现都是由电动机带动油泵提供动力来源。人造金刚石的合成中超高温的实现是采用两相加热的方式，加上电网电压的波动，容易造成三相不平衡;频繁补压，需要电动机频繁启停，交流接触器频繁吸合易造成机械故障而导致电机缺相;加上诸如过载、堵转等故障造成电动机烧毁停机，进而无法保证金刚石合成工艺的压力要求，带来经济损失。

现有的电机保护装置已经大量投入市场，从功能复杂程度上可分为两类。简易型，这类功能简单，价格便宜，但是无显示界面，人机交互性不佳，设置不便，可靠性不足;复杂型，这类功能齐全，但价格昂贵，设置复杂，普遍体积较大，安装不便。

本文作者针对六面顶压机控制系统需求，设计了一套油泵电机保护装置，该装置具有以下特点:可视化界面人机交互，实时显示三相电流;有故障识别及故障记忆功能，包含开关量输出，手动复位，带常开常闭触点继电器输出;RS485通信，方便组网监控;根据不同功率电机，依功率一键设定电机参数，简化用户设置操作。

1 控制回路

六面顶压机油泵电机控制回路如图1所示。

图1 六面顶压机油泵电机控制回路

基于该应用，采用如图1所示的电机控制回路，由带分励脱扣器的空气开关、交流接触器和STM32电机保护器组成。空气开关起过流和短路保护作用。当检测到电机故障时，控制分励脱扣器脱开带动空开断开，切断电源，达到保护作用，同时输出报警信息给控制系统。

2 故障判定及保护策略

2.1 常见故障及判定

电动机常见故障可以分为机械故障和电气故障，这两类故障都可以通过监测电机工作过程中的电气参数加以判定，包括过载、堵转、短路等对称故障以及缺相、逆相、相位不平衡、接地等不对称故障［1］。

在六面顶压机工作场合，采用的是鼠笼式三相异步电动机，△型接法。经统计，六面顶压机油泵电动机故障原因可归为一下几种:

(1)工作环境恶劣及设备问题原因等造成的堵转，进而烧毁;

(2)系统压力不足超压无法达到设定压力，长时负载过重等原因引起过载;

(3)补压动作频繁，交流接触器频繁吸合，导致动静触点机械故障引起触点粘连产生缺相;

(4)电网电压波动引起三相不平衡;

(5)接线不当、接线柱老化等原因造成短路。

从现场电机故障分析来看，六面顶压机油泵电机97%以上的故障都是由过载、堵转、缺相、短路及相位不平衡引起的。而这些故障显著地特征就是三相电流的差异，下面以该场合中最常见的故障——缺相进行分析。

图2 电机缺相

通过对图2电机缺相故障分析 (额定功率恒定)，正常情况下，三相线电流相等;但是当电机出现缺相故障时，出现电流异常，某相线电流为零，某相线电流会增大。同理对油泵电机其它常见故障进行分析，得到如表1所示的故障特征，故障电流特征明显。而从电机破坏的直接诱因而言，都是由于电流异常产生热效应，导致绕组发热进而烧毁。

表1 油泵电机故障电流特征

对于电机故障判定，现在多采用对称分量法，检测负序分量和零序分量的方法来进行故障判断，灵敏度和准确度高，但是测量系统及计算复杂［2］。在该应用场合下，不需要过高的灵敏度，从故障特征、成本及性能综合分析，采用检测三相电流幅值的方法完全可以满足应用需求。

三相电流幅值作为判据的故障检测策略遵循避开最大负载电流的原则，主要包括启停判断检测、最大电流检测、过载检测以及三相不平衡检测，检测流程如图3所示。启停判断是通过检测三相电流均值是否超过最小电流阈值Imin来确定，超过Imin认为电机启动，超出启动延时Tst时间认为启动完成。由于补压需求，油泵电机频繁启动，每次工作时间1～2 s，启动过程中只需进行最大电流检测及三相不平衡检测。并根据表1所示三相电流特征确定故障类型。

图3 故障判断流程图

2.2 保护机制

而对于保护机制有定时限延时保护、反时限延时保护和速断保护。定时限保护是指保护动作时间不随电流大小而变化，灵活性不足。反时限保护动作时间随电流的增大而减小，国内外常用的反时限保护的通用数学模型表达式基本形式为:

式中:t为动作延时，K为设计常数，M为用户整定的时间常数，一般由上下级保护动作时间的正确配合要求决定，Ip为基准电流，一般取被保护设备的额定电流;a是曲线水平移动常数，反应了反时限保护动作能够动作的电流相对于Ip的倍数，一般取1.0;n是曲线形状常数，通常在 0～2之间取值。n越大曲线形状越陡，即保护动作时间随电流增大而减小得越快［3］。

国际电工委员会标准IEC255-4规定普通反时限、非常反时限、超反时限、热过载 (无存储)反时限、热过载 (有存储)反时限等5种反时限特征曲线。前3种主要应用于线路保护，考虑到油泵电机频繁启停，热量累积效应不明显，采用热过载 (无存储)反时限，特征曲线表达式为:

式中:tp为特征时间常数，整定范围0.05～10 s。在油泵电机应用中，以该反时限曲线为基础，结合多个生产现场电机应用过程中的特征参数，设计一套基于不同功率的油泵电机反时限延时间特征值表，程序处理过程中通过查表的方法确定延时保护时间。

3 采样算法

交流电气信号的采样分为交流采样和直流采样。直流采样是对交流信号经过变送器整流后的直流量进行采样，计算简单，但是时间常数大，不能及时检测被测量的突变，受变送器精度和稳定性影响大，设备复杂维护不便;交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量，实时性好，效率高［4］。

交流采样方式有同步采样和准同步采样，取决于采样时间间隔Ts、被测交流信号周期T及一个周期内采样点数N之间关系是否满足T=N·Ts。在实际采样测量中，即使采用同步采样方法，无论是软件同步采样还是硬件同步采样，采样周期也不能与被测信号周期实现严格同步，即T=N·Ts+Δ，称为同步偏差。保证Ts精度，增加采样点数可以降低同步误差［5］。

交流采样算法有多种，其计算复杂度和准确性各有不同，需要在准确度和实时性方面综合考虑选取合适的采样算法才能准确确定电机故障并采取故障措施。设i=Im·sin(ωt+ψ)，有效值I0。常用的采样算法有以下几种。

3.1 最大值法

只需同步采样得到电流的最大值，即可求得电流有效值。

算法简单易实现，受采样误差及高次谐波等影响，计算结果误差较大。

3.2 单点算法

适用于对称三相正弦电路，在某一时刻同时对三相线电流采样得到三相电流值iu、iv、iw即可求得三相线电流。

该算法的前提是三相平衡，不适用于该场合。

3.3 两点采样法

得到两点相位差为90°的采样电流值i1、i2，即可求出该相线电流有效值I0。

该算法的难点在于控制两个采样点的相位差刚好为 90°。

3.4 均方根法

电流有效值即为均方根:

均方根算法计及高次谐波的影响，并且随着每周期采样点的增多，可以提高采样精度，但均方根法计算时间复杂度大，采样点太多必然增加了运算量，因而需要在精度和快速性之间作出适当选择。

3.5 全波积分法

此外还有全周波傅里叶算法，有较高精度及滤波能力，能够滤除直流分量个高次谐波，适合各种周期量、基波和高次谐波采样，但是其计算复杂，响应速度慢不适合快速采集。递推傅里叶算法，是在全波傅里叶算法基础上可以递推计算各次谐波的实部和虚部，但是有较大延迟，在电流突变时有较大误差［6］。

综合实际使用性能分析决定采用准同步采样，全波积分法，原理如式 (7)— (9)所示。在被测交流信号周期T内增加采样点数N，等时间间隔采样，通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度。

全波积分法本质上是利用有效值和平均值之间的固定比例关系，先求取平均值然后比例换算求取电流有效值，相比均方根方法，计算复杂度显著降低，同时采样计算准确度随着采样点数的增加而提高。

实际应用中对电流值的采样，是通过电流在采样电阻上形成的电压值间接求得的。但是采样电压值有正有负，需要加上Uost的零点偏置电压，将电压值变为正进行A/D转换，如图4所示。上一个周期的采样值求和取平均作为零点偏置电压，该周期的采样值减去该零点偏置电压取绝对值求和即可求得电流有效值。

图4 电流采样示意图

4 硬件设计

为保证采样和计算效率的高效，采用STM32F103C8T6微处理器。STM32F103系列微控制器的内核是采用ARM 32位CortexTM—M3 CPU，最高72 MHz工作频率，单周期的乘法和除法运算。拥有两个12位逐次逼近型模拟数字转换器，多达16个输入通道，各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，A/D转换时间最快可达1 μs。配置ADC为扫描模式，定时器触发，三通道轮巡连续转换，周期为20 μs，在20 ms的周期内每通道采集多达1 000点。

4.1 电流采样电路

采用电流互感器进行线电流采样，并根据电机额定电流大小 (0～100 A)及STM32的A/D转换范围选取合适的电流互感器和采样电阻。

图5 电流采样电路

如图5所示，采样电阻U_R1选用精密电阻以保证计算准确度，STM32的A/D转换范围为0～3.3 V，而在U_R1上得到的采样电压为正弦交流信号，需要加上1.65 V的零点偏置电压，因此在U_R1上得到的采样电压峰值不能超过1.65 V，U_R1阻值大小要合适。而U_R2和U_C构成的RC滤波电路能够有效地滤除电网高次谐波等高频信号。

4.2 RS485通信电路设计

通信方案采用基于Modbus协议的RS485通信。图6为TTL-RS485电平转换电路，RXD和TXD引脚接入 STM32单片机的 USART引脚，采用SN75LBC184差分数据收发芯片作为电平转换芯片，该芯片带有内置高能量瞬态噪声保护装置，显著提高了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性，驱动器不但设计成限斜率方式输出，而且能抗雷电的冲击，承受高达8 kV的静电放电冲击。

图6 RS485通信电路设计

由于485芯片的特性决定，其接收器的灵敏度为±200 mV。当A、B之间的压差小于200 mV时，逻辑电平不确定，增加下拉电阻R3和上拉电阻R8，人为地使A端电位高于B两端电位，以避免总线发送禁止时，接收器误接收逻辑电平0，产生通信帧的起始引起工作不正常。此外，通信载体采用的是双绞屏蔽线，特性阻抗为一般为120 Ω，当传输距离较远时，在A、B端并联120 Ω的电阻，阻抗匹配从而提高抗干扰能力。

4.3 保护输出电路

保护输出电路如图7所示，通过继电器实现关断。如果电机发生故障，单片机输出高电平，三极管导通，从而使继电器动作。同时三极管OC输出开关量信号送给控制器。

图7 保护输出电路设计

5 软件实现

主程序如图8所示，主要包括电流采样、参数计算、启停判断、故障判断、保护子程序、按键显示、参数设置以及通信程序等组成，模块化封装设计，方便调试移植。

图8 主程序流程图

初始化完成后，进行电流采样，A/D转换得到电流值，采样得到的电流值滑动平均滤波，以提高抗干扰能力。

然后进行参数计算，判断电机是否启动，并根据上述故障判断策略，以启动中，启动后进行不同的故障判断操作，若电机出现故障调用保护子程序执行保护动作。

显示程序在电机正常运行且没有按键处理的情况下，显示三相平均电流值，按键切换可循环显示三相实时电流值。电机故障时可以显示故障代码，并采用指示灯指示出现故障的是哪一相，方便用户查找故障原因;按键切换可循环显示故障发生时三相电流值;按下复位按键执行手动复位操作，继电器断开、开关量输出复位等。

参数设置，通过在多个现场对不同功率油泵电机(2.2～18 kW)在各个工步下的电流值实时监控统计，针对每一种功率电机设置一套默认的参数值，用户可以依照功率一键设定参数，同时可以针对每一套功率电机的参数进行微调。

同时可以通过通讯接口与控制器或其他外部设备通信，方便查询电机运行过程中的各种运行参数，以及相关参数下发。STM32主芯片并没有片内EEPROM，对于参数等掉电不丢失的数据存储可以利用STM32的片上资源，采用Flash模拟EEPROM来存储数据。

6 结束语

完成一种基于STM32单片机的金刚石六面顶压机油泵电机保护装置的设计，实现过载、短路、堵转、缺相、三相不平衡等电机故障保护，最大限度地保障设备安全运行。针对金刚石合成工艺中油泵电机的的工作特性，制定一套基于功率的电机保护参数，方便用户按照电机功率一键设定电机参数。根据金刚石合成工艺控制需求，可以实时监控电机运行参数，故障报警并设计了手动复位功能。该装置已经在多个人造金刚石生产现场得到应用，电流误差为50 mA，效果良好。

［1］李松涛，李俊，林锦国.基于PIC单片机为内核的电机保护器的研制［J］.机床与液压，2009，37(6):238－240.

［2］张文涛.基于对称分量法的电动机综合保护器［D］.西安:西安理工大学，2013:11－13.

［3］李晓华，柳焕章.反时限电流保护应用研究［C］//南京:中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十二届学术会论文摘要集，2006.

［4］郭冰菁，朱坚民，孟庆辉.交流电量的实时检测技术及实现［J］.机床与液压，2005(2):134－136.

［5］黄纯，何怡刚，江亚群等.交流采样同步方法的分析与改进［J］.中国电机工程学报，2002(9):38－42.

［6］薛春旭.电力系统微机继电保护交流采样算法研究［D］.西安:西安电子科技大学，2012:24－29.