基于STM32的三相电机保护系统设计

曾华鹏，范其明，王培宏，汤 莉

（1.天津中德应用技术大学智能制造学院，天津 300350；2.天津锐敏科技发展有限责任公司，天津 300384；3.天津财经大学理工学院，天津 300222）

0 引 言

随着科学技术的快速发展，各种新型电器设备的不断更新，导致现阶段能源供不应求的局面，所以，要想解决这个问题，就得采取相应的节能措施，来缓解新时期能源消耗所面临的问题[1]。在这个大趋势下，各种各样的节能环保产品一一出现，涡旋压缩机就是其中的一种。涡旋压缩机是通过容积变化来实现气体压缩的流体机械，相对于往复式和回转式压缩机，这种新型气体压缩机械具有体积小、重量轻、振动小等特点[2]。压缩部件由动涡旋盘和静涡旋组成[3]。大部分涡旋压缩机的动涡旋盘一般由三相电机驱动。

在实际使用中面临着三相电接线错误的风险，比如，三相电相序接错，其结果是电机反转，而一些型号的压缩机从结构设计上是不允许反转的，一旦反转必然会造成其结构损坏。而当某一相虚接时，其结果就是缺相，从而导致电机定子绕组磁场分布不均匀，转子运转阻力增大，同时，另外两相绕组电流也同时加大，绕组发热严重，直至绕组绝缘损坏，最终烧毁电机[4]。而压缩机每年产量巨大，因此设计一款低成本的三相电机保护系统对三相电机的工作状态进行检测以保证安全，具有非常重要的意义。

1 三相电机保护系统设计

系统结构图如图1 所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

三相电机通过三相电L1，L2 和L3 对其供电，同时三相电L1，L2和L3也引入到三相电机保护系统的L1，L2和L3端子。正常情况下三相电机保护系统的M1M2继电器处于吸合状态，一旦三相电机保护系统检测到缺相或逆相，M1M2继电器断开，从而切断三相电机供电，达到保护作用，同时，三相电机保护系统上的LED 灯闪烁以指示对应的故障。该三相电机保护系统通过L+和L-供电。

2 三相电机保护系统硬件设计

2.1 系统硬件结构图

系统硬件结构图如图2 所示，芯片采用意法半导体的STM32F103RCT6 单片机，利用STM32 丰富的外设功能和数据处理能力[5]，整个系统由电源模块、三相检测电路、人机界面、继电器控制电路和通信模块组成。三相检测电路是系统的核心电路，它负责将输入的L1，L2，L3 三相电三路正弦波信号转换成单片机可识别的两路方波，根据其相位差来判断缺相逆相。

图2 硬件结构图Fig.2 Structure diagram of system hardware

2.2 三相检测电路设计

三相检测电路采用两路光耦的方案，电路原理图如图3 所示。

图3 中,L1，L2，L3 分别接三相电的A，B，C 相，CHECK1 和CHECK2 引脚输出高低电平信号至单片机用以判断三相电缺相和逆相。

图3 三相检测电路原理图Fig.3 schematic diagram of triple-phase detection circuit

正常情况下，三相电A，B，C 相应该从相位上依次落后120°，因此两路光耦就会依次导通，从而使得CHECK1 和CHECK2 输出两路方波，并且CHECK1 的相位要领先CHECK2 120°，如图4 所示。

区域化远程影像诊断的优势是打破时间、空间的限制，使患者能在家门口一、二级医院享受到等同于三级优质的医疗诊断服务[21]。建立一个影像数据中心，连接协作医院，存储病人在就诊过程中产生的文字信息和影像数据，设备部署在综合医院。各协作医院产生的数据存储在本地，同时为影像数据中心提供一个备份数据。综合医院的高年资影像诊断医师能够方便地对诊断中心存储的协作医院上传的影像数据和初诊报告进行审核[22]。

图4 三相检测电路输入输出信号图Fig.4 Input and output signals of triple-phase detection circuit

对于缺单相、缺两相、缺三相和逆相的情况，其CHECK1 和CHECK2 输出波形和正常相序的波形均不相同，具体输出信号如表1 所示。

表1 三相电状态检测知识库Table 1 Knowledge base for detection of triple-phase state

3 三相电机保护系统软件设计

3.1 系统软件架构设计

软件设计产品除了应满足基本功能需求之外，还需满足质量需求[6]。为增强系统软件的稳定性和可移植性，采用分层和模块化设计[7]。

系统软件分为三层：驱动层、中间层和应用层。驱动层针对不同的芯片做驱动的封装；中间层封装了一些通用的操作，如E2PROM 操作，通信协议栈等；应用层针对功能进行模块化设计，其中三相检测模块为核心模块。

3.2 三相检测模块软件设计

三相检测模块软件设计基于专家系统，主要由人机接口、推理机、解释器、知识库及其管理系统、数据库及其管理系统和知识获取机构组成[8]。

3.2.1 知识库

知识库负责存储领域专家解决特定领域的知识，采用某种知识表示方法编辑或自动生成某种表示形式[9]。知识库中存储辨别三相电各种状态的知识，如表1 所示。

3.2.2 数据库及其管理系统

数据库由存储在单片机片内FLASH 中的参数组成，主要为判断三相电状态的各种参数，如采样滤波时间、三相电频率上下限等。存储在片内FLASH 中的参数可以通过人机接口和知识获取机构更新。

该系统的人机接口为RS 485，通过该接口可以与PC 相连接，通过上位机程序可以将新版本的专家知识库和数据库发送到该三相电机保护系统，由内嵌的bootloader 对专家知识库和数据库进行更新。

3.2.4 推理机

推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果[10]。

由于该系统判断三相电状态，不仅仅取决于CHECK1 和CHECK2 的信号，还取决于实际应用工艺中的要求，比如运行过程中出现三相电整体断电，以及恢复的处理；出现三相电缺相逆相错误后，系统恢复错误后的处理。此外，还取决于系统其他功能的影响，比如由于别的保护功能运作了，那么现有的三相检测还有无必要进行等，因此实际的推理逻辑非常复杂。

基于有限状态机的设计和实现方法（设计模式中称之为状态模式），通过把复杂的判断逻辑条件转移到表示不同状态的一系列类中，在事件驱动模块的设计中得到广泛应用[11]。例如，当前状态为“三相电检测时间窗状态”，一旦从专家知识库中得出判断结论为“缺相”或“逆相”，那么系统就会迁移到“三相错误状态”；如果当前状态为“正常相序状态”，并且从专家知识库中得出判断结论为“三相电信号消失”，则系统就会迁移到“三相电缺失状态”。

状态迁移图如图5 所示。

图5 三相检测状态迁移图Fig.5 State transition diagram of triple-phase detection

4 三相电机保护系统测试

该系统测试包括功能测试与性能测试两部分。

4.1 功能测试

功能测试主要是电路板级的测试，给L1，L2，L3 端分别输入正常、缺相和逆相的信号，通过示波器捕捉CHECK1 和CHECK2 输出的信号波形。

例如，输入正常的三相电信号，则通过示波器捕捉到CHECK1 和CHECK2 的信号波形为方波、且相位差为120°；将L1 的信号断开，造成A 相缺相，则通过示波器捕捉到CHECK1 始终为高电平，CHECK2 为方波，如图6所示。

图6 三相测试结果图Fig.6 Testing results of triple-phase

例如将L1 的信号断开，造成A 相缺相，则通过示波器捕捉到CHECK1 始终为高电平，CHECK2 为方波，如图7 所示。

图7 三相缺A 相测试图Fig.7 Triple-phase testing diagram in the case of phase A loss

其余缺B 相、缺C 相、缺两相、缺三相和逆相的CHECK1 和CHECK2输出波形均与知识库中的描述一致。

4.2 性能测试

性能测试为产品级测试，通过三相可调电源改变三相电的电压幅值和频率，检测产品是否可以正确识别出各种状态。

依次给出缺单相、缺两相、逆相的信号，然后使用三相可调电源将电压幅值从345 V（可调电源的最高值）调到20 V，频率分别从42 Hz 调到71.5 Hz（可调电源的最高值），依次记录结果。

缺单相的测试结果如表2 所示。

通过上述数据可以发现，当三相电压幅值降低到30 V及以下检测开始不稳定，而在三相电频率为42～71.5 Hz范围内，检测一直很稳定。

表2 三相检测性能测试结果Table 2 Testing results of triple-phase detection performance

而缺两相以及逆相的实验数据结果和缺单相一致，都是当三相电压幅值降低到30 V及以下检测开始不稳定。

5 结 语

基于STM32 的三相电机保护系统，在硬件设计上采用的是两路光耦的方案，既节约了成本，又保证了工作的可靠性；在软件设计上采用分层模块化架构，稳定性好，移植性强，其中三相检测部分基于专家系统，将三相电各种状态对应的输出波形放入专家知识库，推理机基于状态机实现，使得能够准确快速地识别各种三相电状态并在各种状态间迁移。通过实际测试证明，该保护系统能够正确识别出三相电的各种状态并给出反馈动作，并且具有很高的稳定性，在电压幅值降低至正常值的20%，频率在正常值的84%～143%范围内均能正确地完成检测。