基于ARM Cortex-M3的电机微机保护系统

侯青祥，温宗周（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048）

大型三相电机在工业生产过程中起到举足轻重的作用,但是由于电网、负载及电机本身的问题，电动机运行时会出现短路、断相、过压、欠压、过载等故障[1]。为保证电动机正常工作,需要对其运行系统进行电气保护。目前，传统的8/16单片机已广泛应用于电气保护中。但是它们仅仅具有基本的测量控制功能,在人机对话、数据查询、故障显示等方面能力有限,缺少必要的网络通讯功能[2]。如果将网络通讯以及故障记录技术加入到电机保护中，可以给电机的保护带来意想不到的效果，节省大量的成本。

TI公司生产的基于ARM Cortex-M3的微控制器采用ARM可兼容Thumb的Thumb-2指令集来降低内存的需求。其中LM3S811控制器有64 KB的Flash程序存储空间、4个10通道、采样速率为500 000次/s的ADC接口、32个可配置的 GPIO(其数目取决于配置)，极大地方便了后期软件的编写[3]。本文采用LM3S811为运算核心，研制了一种可以对电机过载、短路、漏电、缺相及过热故障进行检测保护的智能电机保护器。另外采用EEPROM技术记录电机故障，用485组网的方式进行数据通讯。

1 硬件部分设计

除电机故障数据的采集模块、电机保护动作、按键、LCD显示和故障指示模块之外，还扩展了485通讯电路和EEPROM存储芯片，实现了对电机的保护、故障记录以及与上位机的通讯。

(1)系统总体设计

系统总体硬件模块结构图如图1所示。

图1 系统硬件整体结构框图

(2)数据采集模块

数据采集模块主要对三相电机的线电压、线电流等参数进行采集，经过滤波、采样保持、模数转换等电路处理后，送入ARM控制器进行数据的分析。北京世特美测控技术有限公司生产的电流传感器SN1T、电压传感器SK1T、漏电流传感器选用TE5D_C5V6可以将电机的三相电压与电流信号进行隔离转换，信号变换后能够直接被LM3S811的A/D采集模块直接采集。数据采样电路整体模块图如图2所示。

图2 数据采样电路整体模块图

(3)动作电路模块

因为单片机的电压低于5 V时，驱动电流只有十几mA，而电机的工作电压在380 V时，电流可达到5 A～20 A，二者在电压和驱动电流上存在很大的差别[4]。所以控制电路与电机之间需要加缓冲电路，这里采用光电耦合器件控制继电器的通合来达到对电机电源的控制。当出现电流过大、电压缺相等故障时，控制器可以及时地输出控制信号，使电机跳闸，同时发出报警信号，避免电机产生更大的损坏。

(4)温度传感器

LM3S811内部集成有一个10 bit的ADC模块温度传感器，可以用来获取当前芯片的内部温度。通过不断地实验测得芯片温度与环境温度之间的差值，就可以准确地测量电动机线圈的温度。不用再扩展别的温度测量芯片，节约成本。

(5)通讯与故障数据存储模块

大型车间有很多台电机同时工作，电机能否正常工作可能影响到整个生产的进度，所以需要对其进行监控。因此电机保护器与监控中心的通讯方式选择RS-485，可以实现上位机与电机之间的数据通讯。

同时采用I2C通讯的EEPROM技术来存储电机发生故障的时间、电流、电压等参数，另外还可以实现参数设定，断电后设定的参数可以保存下来，不用重新设定。EEPROM芯片AT24C08的模块电路如图3所示。

图3 EEPROM AT24C08存储器电路

(6)键盘输入模块

键盘采用独立连接式非编码键盘，选用3个按键开关，分别连接到LM3S811的3个管脚上，用来实现设备测量功能的切换、数据的设置与选择以及复位等功能。具体电路如图4所示。

图4 键盘输入电路

(7)LCD显示模块与指示灯报警模块

选用LCD1602液晶屏显示当前电机的电压、电流、温度、时间以及故障等。并外接6个LED发光二极管作为检测电压、检测电流、缺相、漏电、正常和通讯状态的指示灯。图5为LM3S811与LCD1602的连接电路图。

图5 LM3S811与LCD1602连接电路图

2 软件部分设计

软件是嵌入式系统开发最重要的部分，包括A/D采集程序、保护动作程序、温度采集程序、显示程序、按键程序以及通讯程序。程序采用模块化设计，可读性、可移植性强[5]。系统程序的结构框图如图6所示。

(1)电流电压采集的模数转换子程序

采集传感器上的电压和电流数据，单片机对数据进行分析判断，若出现故障则切断电机的电源，防止发生事故，并在AT24C08中记录电机的工作电压、工作电流和温度值等实时数据；同时点亮相应的故障指示灯，发出报警。

(2)人机界面子程序的调试

LCD显示屏用来显示电机的状态以及故障信息。信号指示灯用来指示发生故障的种类，方便检测人员处理故障，建立良好的人机界面。

图6 系统程序结构图

通过按键查询电机的温度、三相电压和电流，并通过LCD显示出相应的数据，以实现对不同数字参数值的设定与修改。

(3)温度子程序的调试

温度的调试采用芯片内部温度传感器，因为芯片本身会发热，所以需要通过反复的实验找到实际温度与测量温度之间的差值。通过软件的方法准确地测量电机的发热温度。

温度测试部分子程序如下所示：

图7 调试结果

调试结果如图7所示。此结果与温度计的测试值非常接近。

以上所有程序调试完毕后，搭建系统程序，进行A/D采样，判断电机是否正常运行，若正常则进入电机保护子程序。在电机正常运行且没有按键按下的情况下，可以通过按键查看电机的当前电流、电压等值；当按键动作时，实现相应的功能并显示；当电机有故障时，执行电机动作代码并显示故障，指示灯报警。

采用ARM Cortex-M3核的LM3S811控制器、新的温度采集方法，以及记录故障数据的EEPROM技术，减少了对外围电路的投入，把主要精力投入到软件的编写中，对电机的保护更加合理有效。另外电动机种类很多，采样的电流和电压信号也会有很多的差异。因此可以根据不同的电动机来选择相应的传感器，并串接相应的电阻来进行数据的采集，这样可以满足在不同场合对不同电动机的保护。

[1]余剑，吕福胜.单片机89C52控制的三相电机保护器[J].煤矿电机，2003（6）：23-25.

[2]万琰.基于单片机的电机保护系统的设计[J].漯河职业技术学院学报，2009，8(2)：47-48.

[3]YIU J.Cortex-M3技术参考手册+Cortex-M3权威指南[EB/OL].(2011-07-30)[2012-03-20].http：//www.cr173.com/soft/30691.html.

[4]查斌.基于单片机的电机软起动智能控制器研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[5]伊兹科威兹.32位ARM微控制器系统设计与实践：基于Luminary Micro LM3S系统工程 Cortex-M3内核[M].黄智伟，译.北京：北京航空航天大学出版社，2010.