基于STM32的三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要： 大部分渦旋壓縮機(jī)由三相電機(jī)驅(qū)動，在實(shí)際使用中，面臨著三相電相序接錯或某一相虛接的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。文中提出一種基于STM32和兩路光耦的三相電缺相逆相保護(hù)系統(tǒng)。軟件基于專家系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在專家知識庫中存儲與各種缺相逆相檢測有關(guān)的知識。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該保護(hù)系統(tǒng)在三相電壓幅值很低的情況下，依然可以正確檢測出缺相逆相，具有非常高的可靠性。

關(guān)鍵詞： STM32; 電機(jī)保護(hù); 缺相; 逆相; 專家系統(tǒng); 狀態(tài)檢測; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN99?34; TP29" " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2019）21?0130?04

Abstract： Most of scroll compressors are usually driven by three?phase motor. In practical use， it is faced with the risk of misconnection of three?phase electrical phase sequence or virtual connection of a certain phase， which leads to compressor damage. A phase loss and anti?phase protection system based on microprocessor STM32 and two?way optocoupler is designed in this paper. The software is designed based on expert system and all kinds of phase loss and phase reverse detection knowledge is stored in expert knowledge base. The experimental results show that， the protection system still can correctly detect the phase loss and anti?phase at a very low amplitude of three?phase voltage， and has very high reliability.

Keywords： STM32; motor protection; phase loss; anti?phase; expert system; state detecting; system testing

0" 引" 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展， 各種新型電器設(shè)備的不斷更新， 導(dǎo)致現(xiàn)階段能源供不應(yīng)求的局面， 所以， 要想解決這個問題， 就得采取相應(yīng)的節(jié)能措施， 來緩解新時期能源消耗所面臨的問題[1]。在這個大趨勢下，各種各樣的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品一一出現(xiàn)，渦旋壓縮機(jī)就是其中的一種。渦旋壓縮機(jī)是通過容積變化來實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的流體機(jī)械，相對于往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)， 這種新型氣體壓縮機(jī)械具有體積小、重量輕、振動小等特點(diǎn)[2]。壓縮部件由動渦旋盤和靜渦旋組成[3]。大部分渦旋壓縮機(jī)的動渦旋盤一般由三相電機(jī)驅(qū)動。

在實(shí)際使用中面臨著三相電接線錯誤的風(fēng)險(xiǎn)，比如，三相電相序接錯，其結(jié)果是電機(jī)反轉(zhuǎn)，而一些型號的壓縮機(jī)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是不允許反轉(zhuǎn)的，一旦反轉(zhuǎn)必然會造成其結(jié)構(gòu)損壞。而當(dāng)某一相虛接時，其結(jié)果就是缺相，從而導(dǎo)致電機(jī)定子繞組磁場分布不均勻，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大，同時，另外兩相繞組電流也同時加大，繞組發(fā)熱嚴(yán)重，直至繞組絕緣損壞，最終燒毀電機(jī)[4]。而壓縮機(jī)每年產(chǎn)量巨大，因此設(shè)計(jì)一款低成本的三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對三相電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測以保證安全，具有非常重要的意義。

1" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

三相電機(jī)通過三相電L1，L2和L3對其供電，同時三相電L1，L2和L3也引入到三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的L1，L2和L3端子。正常情況下三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的[M1M2]繼電器處于吸合狀態(tài)，一旦三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)檢測到缺相或逆相，[M1M2]繼電器斷開，從而切斷三相電機(jī)供電，達(dá)到保護(hù)作用，同時，三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)上的LED燈閃爍以指示對應(yīng)的故障。該三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)通過[L+]和[L-]供電。

2" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1" 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6單片機(jī)，利用STM32豐富的外設(shè)功能和數(shù)據(jù)處理能力[5]，整個系統(tǒng)由電源模塊、三相檢測電路、人機(jī)界面、繼電器控制電路和通信模塊組成。三相檢測電路是系統(tǒng)的核心電路，它負(fù)責(zé)將輸入的L1，L2，L3三相電三路正弦波信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的兩路方波，根據(jù)其相位差來判斷缺相逆相。

3" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1" 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品除了應(yīng)滿足基本功能需求之外， 還需滿足質(zhì)量需求[6]。為增強(qiáng)系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性和可移植性，采用分層和模塊化設(shè)計(jì)[7]。

系統(tǒng)軟件分為三層：驅(qū)動層、中間層和應(yīng)用層。驅(qū)動層針對不同的芯片做驅(qū)動的封裝;中間層封裝了一些通用的操作，如E2PROM操作，通信協(xié)議棧等;應(yīng)用層針對功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其中三相檢測模塊為核心模塊。

3.2" 三相檢測模塊軟件設(shè)計(jì)

三相檢測模塊軟件設(shè)計(jì)基于專家系統(tǒng)，主要由人機(jī)接口、推理機(jī)、解釋器、知識庫及其管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)和知識獲取機(jī)構(gòu)組成[8]。

3.2.1" 知識庫

知識庫負(fù)責(zé)存儲領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q特定領(lǐng)域的知識，采用某種知識表示方法編輯或自動生成某種表示形式[9]。知識庫中存儲辨別三相電各種狀態(tài)的知識，如表1所示。

3.2.2" 數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫由存儲在單片機(jī)片內(nèi)FLASH中的參數(shù)組成，主要為判斷三相電狀態(tài)的各種參數(shù)，如采樣濾波時間、三相電頻率上下限等。存儲在片內(nèi)FLASH中的參數(shù)可以通過人機(jī)接口和知識獲取機(jī)構(gòu)更新。

3.2.3" 人機(jī)接口和知識獲取機(jī)構(gòu)

該系統(tǒng)的人機(jī)接口為RS 485，通過該接口可以與PC相連接，通過上位機(jī)程序可以將新版本的專家知識庫和數(shù)據(jù)庫發(fā)送到該三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，由內(nèi)嵌的bootloader對專家知識庫和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。

3.2.4" 推理機(jī)

推理機(jī)針對當(dāng)前問題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識庫中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，以得到問題求解結(jié)果[10]。

由于該系統(tǒng)判斷三相電狀態(tài)，不僅僅取決于CHECK1和CHECK2的信號，還取決于實(shí)際應(yīng)用工藝中的要求，比如運(yùn)行過程中出現(xiàn)三相電整體斷電，以及恢復(fù)的處理;出現(xiàn)三相電缺相逆相錯誤后，系統(tǒng)恢復(fù)錯誤后的處理。此外，還取決于系統(tǒng)其他功能的影響，比如由于別的保護(hù)功能運(yùn)作了，那么現(xiàn)有的三相檢測還有無必要進(jìn)行等，因此實(shí)際的推理邏輯非常復(fù)雜。

基于有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法（設(shè)計(jì)模式中稱之為狀態(tài)模式），通過把復(fù)雜的判斷邏輯條件轉(zhuǎn)移到表示不同狀態(tài)的一系列類中，在事件驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[11]。例如，當(dāng)前狀態(tài)為“三相電檢測時間窗狀態(tài)”，一旦從專家知識庫中得出判斷結(jié)論為“缺相”或“逆相”，那么系統(tǒng)就會遷移到“三相錯誤狀態(tài)”;如果當(dāng)前狀態(tài)為“正常相序狀態(tài)”，并且從專家知識庫中得出判斷結(jié)論為“三相電信號消失”，則系統(tǒng)就會遷移到“三相電缺失狀態(tài)”。

狀態(tài)遷移圖如圖5所示。

4" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)測試包括功能測試與性能測試兩部分。

4.1" 功能測試

功能測試主要是電路板級的測試，給L1，L2，L3端分別輸入正常、缺相和逆相的信號，通過示波器捕捉CHECK1和CHECK2輸出的信號波形。

例如，輸入正常的三相電信號，則通過示波器捕捉到CHECK1和CHECK2的信號波形為方波、且相位差為120°;將L1的信號斷開，造成A相缺相，則通過示波器捕捉到CHECK1始終為高電平，CHECK2為方波，如圖6所示。

4.2" 性能測試

性能測試為產(chǎn)品級測試，通過三相可調(diào)電源改變?nèi)嚯姷碾妷悍岛皖l率，檢測產(chǎn)品是否可以正確識別出各種狀態(tài)。

依次給出缺單相、缺兩相、逆相的信號，然后使用三相可調(diào)電源將電壓幅值從345 V（可調(diào)電源的最高值）調(diào)到20 V，頻率分別從42 Hz調(diào)到71.5 Hz（可調(diào)電源的最高值），依次記錄結(jié)果。

缺單相的測試結(jié)果如表2所示。

通過上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三相電壓幅值降低到30 V及以下檢測開始不穩(wěn)定，而在三相電頻率為42～71.5 Hz范圍內(nèi)，檢測一直很穩(wěn)定。

而缺兩相以及逆相的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和缺單相一致，都是當(dāng)三相電壓幅值降低到30 V及以下檢測開始不穩(wěn)定。

5" 結(jié)" 語

基于STM32的三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，在硬件設(shè)計(jì)上采用的是兩路光耦的方案，既節(jié)約了成本，又保證了工作的可靠性;在軟件設(shè)計(jì)上采用分層模塊化架構(gòu)，穩(wěn)定性好，移植性強(qiáng)，其中三相檢測部分基于專家系統(tǒng)，將三相電各種狀態(tài)對應(yīng)的輸出波形放入專家知識庫，推理機(jī)基于狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，使得能夠準(zhǔn)確快速地識別各種三相電狀態(tài)并在各種狀態(tài)間遷移。通過實(shí)際測試證明，該保護(hù)系統(tǒng)能夠正確識別出三相電的各種狀態(tài)并給出反饋動作，并且具有很高的穩(wěn)定性，在電壓幅值降低至正常值的20%，頻率在正常值的84%～143%范圍內(nèi)均能正確地完成檢測。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓慧卿.電氣工程自動化節(jié)能環(huán)保技術(shù)分析[J].中國高新區(qū)，2018（1）：156.

HAN Huiqing. Analysis of energy saving and environmental protection technology for electrical engineering automation [J]. Science amp; technology industry parks， 2018（5）： 156.

[2] 邱海飛.渦旋壓縮機(jī)傳動系統(tǒng)動平衡性能改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2017（2）：474?478.

QIU Haifei. Improving design of dynamic balance characteristic for scroll compressor′s transmission system [J]. Journal of mechanical strength， 2017（2）： 474?478.

[3] 唐景春，左承基.電動汽車空調(diào)熱泵型渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)分析[J].制冷學(xué)報(bào)，2014，35（2）：54?58.

TANG Jingchun， ZUO Chengji. Structural analysis of heat pump scroll compressor for electric automobile air?conditioning [J]. Journal of refrigeration， 2014， 35（2）： 54?58.

[4] 周封，呂金貴，李隆，等.智能電機(jī)故障診斷分析及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與控制，2017（6）：738?745.

ZHOU Feng， Lü Jingui， LI Long， et al. Design of intelligent fault diagnosis and early warning system of motors [J]. Information and control， 2017（6）： 738?745.

[5] 劉智勇，陳鵬飛，宿磊，等.基于STM32芯片的U盤/SD卡文件傳輸技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（18）：107?109.

LIU Zhiyong， CHEN Pengfei， SU Lei， et al. Study on file transmission between U disk and SD card based on STM32 chip [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（18）： 107?109.

[6] 李傳煌，王偉明，施銀燕.一種UML軟件架構(gòu)性能預(yù)測方法及其自動化研究[J].軟件學(xué)報(bào)，2013（7）：1512?1528.

LI Chuanhuang， WANG Weiming， SHI Yinyan. Performance prediction method for UML software architecture and its automation [J]. Journal of software， 2013（7）： 1512?1528.

[7] 劉建峰，王翠茹，劉偉達(dá)，等.基于Agile方法的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004，21（8）：217?219.

LIU Jianfeng， WANG Cuiru， LIU Weida， et al. Design of software architecture based on agile methodology [J]. Application research of computers， 2004， 21（8）： 217?219.

[8] 李猛，曹春平，孫宇.基于專家系統(tǒng)的離合器制動器故障診斷[J].鍛壓技術(shù)，2017（12）：163?169.

LI Meng， CAO Chunping， SUN Yu. Fault diagnosis for clutch and brake based on expert system [J]. Forging amp; stamping technology， 2017（12）： 163?168.

[9] 陶倩，馬剛，史忠植.基于Agent的專家系統(tǒng)推理模型[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013（2）：135?142.

TAO Qian， MA Gang， SHI Zhongzhi. Research on the expert system reasoning model based on Agent [J]. CAAI transactions on intelligent systems， 2013（2）： 135?142.

[10] 金超寧，陳堅(jiān)強(qiáng)，許瑛.自動制孔系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（6）：238?240.

JIN Chaoning， CHEN Jianqiang， XU Ying. Research of the intelligent design expert system for automatic drilling system [J]. Machinery design amp; manufacture， 2015（6）： 238?240.

[11] 余存，黃利軍，黃浩然，等.基于UML狀態(tài)圖和Qt狀態(tài)機(jī)框架的IEC104規(guī)約的分析和實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015（15）：118?125.

YU Cun， HUANG Lijun， HUANG Haoran， et al. Analysis and implementation of IEC104 based on UML statechart and Qt state machine framework [J]. Power system protection and control， 2015（15）： 118?125.